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1、目录1.怎样阅读教程2.怎样准备结构来进行静电势计算2.1PQR格式2.2XML 格式2.3 由 PDB文件生成 PQR文件（ PDB2PQR ）3.怎样观察生物大分子周围的静电势3.1VMD 3.2PyMOL 3.3PMV 4.怎样计算溶剂化能4.1 极性溶剂化4.2 非极性溶剂化5.怎样计算结合能5.1 溶剂化能对结合的贡献.2 包括库仑力贡献5.3 不行 !配体没有设置参数5.4 一个配体结合的例子.怎样计算溶剂化力7.怎样计算 PKa? 7.1 概况7.2 介绍7.3 应用于溶菌酶8.我的计算需要的内存太大了! 8.1 并行计算 :一个例子8.2 异步时序计算9.如何将 APBS用于分
2、子动力学软件(MM/PBSA 等)? 10.怎样通过网络运行APBS?(Gemstone) 10.1 得到 Gemstone 10.2 用 PDB2PQR来准备结构10.3 用 APBS进行静电计算11.更多例子 ,12.所有这些没有回答我的问题-,图像清单3.1 .弓形阻遏物的等势线(在 VMD 中) 3.2.弓形阻遏物表面势能(在 VMD 中) 3.3.FAS2静电势能等势线(+/- KT/e)( 在 PyMOL中) 3.4.FAS2静电表面势能 (+/- 5KT/e)(在 PyMOL 中) 3.5.全溶剂化能循环5.1. 结合自由能循环7.1. pKa摄动自由能循环原理图7.2. HEW
3、L活性位点名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 38 页 - - - - - - - - - 8.1.并行计算得到的肌动蛋白二聚体等势线10.1. Gemstone PDB2PQR 计算10.2. Gemstone APBS/Calculation 屏幕10.3. Gemstone APBS/Grid 屏幕10.4. Gemstone APBS/Physics屏幕10.5. Gemstone APBS/File I/O 屏幕10.6. Gemstone APBS
4、/Calculation 屏幕 (运行完成 )表格清单7.1. 常见可滴定基团的模型氨基酸pKa 值 ; 数据来自Nielsen et al (见注脚 ) List of Examples4.1. 玻恩离子PQR4.2.玻恩输入文件示例方程式清单4.1. 玻恩离子极性溶剂化能5.1. 结合自由能方程5.2. 溶剂化对结合自由能的贡献5.3. 库仑力对结合自由能的贡献5.4. 结合自由能7.1. 酸解离自由能7.2. 迁移自由能Chapter 1.怎样阅读教程这本教程是以 怎样做 的形式设计的 ,使读者能熟悉使用APBS进行静电计算。读者需要最新版本的APBS(http:/) 来演示本教程中提供
5、的实例。需要的其他文件列在 Individual section 里。重要信息注意本教程中的许多实例操作也可以通过网络Gemstone 实现，而不需要在本地装载APBS 软件。更多信息见Chapter 10, 怎样通过网络运行APBS ? (Gemstone) 。提示本教程仍在完善之中， 并且会在下一版本的APBS 开发出之前完成。未完成部分涵盖的许多课题在APBS 实例目录中有所展示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 38 页 - - - - - - -
6、- - 3.Chapter 2. 怎样准备结构来进行静电势计算目录2.1PQR格式2.2XML 格式2.3 由 PDB文件生成 PQR文件（ PDB2PQR ）为了对你关注的生物大分子结构进行静电计算，你需要向APBS提供原子所带电荷和原子半径等信息。电荷用来为泊松-波尔兹曼（ PB）方程提供生物分子电荷分布，半径则是用来构建电介质和离子可及度函数。电荷和半径信息可由多种不同的文件格式提供给APBS ，下面对此进行详细阐述。2.1. PQR 格式PQR 格式 提供了一个添加参数信息的简单方式：将 PDB 格式结构文件中的occupancy 和temperature 栏代替以电荷 (Q)和半径
7、(R) 信息。然而，这种格式的简单性也限制了它的可扩展性：如果不借助使用其它软件如PDB2PQR ，向一般的格式中添加新的原子形式和参数是非常困难的。下面介绍的XML 参数格式要容易修改的多。2.2. XML 格式XML 格式 提供了一个添加参数信息的复杂格式，但同时也在格式化、可扩展和其它修改方面具有更大空间。正如在PQR格式中，原子坐标被补充以电荷和半径信息。完整的格式说明请见 the APBS user guide。2.3. 由 PDB文件生成 PQR文件（ PDB2PQR ）PDB2PQR 网络服务和软件可将绝大多数PDB文件转换成PQR格式，同时生成一些 “警告”信息，特别是不能对大
