本發(fā)明涉及計算機模擬生化反應過程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用計算機模擬金屬配合物與dna相互作用的方法。
背景技術(shù)：
許多抗癌藥物通常把dna作為重要的靶向目標，通過與dna相互作用從而影響癌細胞的一系列生理活動，比如dna的轉(zhuǎn)錄復制和蛋白質(zhì)的合成等。抗癌藥物依然對靶向dna缺乏高效性和特異性，探究抗癌藥物與dna的相互作用是極其重要的。實驗上通過uv-vis紫外可見光譜、圓二色光譜、熔點測定、黏度測定以及溶膠電泳等方法可以研究金屬配合物與dna的相互作用，但是不能得出具體的結(jié)合構(gòu)象和解釋作用機理。由于實驗研究具有一定的局限性，因此通過分子對接模擬對金屬配合物與dna的相互作用進行研究，將在計算機輔助藥物設(shè)計方面發(fā)揮巨大作用。
分子對接模擬就是配體分子識別受體分子活性結(jié)合的部位，根據(jù)能量互補性、幾何互補性以及化學環(huán)境互補原理來評估配體分子與受體分子的相互作用效果，并且搜索配體分子與受體分子之間的最好結(jié)合構(gòu)象。目前很多分子對接軟件都需要在大型計算機服務器上運行，并且配體的分子結(jié)構(gòu)不容易獲得。因此基于以上情況，采用結(jié)合gaussian軟件和autodock對接軟件在普通計算機上對金屬配合物與dna的相互作用進行模擬計算。首先對金屬配合物在gaussian軟件中進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以得到配體的準確結(jié)構(gòu)，然后在autodock軟件(包括autodock子程序和autogrid子程序)中使用更加優(yōu)良的拉馬克遺傳算法對金屬配合物與dna進行分子模擬對接，可以提高準確度，最后將對接結(jié)果進行排列分析。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種使用計算機模擬金屬配合物與dna相互作用的方法。本發(fā)明致力于采用gaussian軟件和autodock對接軟件在普通計算機上進行金屬配合物與dna相互作用的模擬。首先對金屬配合物在gaussian軟件中進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，作為配體分子；然后在autodock軟件中進行金屬配合物與dna的分子對接。
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
一種使用計算機模擬金屬配合物與dna相互作用的方法，包括如下步驟：
(1)金屬配合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在gaussian軟件中，使用dft方法的b3lyp泛函并采用混合基組，對繪制的金屬配合物結(jié)構(gòu)進行幾何構(gòu)型優(yōu)化，獲得金屬配合物的準確結(jié)構(gòu)；
dft方法對金屬配合物的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化可得到較好的結(jié)果，其中b3lyp泛函優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)比較合理；
(2)配體構(gòu)象的搜索區(qū)域的構(gòu)建：在autodock軟件中，以dna作為受體分子，以環(huán)繞受體的活性結(jié)合位點構(gòu)成格點盒子作為配體構(gòu)象的搜索區(qū)域，并用不同類型的原子為探針進行掃描和計算格點能量以計算探針原子和受體之間的相互作用能；
(3)分子對接：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的金屬配合物作為配體分子，運用autodock軟件中的autogrid子程序為格點式搜索方法，在配體構(gòu)象的搜索區(qū)域查找活性結(jié)合位點，使受體與配體的分子對接；最后對金屬配合物與dna在autodock子程序中進行多次對接計算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對接結(jié)果進行分析。
進一步地，步驟(1)中，金屬配合物在基態(tài)下最穩(wěn)定，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的金屬配合物為處于基態(tài)的金屬配合物。
進一步地，步驟(1)中，所述混合基組中，對包括氫、碳、氮和氧在內(nèi)的輕原子使用6-31g**基組，對重金屬原子使用lanl2dz基組。
進一步地，步驟(1)中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的金屬配合物保存為pdb格式文件。
