07 · 分子开始运动以后,我们能多知道什么?

分子动力学(MD)按原子间受力计算运动,并把坐标保存成轨迹。本节换用第五节的 3POZ/03P(EGFR 与 TAK-285),运行一段短模拟,再与原教程轨迹分别分析。它不承接第六节的 3W32 候选,也不以短轨迹证明结合稳定性。

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请从 RCSB PDB 获取 EGFR 的 3POZ/03P 复合物,自行准备体系并运行一次 CPU 可完成的短分子动力学,分析蛋白、配体和口袋接触随时间的变化。比较新轨迹与公开可用的参考轨迹(如有),用组图说明哪些观察支持下一步计算,以及还需要哪些数据。

结果出来后,可以追问:

请把新模拟和原教程轨迹里接触占有率最高的几个口袋残基分别列出来,并注明各自的时间窗口。

读懂结果

1. 这次模拟的是哪个体系?

体系组成、模拟协议与来源

图 1|模拟对象和参数来源:晶体可见 293 个蛋白残基,模拟体系包含 317 个,两者不能都视为实验直接观察。

这张图看什么: 这张图列出模拟对象和参数来源。

看到什么: 复用原教程准备坐标,核对配体身份、重算 AM1-BCC 电荷并构建参数。体系有 58,047 个原子:317 个蛋白残基、一个 03P 配体、水和离子。本次采用 Amber14 蛋白力场、TIP3P-FB 水、GAFF 2.2.20 配体参数,NVT 恒温定容、300 K、2 fs 步长,并约束含氢共价键。

补充说明 晶体可见蛋白残基为 293 个,补全部分不属于直接实验观测。原教程的参数记录不完整,不能确认两份轨迹的模拟条件完全相同。

2. 运行状态正常吗?

实际运行中的温度与能量诊断

图 2|温度和能量随时间的诊断曲线:帮助发现明显的数值问题;温度合适、能量有限,不能证明药物有效或采样充分。

这张图看什么: 温度和能量随时间的诊断曲线,用来帮助发现明显的数值问题。

看到什么: 最小化后,进行 5 ps 带位置约束平衡、3 ps 无约束平衡,随后正式采样。CPU 总用时约 33.6 分钟,新轨迹记录如下:

要核对的内容 本轮实际记录
正式采样 9,000 步 × 2 fs = 18 ps
保存间隔与帧数 每 250 步,即 0.5 ps;共 36 帧
生产阶段的保存时间 0.5–18 ps,前面的 8 ps 平衡另计
温度 平均 299.93 K,保存帧范围 297.03–302.22 K

另一份原教程 trajectory.xtc 有 100 帧、10–1,000 ps、每 10 ps 一帧。

补充说明 温度与能量未显示明显数值异常,仍不能证明充分平衡或收敛。原教程轨迹是已有输入,不能算成本次新生成的 1 ns 模拟。

3. 怎么区分整体位移和局部变化?

蛋白的RMSD、回转半径与残基波动

图 3|RMSD 分别以各轨迹首帧为参考,RMSF 围绕各自对齐窗口的均值,Rg 表示绝对尺寸;新旧时间轴不同。图中距离使用 nm,1 nm = 10 Å。

这张图看什么: 用残基 810–1010 的 201 个 Cα 去除蛋白整体平移和旋转;RMSD 衡量相对参考结构的偏差,RMSF 看各残基的波动,Rg 看整体紧凑程度。

看到什么: 对齐区域的平均 RMSD 为新轨迹 0.064 nm、原教程 0.111 nm;平均 Rg 都约 2.03 nm。

补充说明 两条轨迹各自以首帧为参考,时间窗口与参数不同,不能据此判断哪一条结合更稳定。

4. 配体移位了,还是自身变形了?

配体在口袋中的位移与内部形变

图 4|分别回答“配体在受体坐标系中变了多少”和“配体自身形状变了多少”。

这张图看什么: 在蛋白坐标系里量配体,包含位置与形状变化;把配体单独拟合到自身参考,则主要反映内部形变。

看到什么: 新轨迹平均重原子 RMSD 分别为 0.085 nm、0.060 nm,重原子几何中心(坐标的算术平均)相对首帧最大位移 0.077 nm。

补充说明 这些只描述 36 帧里的有限运动,不能给出停留时间或解离速率。

5. 运动落到了哪些具体残基上?

口袋残基接触和氢键几何候选

图 5|先看哪些残基靠近配体,再看有方向要求的氢键几何候选。通用 N/O 候选规则没有完成全面的化学受体分型;占有率只属于对应的采样窗口。

这张图看什么: 先看哪些残基靠近配体,再看有方向要求的氢键几何候选。残基与配体重原子距离 < 0.45 nm 记为普通接触;氢键几何候选另要求 H···A < 0.25 nm、D–H···A > 120°。

看到什么: Met793 主链 N–H 与配体 N4 满足氢键几何条件的比例:新轨迹 27/36(75%),原教程 95/100(95%)。

补充说明 普通距离接触不等于氢键,通用 N/O 规则也未完成全面化学分型。相邻帧相关、时间窗口和参数不同,不能把这两个比例当成长时间结合概率或方法准确度。

6. 这段短轨迹到底能支持什么?

采样时长与短轨迹的解释边界

图 6|分段均值可以展示漂移;两个窗口的时长与分布有助于理解采样差异。它们不构成收敛或置信区间的证明,各自相对首帧的 RMSD 分布也不是共同构象空间的占有概率。

这张图看什么: 分段均值展示的漂移,以及两个窗口的时长与分布。

看到什么: 本次练习完成了参数准备、实际运行与轨迹解释,支持描述有限窗口内的运动和接触。

补充说明 平稳曲线不等于充分采样;相对各自首帧的 RMSD 分布也不是共同构象空间的占有概率。要研究慢构象变化、稳定性或结合自由能,需要更充分的采样、独立重复及相应方法,不能由这段短模拟推出药物有效。

下一步

下一节从一个复合物走向多个靶点,比较不同激酶的序列、口袋、相互作用和配体活性。继续第八节:两个激酶相似,究竟是哪一方面相似?。去之前可以先发一句追问,把本节结果收拢:

把新模拟与原教程轨迹的体系规模、参数、时长和 Met793 氢键比例整理成一页对照,说明这段短模拟能支持什么、不能支持什么?

下载本节完整结果包,解压后先打开 readable-report.html。

想检查什么 打开哪个文件
本节各项结果与结论怎样串起来 readable-report.html
原教程对照轨迹(100 帧、10–1,000 ps、每 10 ps 一帧) 原教程 trajectory.xtc

原始教学内容:T019 · MD simulation、T020 · MD analysis。沿用 Volkamer Lab 及贡献者的公开数据与教学问题,计算设置见结果包。

结构记录与论文:RCSB 结构记录、2011 年研究论文。

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