Полноатомный эмпирический потенциал для молекулярного моделирования и исследования динамики белков

Представлены новые параметры белков для полноатомной эмпирической функции энергии в программе CHARMM. Параметры подбирали с использованием самосогласованного подхода, обеспечивающего баланс между внутренними (связевыми) и межчастичными (несвязевыми) составляющими силового поля, а также между взаимодействиями растворитель—растворитель, растворитель—растворённое вещество и растворённое вещество—растворённое вещество. Внутренние параметры оптимизировали с учётом экспериментальных геометрических характеристик молекул в газовой фазе, колебательных спектров и поверхностей торсионной энергии, дополнив эти данные результатами расчётов из первых принципов. Связевые параметры пептидного остова оптимизировали по данным для N-метилацетамида и дипептида аланина. Параметры взаимодействий, в частности атомные заряды, определяли, подбирая их по энергиям взаимодействия и геометрии комплексов воды с модельными соединениями, представляющими пептидный остов и различные боковые цепи; эти данные получали расчётами из первых принципов. При оптимизации также использовали дипольные моменты, экспериментальные теплоты и свободные энергии испарения, сольватации и сублимации, молекулярные объёмы, а также давления и структуры кристаллов. Полученные параметры белков проверили на кристаллах ациклических трипептидов и циклических пептидов, а также на крамбине, ингибиторе трипсина поджелудочной железы быка и карбоксимиоглобине — как в вакууме, так и в кристаллах. Связь между поверхностью потенциальной энергии дипептида аланина и рассчитанными углами φ и χ в белках подробно проанализировали и использовали при оптимизации торсионных параметров пептидной группы. Результаты показывают, что одних лишь структурных и энергетических данных, полученных расчётами из первых принципов, недостаточно для адекватного описания пептидного остова в белках и пептидах в растворе и кристаллах. Для структурных и динамических характеристик полипептидов и белков провели обширное сопоставление результатов моделирования молекулярной динамики с экспериментальными данными. Минимизация энергии и динамические симуляции кристаллов показали, что для содержательного сопоставления с экспериментальными структурами кристаллов необходимы симуляции молекулярной динамики. Представленные параметры в сочетании с ранее опубликованными полноатомными параметрами CHARMM для нуклеиновых кислот и липидов образуют согласованный набор для моделирования в конденсированной фазе широкого круга биологически значимых молекул.