8、量缺失原子的坐标进行“修复”。虽然PDB2PQR 能修复某些侧链中缺失的重原子，但目前它不能模建大范围缺失的骨架和侧链坐标。PDB2PQR也可进行氢键优化，侧链旋转异构体搜索，附加限定的滴定状态，设定配体参数和准备 APBS输入文件等。详细内容见http:/ PDB2PQR 在 PDB2PQR 主页中进行了详细讨论。因此，我们这里的简略地回顾由 PDB文件生成 PQR文件的所需步骤。 首先，从 :/ ID或编号（如 1FAS , 1MAH, 1LYS等）或者是上传自己的PDB文件均可。注意如果你选择输入四个字符的PDB文件， PDB2PQR 将对所有PDB文件中的链进行转换，注意本教程适于运用
9、PDB2PQR 1.2.1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 38 页 - - - - - - - - - 因为它结晶于PDB 中（比如，对所有相关的进行转换而不仅是不是生物单元）。2.3.2. 选择力场大多数情况下，这个选择是简单的：PARSE。该力场经过了优化适用于隐式溶剂计算，而且可能是蛋白质静电势能和许多一般形式的能量计算可视化处理的最佳选择。然而， AMBER和 CHARMM 在某些情况下更合适，比如想与用这些力场进行的模拟做比较，需要有核酸的力场
10、，想利用这些力场对配体进行参数化等。上传自定义力场也是可行的（比如，对配体或不常见残基进行半径和电荷定义）。详细信息见 PDB2PQR 文件。2.3.3 输出命名配置这与静电计算基本不相关，但对可视化至关重要。在不确定时，选择 Internal naming scheme ，使得与IUPAC 标准一致。2.3.4. 其它选择这些选择可分为两类：怎样在结构上构建缺失原子（包括氢原子） 和附加输出配置。详细信息见 http:/ 3. 怎样观察生物大分子周围的静电势目录3.1. VMD3.2. PyMOL3.3. PMV有许多极好的分子可视化软件可用来观察生物分子的静电性质。由于这样的程序太多，我们
11、将集中精力于三个我们熟悉的软件包。3.1. VMD VMD 分子可视化软件包提供了运行APBS计算和对得到的静电势能结果进行可视化处理的支持。 VMD 开发者提供的与APBS对接的文件见http:/www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/plugins/apbsrun/。作为补充，我们将展示怎样在VMD中利用 APBS从 PDB文件得到结构和势能图。注意本教程基于VMD1.85 3.1.1. 生成 PQR 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共
12、38 页 - - - - - - - - - 我们以弓形阻遏物（PDB ID 1MYK）为例，它是一个DNA 结合蛋白。可视化过程的第一步是为 VMD 和 APBS生成 PQR文件。请参见 Section 2.3, “由 PDB文件生成PQR文件（PDB2PQR ）来生成 PQR文件。3.1.2. 载入 PQR 在 VMD 中载入刚生成的PQR文件 (在 VMD 主窗口中选择File New molecule.) 。调整分子，使其以你所希望的方式显示。根据你在 PDB2PQR 中运用的力场不同，你可能会在VMD中看到一些奇怪的成键。当 PQR文件载入 VMD 时，键的长度是由PQR半径推得的。
13、 这些半径与连续静电计算有关，而与可视化无关。不必担心会出现一些奇怪的成键（可隐藏氢原子已达到更好的视觉效果）。3.1.3. 运行静电计算现在已经为静电计算做好了准备1.在 VMD 主窗口中选择Extensions Analysis APBS electrostatics。此时弹出一个APBS工具窗口。2.在 APBS 工具窗口中选择Edit Settings. 改变路径至APBS程序所在路径。点击OK关闭此窗口。3.从Individual PB calculations (ELEC):窗口选择 0 calculation 。单击 Edit 按钮。按需要的方式调整APBS 设置。默认设置一般是
14、可行的，然而修改ions 来调整计算时的离子强度也是有用的。完成后单击OK。4.现在已经准备好了运行计算。在 APBS工具窗口中单击Run APBS 。打开 VMD Console 窗口察看运行计算时返回的信息。计算完成后会出现一个APBSRun: Load APBS Maps窗口。选择Load files into top molecule 然后单击OK。3.1.4. 静电可视化3.1.4.1. 等势线可视化最常用的可视化方法之一就是绘制等势线。1.首先，在VMD 主窗口中选择Graphics Representations. 。2.单击 Create Rep 按钮，创建新的图层，改变Dra
