分子对接简介及 AutoDock 使用刘明伟 Website:

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组幸
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1 分子对接简介及 AutoDock 使用刘明伟 Website:

2 提纲 1. 分子对接基本理论及方法 2. AutoDock/AutoDockTools

3 1. 分子对接基本理论及方法背景知识蛋白质的结构与功能一级结构二级结构 /Motif 20AA, 主侧链基团拉氏构象酶的结构和催化机制两亲性三级结构裂缝凹陷疏水催化部结合部 His Ser Cys Glu

4 什么是分子对接受体和配体分子经空间匹配能量匹配和化学环境匹配, 相互识别形成分子复合物, 同时预测复合物结构的操作过程锁钥模型诱导契合整体上考虑配体与受体的结合效果!

5 分子对接对象对接 Protein 对接 Nucleic Acids 对接 Protein Chemical compound

6 分子对接基本原理锁钥模型, Fisher 刚性匹配多个小分子配体与大分子受体反复对接, 以寻找最佳结合对接构象 ( 前 50/100 个 ) 刚性对接空间结构匹配半柔性对接配体构象允许一定范围内的变化

7 诱导契合模型柔性匹配配体和受体在对接过程中相互适应, 达到更完美的匹配柔性对接空间和能量 ( 电 / 化学性质 ) 匹配

9 分子对接层次柔性残基刚性刚性对接刚性刚性对接刚性对接 Protein 柔性对接精细考察半柔性对接 Nucleic Acids 半柔性半柔性对接柔性柔性对接刚性 Protein Chemical compound

10 分子在溶剂中的相互作用和能量问题分子扭转分子热运动溶质分子间碰撞溶质溶剂化作用配体受体与周围水分子存在溶剂化作用溶剂配体 - 受体结合的热力学过程

11 动能势能内能分子间能分子间结合能对接过程中的去溶剂化效应受体配体经验势能函数静电作用氢键作用疏水作用

12 能否结合 / 结合强度评价自由能 / 结合自由能 E free /E bind G Bind E Free = E Intermolecular + E Torsion entropy 自由能分子间能扭转熵因子罚分项 Torsion entropy penalty = 配体中旋转键数乘以一个常数焓 E Docked E Bind = E Intermolecular + E Internal = 动能 + 势能 + E Torsional 对接能分子结合分子间能分子内能扭转能自由能非键作用能 / 相互作用能 E vdw + E electrostatic + E h-bond 范德华静电互作氢键 E interaction +E del-sol 参考 :

13 相应对接能下的配体解离常数 U+PV 内能 + 压强体积 G Bind = H bind - T S bind = -R T lnki 焓温度熵气体常数温度 lnki G Bind 0-1 kcal/mol -2 kcal/mol -3 kcal/mol 自由能变化越小, 构象存在概率越高, 全局自由能极小的构象可能是重要构象配体受体结合构象不一定是全局自由能极小的构象, 但一定是低能构象 ( 药效构象 ) E Docked E Bind = E Intermolecular + E Internal + E Torsional 大部分的分子对接法忽略了全部的熵效应, 而在焓效应中也只考虑配体与受体的相互作用能对接能分子结合分子间能分子内能扭转能自由能 E vdw + E electrostatic + E h-bond 氢键采用的形式和力场有关范德华静电互作氢键 +E del-sol G bind G vdw + G H-bond + G electrostatic + G del-sol + G Torsional G interaction E interaction 大部分分子对接法直接忽略熵效应, 而焓效应也只考虑配体与受体的非键作用能非键作用能 ( 非化学键作用能, 化学键介于 125~840kJ/mol) 半经验自由能 ( 多元线性回归 )

14 半经验自由能 ( 多元线性回归 ) 基于经验的打分函数, 多元回归拟合各种物理参数, 计算其对结合自由能的贡献方程包括, 配体旋转键的个数氢键离子键疏水和芳香环的堆积作用, 以及亲水作用