進一步地，步驟(2)中，所述dna的晶體結(jié)構(gòu)來源于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，且模擬過程中的dna的結(jié)構(gòu)刪除結(jié)晶水和離子，獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標數(shù)據(jù)，添加所有的氫原子。
進一步地，步驟(2)中，所述配體構(gòu)象的搜索區(qū)域包含整個dna分子結(jié)構(gòu)，確保金屬配合物均可與dna的任何部分相互結(jié)合。
進一步地，步驟(2)中，所述配體構(gòu)象的搜索區(qū)域中，格點的間隔為默認值0.0375nm。
進一步地，步驟(2)中，所述不同類型的原子包括c、h和o三種原子
進一步地，步驟(2)中，所述計算格點能量，主要是由autodock軟件中的autogrid子程序計算出。
進一步地，步驟(3)中，所述對接的計算方法為autodock軟件中的拉馬克遺傳算法。
進一步地，步驟(3)中，所述對接過程在默認溫度298.15k下進行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：
(1)本發(fā)明通過采用gaussian軟件對金屬配合物進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而且可以繪制特定的配體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的幾何構(gòu)型更準確合理；
(2)本發(fā)明的autodock對接軟件采用拉馬克遺傳算法，該算法相比模擬退火算法以及其他傳統(tǒng)算法有更高的效率，結(jié)果也更加可靠；
(3)本發(fā)明的autodock對接軟件在普通計算機上即可運行，在windows系統(tǒng)和linux系統(tǒng)中均可安裝，設(shè)備成本很低，且占用cpu核數(shù)和內(nèi)存小，工作效率高；
(4)本發(fā)明的運行效率很高，即使是運行200個構(gòu)象的計算也能在較短時間內(nèi)完成，而且模擬結(jié)果可靠，有助于在生物化學、配位化學、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的廣泛應用；
(5)本發(fā)明主要是針對分子間相互作用的計算，尤其是范德華力、氫鍵以及去溶劑化作用的計算精準度高，而金屬配合物與dna相互作用能主要來自于這些作用的貢獻；
(6)本發(fā)明的計算結(jié)果顯示的對接信息很豐富，可以直接觀察金屬配合物與dna的結(jié)合構(gòu)象，對接結(jié)果中所包含的結(jié)合自由能、分子間相互作用能、范德華能、氫鍵能、去溶劑化能、靜電能、扭轉(zhuǎn)能、最終總的內(nèi)能和非鍵系統(tǒng)能等一系列能量被清楚地顯示出來。
附圖說明
圖1為金屬配合物與dna的對接模型圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于此。
本發(fā)明具體實施例中配體構(gòu)象的搜索區(qū)域是一個x×y×z的長方體盒子，且最大可設(shè)置為126×126×126。
本發(fā)明具體實施例中設(shè)置的遺傳算法的搜索參數(shù)如表1所示。
表1遺傳算法的主要參數(shù)設(shè)置
實施例1
使用計算機模擬金屬錳咔咯配合物與dna的相互作用，在windows系統(tǒng)中運行，具體步驟如下：
(1)選擇基態(tài)的金屬錳咔咯配合物(四個吡咯通過三個亞甲基橋聯(lián)的大環(huán)，中心配位金屬錳原子)作為配體分子，繪制金屬錳咔咯配合物的分子結(jié)構(gòu)后在gaussian軟件中進行幾何構(gòu)型優(yōu)化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基組對金屬錳咔咯配合物進行優(yōu)化，在此對氫、碳、氮等一系列輕原子使用6-31g**基組，金屬錳原子使用lanl2dz基組；在基態(tài)下對金屬錳咔咯配合物進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后保存為mncor.pdb名稱的文件，作為下一步分子對接的配體分子；
(2)對受體分子進行預處理：受體分子是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(例如http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下載的，pdb文件為3u2n.pdb；打開autodocktools對接軟件，設(shè)置所有文件的工作目錄，再將autogrid子程序和autodock子程序以及下載的pdb文件復制到該工作目錄中；導入受體分子，然后去掉dna上的結(jié)晶水和離子，并添加所有的氫原子(x射線衍射獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標數(shù)據(jù))，最后保存修改過的受體分子；