15、wing Method 至 Isosurface 。3.将 Draw 由 Points 改至 Solid Surface ， Material 改至 Transparent 。4.注意现在 isovalue 值是 0；根据个人使用偏好，改变它至1（或 5、10 等）。5.若沿用静电势能着色的标准离子传统，在Coloring Method 中选择 ColorID 0 。6.对于负值等势线，单击Create Rep ，选择新创建的图层。改变isocontour 值至 -1 (或 5、 10.) ， ColorID 改至1。这时，你得到的图像将类似下图（注意，为使得图像更加清晰我们将Drawing
16、Method 由表面改为点状。）：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 38 页 - - - - - - - - - Figure 3.1. Arc repressor isocontours in VMD3.1.4.2. 表面势能可视化静电势能可视化的另一个常用方式是将静电势能map 到生物分子的表面。开始之前，在Graphical Representations 窗口中用 Delete Rep 来删除刚才创建的两个等势线图层。1.在 Graphical Re
17、presentations 窗口 (从 VMD 主窗口中选择Graphics Representations.) 中使用 Create Rep 按钮创建新的图层。2.在Draw style 标签下改变绘图方式至Surf2，着色方式改至Volume 。3.在Trajectory 标签下改变 Color Scale Data Range:至-10 to 10（或其它偏好的值）。4.基于你所使用的VMD 版本和个人偏好，你可能想改变图像的颜色标度。在 VMD主窗口中选择Graphics Colors. ，然后在弹出的颜色控制窗口中选择Color Scale 标签。传统的静电着色设置是RWB（在 Me
18、thod 菜单中）。现在，你的分子看起来应该如下图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 38 页 - - - - - - - - - Figure 3.2. Arc repressor surface potential in VMD3.2. PyMOL PyMOL分子可视化软件包提供了运行APBS计算和对得到的静电势能结果进行可视化处理的支持。我们将对怎样在PyMOL 中利用 APBS由 PDB文件得到结构和势能图作基本描述。注意本教程基于PyMOLX1
19、1Hybrid 0.99 。3.2.1. 生成 PQR文件我们将以 fasciculin-2 （PDB ID 1FAS )为例，它是一种能结合到带负电的乙酰胆碱酯酶上的蛇神经毒素。请参见Section 2.3, “由 PDB文件生成 PQR文件（ PDB2PQR ）来生成 PQR文件。在 PyMOL 中载入生成的PQR文件 (File Open.) ，选择你喜欢的显示方式。3.2.2.进行静电计算名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 38 页 - - - - -
20、 - - - - 点击 Plugin APBS Tools. 打开 APBS计算插件。1.在 APBS Tools 窗口“ Main ”标签下，选择 Use another PQR ，然后搜索所需PQR文件 (通过 Choose Externally Generated PQR: 按钮 )或直接输入PQR文件的路径。这一步是必须的，它保证了你使用的是PDB2PQR 所赋予的半径和电荷。2.在 APBS Tools 窗口 APBS Location标签下，搜索至APBS程序 (通过 APBS binary location: : 按钮 ) 或直接输入其路径。对大多数生物分子来说APBS psiz
21、e.py binary 项不需设置。3.在 APBS Tools 窗口 Temporary File Locations 标签下，设置在计算过程中生成的各种文件的路径。如果你想保留生成的文件以待后用，这一步是十分必要的。4.在 APBS Tools 窗口 Configuration 标签下， , 单击 Set grid 来进行空间格点设置。默认设置对除高度荷电的分子外一般都是适用的。5.在 APBS Tools 窗口 Configuration 标签下，设置其余的参数，默认值通常是可行的。6.在 APBS Tools 窗口 Configuration 标签下，单击Run APBS 按钮开启AP