15 sol tor conform elec hbond vdw G G G G G G G +D +D +D +D +D =D D å( ) å å å - + +D +D +D ø ö ç ç è æ - +D ø ö ç ç è æ - =D D j i r i j j i sol tor tor j i ij ij j i elec j i ij ij hbond j i ij ij vdw ij e V S S V G N G r r q q G r D r C t E G r B r A G G, ) 2 / (,, 10 12, ) ( ) ( s e 参见 AutoDock 使用手册经验势能函数

16 常用的分子对接方法对接类型对接方法类型对接方法 Flexible-Ligand Docking 柔性配体对接 Systematic 系统方法 Random/stochastic 随机方法 Simulation methods 模拟方法 Conformational 构象 Fragmentation 片段生长 Database 数据库 Monte Carlo (MC) 蒙特卡罗 Genetic algorithm (GA) 遗传算法 Tabu Search 禁忌搜索 Molecular dynamics (MD) 分子动力学 Energy minimization 能量最小化 Flexible-Protein Docking 柔性蛋白对接 Molecular dynamics (MD) 分子模拟 Monte Carlo (MC) 蒙特卡罗 Rotamer libraries 旋转异构体库 Protein-ensemble grids 蛋白集合栅格 Soft-receptor modeling 软受体建模

17 分子对接软件 ( 大分子 - 小分子 ) 名称优化方法评价函数速度 DOCK 片断生长分子力场表面匹配得分化学环境匹配得分快 AutoDock 遗传算法半经验自由能评价函数一般 ICM-Docking 随机全局优化半经验自由能评价函数快 GOLD 遗传算法半经验自由能评价函数快 FlexX 片断生长半经验自由能评价函数快 Affinity 蒙特卡罗 / 分子力学 / 分子动力学分子力场慢 ZDock&RDock 几何匹配 / 分子动力学 CAPRI* / 分子力场慢 FlexiDock 遗传算法分子力场慢 ehits 系统搜索半经验自由能评价函数快 Hex 几何匹配 CAPRI* 快

18 分子对接辅助工具 Swiss-PdbViewer 分子结构预览及相关处理 OpenBabel 分子结构格式转换文本编辑器 Align three-dimensional structures of proteins

19 最常用分子对接软件引次数统计

2.AutoDock/AutoDocktools AutoDock http://autodock.scripps.

20 2.AutoDock/AutoDocktools AutoDock 适合大分子与小分子互作研究 The Sbripps Research Institute 的 Olson 科研小组使用 C 语言开发的免费分子对接软件 AutoDock Tools, ADT AutoGrid AutoDock 格点中相关能量的计算构象搜索及评价 GUI for AutoGrid & AutoDock Python Molecular Viewer Arthur J. Olson

21 AutoDock 对接流程盒子定义及格点划分在受体活性位点氨基酸残基外围形成盒子 [Box], 并将其划分为格点探针扫描及格点能量用配体不同类型的原子作为探针 (probe) 扫描, 计算格点能量配体构象搜索在 Box 范围对配体进行构象搜索遗传算法模拟退火对接结果评分及排序根据配体构象方向位置及能量进行评分, 并对结果排序复合物分子动力学模拟 ( 全局最优结合构象 )

22 受体活性位点处氨基酸残基外围形成 Box 用不同类型的原子作为探针进行扫描, 计算格点能量对配体在 Box 范围内进行构象搜索, 根据能量评分对结果进行排序 AutoDock 格点对接示意图

23 AutoDock/AutoDockTools 对接注意事项蛋白质合理的蛋白质预处理合理的蛋白质活性位点选择对接结合模式与评分正确性对接效率多个软件综合评价分子动力学进行定量评价小分子起始构象对对接结果有一定影响对接时应以代谢物的结构进行对分子进行加电荷和加氢处理

24 仔细阅读手册上的注意事项 Should I always add polar hydrogens? How many AutoGrid grid maps do I need? Why should all the total charges on the residues be an integer? How easy will it be to get good docking results? How big should the AutoGrid grid box be? Can I identify potential binding sites of a ligand on a protein with AutoDock?