(3)對配體分子進行預處理：在菜單處導入pdb格式的配體分子，對該分子進行初始化，采取默認值，將其保存為含有原子坐標、autodock原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等信息的mncor.pdbqt名稱的文件；
(4)運行autogrid子程序：在菜單中選擇之前準備好的的受體分子和配體分子文件，打開格點選項對話框設(shè)置格點盒子，將格子的大小設(shè)置為60×60×100，格點間隔為默認值
(5)運行autodock子程序：選擇對接中的受體分子3u2n.pdbqt和配體分子為mncor.pdbqt，設(shè)置遺傳算法的搜索參數(shù)(見表1)，進行200次構(gòu)象搜索；采用系統(tǒng)默認值設(shè)置對接運行參數(shù)，輸出拉馬克遺傳算法對接參數(shù)文件dock.dpf；啟動autodock圖形界面，修改autodock子程序、參數(shù)文件以及記錄文件，進行對接計算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對接結(jié)果保存到記錄文件dock.dlg；
(6)對接結(jié)果分析，打開對接記錄文件dock.dlg，顯示此日志文件中包含對接結(jié)果的分子構(gòu)象以及數(shù)據(jù)：將dna分子載入到圖形界面中，顯示金屬錳咔咯配合物與dna的對接構(gòu)象和結(jié)合自由能；
對接的模型圖如圖1所示，圖1顯示金屬錳咔咯配合物與dna主要結(jié)合在小溝位置。
對接結(jié)果形成的5個構(gòu)象的結(jié)合自由能分析結(jié)果如表2所示。
表2結(jié)合自由能分析(單位為kcal·mol-1)
表2表明金屬錳咔咯配合物與dna之間的相互作用主要來自于范德華力、氫鍵以及去溶劑化相互作用，靜電相互作用的貢獻很少。
將對接結(jié)果的分子構(gòu)象進行聚類，以對結(jié)果進行分析和比較，聚類的結(jié)果如表3所示。
表3聚類結(jié)果(單位為kcal·mol-1)
表3顯示結(jié)合自由能為-8.18kcal·mol-1的構(gòu)象2具有最多的分子構(gòu)象數(shù)量，說明金屬錳咔咯配合物在構(gòu)象2狀態(tài)下最穩(wěn)定。
實施例2
使用計算機模擬金屬鎵咔咯配合物與dna的相互作用，在windows系統(tǒng)中運行，具體步驟如下：
(1)選擇基態(tài)的金屬鎵咔咯配合物(四個吡咯通過三個亞甲基橋聯(lián)的大環(huán)，中心配位金屬鎵原子)作為配體分子，繪制金屬鎵咔咯配合物的分子結(jié)構(gòu)后在gaussian軟件中進行幾何構(gòu)型優(yōu)化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基組對金屬鎵咔咯配合物進行優(yōu)化，在此對氫、碳、氮等一系列輕原子使用6-31g**基組，金屬鎵原子使用lanl2dz基組；在基態(tài)下對金屬鎵咔咯配合物進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后保存為gacor.pdb名稱的文件，作為下一步分子對接的配體分子；
(2)對受體分子進行預處理：受體分子是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(例如http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下載的，pdb文件為2gvr.pdb；打開autodocktools對接軟件，設(shè)置所有文件的工作目錄，再將autogrid子程序和autodock子程序以及下載的pdb文件復制到該工作目錄中；導入受體分子，然后去掉dna上的配體、結(jié)晶水和離子，并添加所有的氫原子(x射線衍射獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標數(shù)據(jù))，最后保存修改過的受體分子；
(3)對配體分子進行預處理：在菜單處導入pdb格式的配體分子，對該分子進行初始化，采取默認值，將其保存為含有原子坐標、autodock原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等信息的gacor.pdbqt名稱的文件；
(4)運行autogrid子程序：在菜單中選擇之前準備好的的受體分子和配體分子文件，打開格點選項對話框設(shè)置格點盒子，將格子的大小設(shè)置為60×60×120，格點間隔為默認值
(5)運行autodock子程序：選擇對接中的受體分子2gvr.pdbqt和配體分子為gacor.pdbqt，設(shè)置遺傳算法的搜索參數(shù)(見表1)，進行200次構(gòu)象搜索；采用系統(tǒng)默認值設(shè)置對接運行參數(shù)，輸出拉馬克遺傳算法對接參數(shù)文件dock.dpf；啟動autodock圖形界面，修改autodock子程序、參數(shù)文件以及記錄文件，進行對接計算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對接結(jié)果保存到記錄文件dock.dlg；