22、BS计算。根据计算机运算速度，计算可能需要几分钟时间。计算结束后Run APBS按钮会灰化。3.2.3. 静电势能可视化在进行下面的操作之前，你需要将静电势能数据载入PyMOL 。在 APBS Tools 窗口Visualization 标签下，点击Update 按钮。3.2.3.1. 静电势能等势线PyMOL可轻松进行此操作:调整正电和负电“等势”场至所需值(通常是+/-1, +/-5, or +/-10 kT/e4) ，单击 Positive Isosurface 、Negative Isosurface 和 Show 按钮。这时，你将得到如下所示图形：Figure 3.3. +/- 1
23、kT/e electrostatic potential isocontours of FAS2 in PyMOL名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 38 页 - - - - - - - - - 3.2.3.2. 表面势能如果没准备好，你可以通过点击Positive Isosurface 、Negative Isosurface 和 Hide 按钮来隐藏等势线。表面势能也可直接看到。设置Low 和High 至所需值 (通常是+/-1, +/-5, or +/-
24、10 kT/e) ，表面被设着色以红色（-）或蓝色（+） 。检查 Solvent accessible surface 和 Color by potential on sol. acc. surf. 按钮来在溶剂可及(probe-inflated or Lee-Richards) 表面上绘制势能图5。单击 Molecular Surface 显示按钮载入表面势能。Figure 3.4. +/- 5 kT/e electrostatic surface potential of FAS2 in PyMOL名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
25、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 38 页 - - - - - - - - - 3.3. PMV 警告正在创建目前一些PQR结构和力场结合时表面被破坏。1应用PARSE 对可视化似乎是最好的选择。2 FYI, 这会生成分子或Connolly 表面，而不是溶剂可及表面或Lee-Richards 表面。我个人喜欢这种可视化方式. 3虽然我喜欢为 +1 和 -1 ion species 选 0.150 浓度值，但静电性质并没有被过度夸大。4 注意 PyMOL 在 contour 值上有一个小的单位错误。5在我看来，溶剂可及表面更能揭示表面势能的整体特征。
26、更密实的表面(比如， van der Waals 和分子或 Connolly 表面 ) 似乎是简单地将电子表面电荷map 到分子表面。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 38 页 - - - - - - - - - Chapter 4. 怎样计算溶剂化能? 目录4.1. 极性溶剂化4.2. 非极性溶剂化溶剂化能通常被分解成自由能循环，如图Figure 4.1, 全溶剂化能循环。 注意此类溶剂化能通常作用于固定构象；由此，它们应确切地被称为“平均力的势能” 。
27、在下面的章节中会详细介绍怎样将APBS计算应用于这样的循环中的极性和非极性部分。Figure 4.1. 全溶剂化能循环。 这个循环将许多过程组合在一起得到溶剂化能(步骤1)。 步骤2 表示溶剂中溶质的充电过程(例如，非均匀介质，有离子存在)。步骤3 表示引入相吸引溶质-溶剂的扩散作用(例如，在溶剂可及空间的Weeks-Chandler-Andersen 作用积分 )。步骤4 表示引入相排斥的溶质-溶剂相互作用(例如，孔道形成)。步骤5 和 6 基本是无用的，虽然它们可以用来补偿在步骤3 和步骤 4 中加入的不想要的能量。最后，步骤6 表示在无可移动离子真空或均一介质环境中溶质的充电过程。4.1
28、. 极性溶剂化图 Figure 4.1, “全溶剂化能循环” 中的全自由能循环通常被分解成极性部分和非极性部分。极性部分通常以步骤2 和步骤 6 中的充电能表示：APBS静电计算返回的能量是充电自由能。因此，要得到极性部分对溶剂化自由能的贡献，我们仅需启动与图Figure 4.1, “全溶剂化能循环” 中步骤 2 和步骤 6 相对应的两项计算即可。然而， APBS返回的充电自由能包括自身相互作用部分。即自身电荷分布相互作用产生的能量。这些自身作用能通常很大，且对离散化(格点分布，位置等)中出现的问题特别敏感。因名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