AutoDockTools 使用基本流程 1) 受体和配体预处理 pdbqt 坐标文件 Repair missing atoms with the active region Delete the ligands and metal ions beyond the active region add Kollman United ( for

ADT4 type atom (for Hydrogen bonds: HD, OA, NA, SA) Add full/polar (for peptide chain) hydrogens Add Kollman United ( for peptide chain)/gasteriger atoms (for others) Choose

25 AutoDockTools 使用基本流程 1) 受体和配体预处理 pdbqt 坐标文件 Repair missing atoms with the active region Delete the ligands and metal ions beyond the active region add Kollman United ( for peptide chain)/gasteriger atoms (for others) Check Integer charges and Fix Pdb names Delete non-polar hydrogens Add polar hydrogens (conneting negative-charged O & N) Assign ADT4 type atom (for Hydrogen bonds: HD, OA, NA, SA) Add full/polar (for peptide chain) hydrogens Add Kollman United ( for peptide chain)/gasteriger atoms (for others) Choose a root atom Define rotatable bonds and build the torsion tree 2) 格点对接 : 设定对接范围 GridBox, 在活性范围内进行对接 3) 对接计算 : 遗传算法 ; 模拟退火算法范德华相互作用氢键相互作用 4) 结果分析评价函数 : 半经验自由能计算静电相互作用溶剂化作用

26 AutoDock/AutoDockTools 的安装与使用硬件基本条件 Dural Core, 2.0 GHz~ NVIDIA Quadro ~ DDR II, 2GB, 800MHz~ ATI FirePro ~

软件基本条件 Microsoft Windows 系统 http://www.cygwin.

27 软件基本条件 Microsoft Windows 系统 Cygwin 模拟 Linux BioInfoServ Linux 系统效率低下 Tools Installer Packages Swiss-PdbViewer OpenBabel Inbuilding Tools

29 基于 PMV 预处理大分子 ( 极性氢, 加电荷 ) 基于 ADT 处理大分子柔性残基小分子格点 & 对接计算 OpenBabel PMV Menu PMV Button ADT Menu Dashboard Viewer area PMV Info

30 1. PMV 预处理大分子受体预处理的好外影响对接的精准程度 ; 文件名和文件夹名必须全部为英文!

31 读入大分子 PDB 数据来源 PDB: RCSB 3D 同源建模 Swiss-Model 其他格式 : OpenBabel 转换

32 清理 / 修复处理 Select 选取 Select From String 删除 Edit Delete ligand water nucleotide DNA/RNA... Delete Selected Atoms Delete water(solvent Edit 修复 Misc Check for Missing Atom Repair Missing Atoms Swiss-PDB Viewer Select all Fix selected sidechains Fix Atom Nomenclature

33 Swiss-PDB Viewer Select Select all Edit Fix Atom Nomenclature Tools Fix selected sidechains

34 加氢 / 电处理加极性氢 Edit Hydrogen polar only with nobondorder Merge none-polar Fix pdb names Edit 加电荷 Charges Add Kollman charges Compute Gasteiger Check totals on Residue 原子类型 Edit Atoms Assign AD4 type.pdbqt 坐标文件

35 注意事项 Should I always add polar hydrogens? Check totals on Residues and make corrections Polar hydrogens can be particularly important for the formation or Hydrogen bonds from Tyr, Ser, Thr (Hydroxy-AA/ 羟基氨基酸 ) Be critical and carefully examine hydrogen positions, atom type assignments, partial charges, and articulation of the molecules to ensure that they make sense chemically

36 OpenBabel weblab viewer Reduce InsightII Quanta Sybyl AMBER CHARMm

37 Chimera 进行大分子准备适合 Dock 软件

38 2. ADT 处理大分子柔性残基小分子配体格点 / 对接计算文件名和文件夹名必须全部为英文!