(6)對接結(jié)果分析，打開對接記錄文件dock.dlg，顯示此日志文件中包含對接結(jié)果的分子構(gòu)象以及數(shù)據(jù)：將dna分子載入到圖形界面中，顯示金屬鎵咔咯配合物與dna的對接構(gòu)象和結(jié)合自由能；
對接的模型圖參見圖1，顯示金屬鎵咔咯配合物與dna主要結(jié)合在小溝位置。
對接結(jié)果形成的5個構(gòu)象的結(jié)合自由能分析結(jié)果如表4所示。
表4結(jié)合自由能分析(單位為kcal·mol-1)
表4表明金屬鎵咔咯配合物與dna的相互作用主要來自于范德華力、氫鍵以及去溶劑化相互作用，靜電相互作用的貢獻很少。
將對接結(jié)果的分子構(gòu)象進行聚類，以對結(jié)果進行分析和比較，聚類結(jié)果如表5所示。
表5聚類結(jié)果(單位為kcal·mol-1)
表5顯示結(jié)合自由能為-8.06kcal·mol-1的構(gòu)象2具有最多的分子構(gòu)象數(shù)量，說明金屬鎵咔咯配合物在構(gòu)象2狀態(tài)下最穩(wěn)定。
實施例3
使用計算機模擬金屬錳卟啉配合物與dna的相互作用，在windows系統(tǒng)中運行，具體步驟如下：
(1)選擇基態(tài)的金屬錳卟啉配合物(四個吡咯通過四個亞甲基橋聯(lián)的大環(huán)，中心配位金屬錳原子)作為配體分子，繪制金屬錳卟啉配合物的分子結(jié)構(gòu)后在gaussian軟件中進行幾何構(gòu)型優(yōu)化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基組對金屬錳咔咯配合物進行優(yōu)化，在此對氫、碳、氮等一系列輕原子使用6-31g**基組，金屬錳原子使用lanl2dz基組；在基態(tài)下對金屬錳卟啉配合物進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后保存為mnpor.pdb名稱的文件，作為下一步分子對接的配體分子；
(2)對受體分子進行預處理：受體分子是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下載的，pdb文件為3u05.pdb；打開autodocktools對接軟件，設(shè)置所有文件的工作目錄，再將autogrid子程序和autodock子程序以及下載的pdb文件復制到該工作目錄中；導入受體分子，然后去掉dna上的結(jié)晶水和離子，并添加所有的氫原子(x射線衍射獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標數(shù)據(jù))，最后保存修改過的受體分子；
(3)對配體分子進行預處理：在菜單處導入pdb格式的配體分子，對該分子進行初始化，采取默認值，將其保存為含有原子坐標、autodock原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等信息的mnpor.pdbqt名稱的文件；
(4)運行autogrid子程序：在菜單中選擇之前準備好的的受體分子和配體分子文件，打開格點選項對話框設(shè)置格點盒子，將格子的大小設(shè)置為60×60×100，格點間隔為默認值
(5)運行autodock子程序：選擇對接中的受體分子3u05.pdbqt和配體分子為mnpor.pdbqt，設(shè)置遺傳算法的搜索參數(shù)(見表1)，進行200次構(gòu)象搜索；采用系統(tǒng)默認值設(shè)置對接運行參數(shù)，輸出拉馬克遺傳算法對接參數(shù)文件dock.dpf；啟動autodock圖形界面，修改autodock子程序、參數(shù)文件以及記錄文件，進行對接計算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對接結(jié)果保存到記錄文件dock.dlg；
(6)對接結(jié)果分析，打開對接記錄文件dock.dlg，顯示此日志文件中包含對接結(jié)果的分子構(gòu)象以及數(shù)據(jù)：將dna分子載入到圖形界面中，顯示金屬錳卟啉配合物與dna的對接構(gòu)象和結(jié)合自由能；
對接的模型圖參見圖1，顯示金屬錳卟啉配合物與dna主要結(jié)合在小溝位置。
對接結(jié)果形成的5個構(gòu)象的結(jié)合自由能分析結(jié)果如表6所示。
表6結(jié)合自由能分析(單位為kcal·mol-1)
表6顯示金屬錳卟啉配合物與dna的相互作用主要來自于范德華力、氫鍵以及去溶劑化相互作用，靜電相互作用的貢獻很少。
將對接結(jié)果的分子構(gòu)象進行聚類，以對結(jié)果進行分析和比較，聚類結(jié)果如表7所示。
表7聚類結(jié)果(單位為kcal·mol-1)
表7顯示結(jié)合自由能為-7.47kcal·mol-1的構(gòu)象2具有最多的分子構(gòu)象數(shù)量，說明金屬錳卟啉配合物在構(gòu)象2狀態(tài)下最穩(wěn)定。