29、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 38 页 - - - - - - - - - 此，一定要在格点分布，长度， 和中心相同的设置下进行这两项计算，以保证能精确地抵消自身作用能项。玻恩离子是极性溶剂化的一个典型例子：非极性的球中间有一个电荷，电荷周围是水介质。在不存在外部离子的情况下，该体系的极性溶剂化能由以下方程给出：玻恩离子的极性溶剂化能 ” 。Equation 4.1. 玻恩离子的极性溶剂化能。q 是离子电荷，a 是离子半径，两个epsilons 表示内部和外部 (溶剂 )介电常数。这个模型假定离子强度是0。为使用 APBS ，我们可以
30、为玻恩离子设置一个PQR文件。见Example 4.1,玻恩离子“PQR ”，可从 这里 下载。Example 4.1. 玻恩离子PQRREMARK This is an ion with a 3 A radius and a +1 e charge ATOM 1 I ION 1 0.000 0.000 0.000 1.00 3.00 我们关注在均一和非均一介电系数下进行两项APBS充电自由能计算。我们假定内部介电常数是 1 (例如，真空 ) ，外部介电常数是78.54 (例如，水 )。这样设置后，极性溶剂化能的表达式具有以下形式：R表示半径，以埃为单位。Example 4.2, “玻恩例子输
31、入文件示例”是进行计算所需的一个可行 APBS输入文件。可从这里 下载。Example 4.2. 波恩输入文件示例# READ IN MOLECULES read mol pqr born.pqr end elec name solv # Electrostatics calculation on the solvated state mg-manual # Specify the mode for APBS to run 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共
32、 38 页 - - - - - - - - - dime 97 97 97 # The grid dimensions nlev 4 # Multigrid level parameter grid 0.33 0.33 0.33 # Grid spacing gcent mol 1 # Center the grid on molecule 1 mol 1 # Perform the calculation on molecule 1 lpbe # Solve the linearized Poisson-Boltzmann equation bcfl mdh # Use all multip
33、ole moments when calculating the potential pdie 1.0 # Solute dielectric sdie 78.54 # Solvent dielectric chgm spl2 # Spline-based discretization of the delta functions srfm mol # Molecular surface definition srad 1.4 # Solvent probe radius (for molecular surface) swin 0.3 # Solvent surface spline win
34、dow (not used here) sdens 10.0 # Sphere density for accessibility object temp 298.15 # Temperature calcenergy total # Calculate energies calcforce no # Do not calculate forces end elec name ref # Calculate potential for reference (vacuum) state mg-manual dime 97 97 97 nlev 4 grid 0.33 0.33 0.33 gcen
35、t mol 1 mol 1 lpbe bcfl mdh pdie 1.0 sdie 1.0 chgm spl2 srfm mol srad 1.4 swin 0.3 sdens 10.0 temp 298.15 calcenergy total calcforce no end # Calculate solvation energy print energy solv - ref end quit 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 38 页 - - -
36、- - - - - - 用最新版本的APBS运行这个例子给出的结果是-229.59 kJ/mol ，这与由上面的分析方程给出的结果 -230.62 kJ/mol 是非常一致的。注意上面玻恩离子的离子可以轻松地推广到其它的极性溶剂化能计算。 比如，For example, 可以将离子加到solv ELEC 区， 可以修改介电常数，可以改变表面定义(在 ELEC 区均可 !)，或者可试着应用于更加复杂的分子。APBS里的许多例子 (比如，solv 和 ionize)也运用了溶剂化能计算。注意注意，随着分子变的更大，考察得到的溶剂化能值对格点空间分布和尺寸的敏感程度是很重要的。4.2.非极性溶剂化在