39 大分子柔性残基据文献报道确定柔性残基

40 小分子配体数据来源小分子 mol2: PubChem 小分子结构绘制, 转换格式转换 OpenBabel 分子式绘制三维结构转化最小能量优化

41 OpenBabel

42 小分子处理选择根原子 Ligand Input Open Torsion Tree Choose Root 定义扭转键 Ligand Detect Root Torsion Tree Choose Torsions Making all active bonds non-rotat Making all rotatable bonds rotatab Make all amide bonds non-rotatab Set Numbers of Torsions number of active torsions: 4.pdbqt 坐标文件

43 Grid 计算定义 Grid Macromolecule Open Choose Set Map Types Choose Ligand Open Ligand Directly Grid Box Number of points in x-d Number of points in y-d Number of points in z-d Spacing ( angstrom).gpf Center Grid Box 坐标从已知的配体 - 受体复合物结构中提取

44 .gpf npts gridfld /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.maps.fld spacing receptor_types A C Fe H HD N OA P SA ligand_types NA C HD N receptor /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.pdbqt gridcenter smooth 0.5 map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.na.map map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.c.map map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.hd.map map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.n.map elecmap /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.e.map dsolvmap /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.d.map dielectric # num.grid points in xyz # grid_data_file # spacing(a) # receptor atom types # ligand atom types # macromolecule # xyz-coordinates or auto # store minimum energy w/in rad(a) # atom-specific affinity map # atom-specific affinity map # atom-specific affinity map # atom-specific affinity map # electrostatic potential map # desolvation potential map # <0, AD4 distance-dep.diel;>0, constant 必须修改指定完整的文件路径!

45 Grid 计算运行.NA.map.C.map.HD.map.N.map.e.map.d.map.map.fld.map.xyz

46 对接计算定义.dpf

47 .dpf autodock_parameter_version 4.2 # used by autodock to validate parameter set outlev 1 # diagnostic output level intelec # calculate internal electrostatics seed pid time # seeds for random generator ligand_types NA C HD N # atoms types in ligand fld /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.maps.fld # grid_data_file map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.na.map # atom-specific affinity map map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.c.map # atom-specific affinity map map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.hd.map #atom-specific affinity map map /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.n.map # atom-specific affinity map elecmap /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.e.map # electrostatics map desolvmap /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/4blc_hem.d.map # desolvation map move /media/datadiskii/zhangli/results/ /4blc/2.8/metformin_pubchem.pdbqt # small molecule about # small molecule center tran0 random # initial coordinates/a or random quaternion0 random # initial orientation dihe0 random # initial dihedrals (relative) or random torsdof 0 # torsional degrees of freedom rmstol 2.0 # cluster_tolerance/a extnrg # external grid energy e0max # max initial energy; max number of retries ga_pop_size 150 # number of individuals in population ga_num_evals # maximum number of energy evaluations ga_num_generations # maximum number of generations ga_elitism 1 # number of top individuals to survive to next generation ga_mutation_rate 0.02 # rate of gene mutation ga_crossover_rate 0.8 # rate of crossover ga_window_size 10 ga_cauchy_alpha 0.0 # Alpha parameter of Cauchy distribution ga_cauchy_beta 1.0 # Beta parameter Cauchy distribution set_ga # set the above parameters for GA or LGA unbound_model bound # state of unbound ligand do_global_only 50 # do this many GA runs analysis # perform a ranked cluster analysis 必须修改指定完整的文件路径!

48 对接计算.dlg

49 3. 结果文件.dlg 的分析处理文件名和文件夹名必须全部为英文!

50 .dlg 1.2M SETTING UP DEFAULT PARAMETER LIBRARY PARSING INPUT DOCKING PARAMETER FILE TORSION TREE Final docked state FINAL GENETIC ALGORITHM DOCKED STATE CLUSTER ANALYSIS OF CONFORMATIONS CLUSTERING HISTOGRAM RMSD TABLE STATISTICAL MECHANICAL ANALYSIS LOWEST ENERGY DOCKED CONFORMATION from EACH CLUSTER

51 .pdb

52 .pdb

54 Interactive Ribbons model for Metformin binding with 4BLC

55 Interactive hydrophobicity surface model for Metformin binding with 4BLC

56 特别强调 1. 所有文件及文件夹必须是英文命令 2. 保证 autogrid4 和 autodock4 的可执行性 3. 保证程序运行路径和参数加载路径的完整性 4. 在终端中运行 runadt, 以便捕获程序运行中的错误信息反馈

58 总结 1. AutoDockTools 相关软件与运行环境安装配置 2. PMV 预处理大分子受体 3. ADT 处理大分子柔性残基小分子配体格点 / 对接计算 4. 结果文件.dlg 的分析处理

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