37、图 Figure 4.1, “全溶剂化能循环” 的全自由能循环中,非极性溶剂化自由能通常以步骤3 到步骤 5 的能量变化表示：步骤 4 表示在溶剂中构建一个孔穴的能量，步骤3-5 是与溶质、溶剂之间扩散作用相关的能量。有许多选择可以用来模建非极性溶剂化过程。APBS实现了一个相对通用的模型，此模型是由 Wagoner and Baker (PNAS 2006) 提出的，可供参考。the APBS user guide 详细说明了此模型的实现和调用。我们关于孔穴构建项（步骤4）的基本模型是受定标离子理论的启发，它具有下面形式：p 是溶剂压强(APBS中的 press 关键词 )， V 是溶质的溶
38、剂可及体积， 是溶剂表面张力(APBS中的 gamma 关键词 )， A 是溶质的溶剂可及表面面积。我们关于扩散项的（步骤3 和步骤 5）基本模型遵循了Levy, Zhang, and Gallicchio (J Comput Chem, 2002)提出的 Weeks-Chandler-Anderson 框架：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 38 页 - - - - - - - - - 是溶剂密度(APBS中的 bconc 关键词 )， 是问题域，u(a
39、tt)(y) 表示在 y 点溶质、溶剂相吸引的扩散作用，其中的Lennard-Jones 扩散参数是由APBS参数文件定义的，(y) 描述 y点的溶剂可及程度。注意Press，gamma, 和 bconc 值可单独调整意味着上面提到的通用非极性溶剂化模型可轻松应用于其它常见的非极性溶剂化模型。比如，将press 和 bconc 设为 0 将会产生一个典型的溶剂可及表面面积模型。与玻恩离子不同，没有简单的例子来展示这些类型的非极性计算。APBS 包括许多用上面的非极性模型进行计算的例子。感兴趣的读者可考察APBS提供的非极性烷烃的例子。Chapter 5.怎样计算结合能? 目录5.1 溶剂化能对
40、结合的贡献.2 包括库仑力贡献5.3 不行 !配体没有设置参数5.4 一个配体结合的例子一般地， 隐式溶剂模型被用来计算溶剂化对结合自由能的贡献。其余的对结合自由能的贡献（分子力能，熵变等）必须单独计算，本教程并未对其进行讨论。唯一例外的是本教程包括了分子间库仑作用；下面 我们将讨论这些能量在APBS中怎样计算。我们计算溶剂化对结合自由能贡献的框架如图Figure 5.1, “ 结合自由能循环” 。Figure 5.1. 结合自由能循环展示了从均一介质环境(相互作用由库仑定律描述) 到非均一介质环境的结合自由能，其中非均一介质环境具有不同的内部（绿色）和外部（青色）介电常数。结合（解离）自由能
41、由步骤3 描述。结合自由能由以下方程给出Equation 5.1, “ 结合自由能方程” 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 38 页 - - - - - - - - - Equation 5.1. 基于 Figure 5.1, “ 结合自由能循环” 的结合自由能方程。以下章节将对怎样计算方程中的各项进行详细说明。5.1. 溶剂化能对结合的贡献如果仅关注计算溶剂化对结合的贡献(图 Figure 5.1, “ 结合自由能循环” 中第 4步和第 2步)，我们只
42、需按照Chapter 4, 怎样计算溶剂化能? 的说明计算复合和分离的组分。那么，溶剂化能对结合的贡献由以下方程给出：Equation 5.2, “溶剂化对结合自由能的贡献。Equation 5.2. 在由“ mol 1”和“ mol2”组成的双组分复合物中，溶剂化对结合自由能的贡献。编号参见图Figure 5.1, 结合自由能循环” 。溶剂化的贡献可以分成极性和非极性两部分，正如 Chapter 4,怎样计算溶剂化能?中提到的。5.2. 包含库仑力的贡献为得到完整的结合自由能循环(见 Figure 5.1, “ 结合自由能循环” )，我们需要在溶剂化能变的基础上增加分子间的库仑力贡献以得到静
43、电/溶剂化对结合自由能的全部贡献。特别地，我们对结合过程中库仑静电势能的变化很感兴趣，它由以下方程给出：Equation 5.3, “ 库仑力对结合自由能的贡献” 。Equation 5.3. 在由“ mol 1”和“ mol2”组成的双组分复合物中，库仑力对结合自由能的贡献。编号见Equation 5.1, “ 结合自由能方程”。方程 Equation 5.3, “ 库仑力对结合自由能的贡献”中每个 Gcoul的值是在统一介电常数下分子（或复合物） 中所有原子两两之间库仑作用的总合。为了能将这些库仑贡献与上面提到的溶剂化能相结合，必须保证在计算库仑贡献时使用了一致的介电常数。特别地，库仑作用
44、计算时使用的一致介电常数必须以溶剂化能计算时的状态作为参考态。比如，如果溶剂化能计算的是蛋白质由统一介电常数为in的介质转移到内部介电常数是in、外部介电常数是out的介质，库仑力能必须在介电常数为in.下计算。 APBS 附件tools/manip/coulomb就是用来进行这些单分子库仑力能计算的。 有 PQR文件作为输入文件，tools/manip/coulomb 程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 38 页 - - - - - - - - - 序将
45、在真空电介质（比如，统一介电常数为1）下计算库仑力能。如果参考介电常数是in，那么所有 tools/manip/coulomb返回的能量需要除以in。在使用恰当的介电常数in来计算库仑结合能的情况下，静电/溶剂化总自由能可通过以下方程算得 Equation 5.4, “ 结合自由能” 、 Equation 5.1, “ 结合自由能方程” ， Equation 5.2, “ 溶剂化对结合自由能的贡献” , 和 Equation 5.3, “库仑力对结合自由能的贡献”：Equation 5.4. 结合自由能5.3.不行！配体没有设置参数！PDB2PQR现在已经能为配体设置参数了（1.2.0 版），
46、这要感谢Jens Nielsen小组的协作。详细信息请参见PDB2PQR homepage。5.4. 一个配体结合的例子警告正在创建Chapter 6. 怎样计算溶剂化力? APBS提供对极性和非极性溶剂化过程中力的计算，步骤与Chapter 4, 怎样计算溶剂化能?一样。一般地，力可通过修改溶剂化能计算时使用的输入文件获得，添加calcforce total 可获得溶质分子整体受力而添加calcforce comps 可获得每个原子受力的详细信息。需要注意的是，正如计算溶剂化能，“自身作用”项必须移除(cf. Example 4.2, “玻恩输入文件示例”为例)。Chapter 7. 怎样计
47、算 pKa? 目录7.1. 概况7.2.介绍7.3. 应用于溶菌酶重要信息本教程由 Dave Sept提供， Dave Sept 是一个生物分子模拟实验室的成员之一。注意本教程包括测定生物分子pKa值的Poisson-Boltzmann 方法。其余确定pKa和滴定状态的方法在 PDB2PQRexamples 中给出。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 38 页 - - - - - - - - - 7.1. 概况为什么计算pKa? 虽然用来展示连续静电概念不是
48、pKa计算的常规应用，但它具有重要的科研和教学价值。从科研的观点来看，pKa值是生物分子（特别是酶）功能的重要决定因素，并且它可以用来评定功能活动和确定活性位点。从教学的角度来看，pKa计算需要所有重要的连续静电学概念，因此可联系到溶剂化和结合能。注意本教程包括测定生物分子pKa值的Poisson-Boltzmann 方法。其余测定 pKa和滴定状态的方法在 PDB2PQRexamples 中给出。如果将用这些方法得到的结果与PDB2PQR结果作比较，将会发现更多乐趣。7.2. 介绍下面是对生物分子pKa和滴定状态相关概念的简洁介绍。更多的信息可参阅大多数的生物化学和生物物理教科书或一些关于p
49、Ka的原始文献 6。回顾可知，酸解离常数Ka描述了酸解离成其组分的过程：采用活度的方式在 “ 理想状态 ” 下7，活度可以被浓度代替你应仍能记得化学平衡常数可由以下方程与自由能联系在一起然而，化学家发现用以10 为基数的对数比用自然对数来衡量pH 更简单，因此，pKa被定义为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 38 页 - - - - - - - - - 7.2.1.氨基酸模型pKa值在许多计算中，基于模型值来赋予氨基酸侧链的pKa值，以此来模拟溶剂中的单
50、氨基酸。许多模型pKa 值在下表中列出：Table 7.1, “ 常见可滴定基团的模型氨基酸pKa值; 数据来自Nielsen et al (见 注脚 ) ”。Table 7.1. Table 7.1, “常见可滴定基团的模型氨基酸pKa 值; 数据来自Nielsen et al (见注脚) 氨基酸模型pKaArginine 13.0 Aspartic acid 4.0 Cysteine 8.7 C-terminus 3.8 Glutamic acid 4.4 Histidine 6.3 Lysine 10.4 N-terminus 8.0 Tyrosine 9.6 在下面的章节中我们将看到，