LeDock金属酶分子对接教程

fireflying

引言：群里有不少朋友是做金属酶催化的，关于金属酶分子对接这方面的介绍比较少，希望本教程起到抛砖引玉的作用，也希望LeDock能帮助到大家。关于金属酶对接方面的任何问题，可以回复本帖提问，我会尽量答复。

软件：图形界面LeDock，Pymol

LeDock目前支持的金属离子包括CA、FE、NA、MG、MN、ZN、K等。在本教程中我们针对血管紧张素I转换酶，利用其与配体小分子的复合物结构（PDBcode：1O86）进行redocking。配体小分子结构式见图1，该配体的可旋转键大于10.

图1. 配体的二维结构图

对接准备步骤：

1.    准备蛋白受体分子。因为我们需要保留活性中心的Zn2+离子，用lepro模块处理蛋白就不太合适了。金属离子一般跟蛋白形成配位作用，特别是跟His的残基，我们需要特别注意His残基五元环上两个N的质子化情况。Lepro考虑了His残基五元环上N的质子化位置，大多数情况下结果是正确的，但金属酶的催化中心往往比较复杂，以后我们会逐步完善lepro模块。另外，Ser、Thr、Tyr的羟基OH的氢通常也需要优化，lepro目前没有对这些氢进行优化。需要说明的是，大部分软件如Autodock的AutoDock Tools也没有对氢进行优化，甚至根本没有考虑His质子化情况。VMD也如此，但是VMD允许用户预先修改PDB文件中氨基酸的名称（HSD vs HSE）来达到正确加氢的目的。同样，VMD加的氢也没有经过优化，OH的指向不一定合理。

长话短说。因为我用的是诺华的内部软件（该软件在不久的将来会开源），大致说一下流程：1）去除所有的水分子、小分子，只保留蛋白和催化中心的Zn2+；2）氨基酸残基在PH 7.0下（去）质子化，特别注意His；3）加氢；4）优化氢（by means of energy minimization with all heavy atoms fixed）。优化的时候，有时需要手动调整OH的指向，然后再优化。5）生成一个受体PDB格式的文件: pro.zn.pdb，用于对接。

2.    准备小分子配体文件。采用诺华的软件给配体小分子加电荷、加氢，然后把小分子绕任意角度旋转一下，去除结合记忆（memory of binding），我们尽量以最严格的方式来考察LeDock，然后保存为Sybyl Mol2文件1o86.mol2。小分子Mol2文件也可以用Marvin来准备，参见链接一。注意小分子的（去）质子化情况。

3.    接下来我们要准备一个对接的参数文件，主要是设置结合口袋。需要注意的是，在生成配体参数文件时，需要对1O86的结构进行预处理，删除配体分子之前的一个小分子以及Zn2+，从而可以用lepro直接产生一个对接参数文件。但是这一操作仅为产生参数文件所用，后续的对接操作的蛋白质结构仍然为pro.zn.pdb。通常的做法请参照飞天的“ledock盒子的确定教程”（链接二）。

4.    运行对接，如图2。请注意lepro是处理蛋白的模块，对接不是每次都需要先lepro然后ledock的。如果蛋白受体文件、小分子、对接参数文件都已经准备好了，可以直接使用ledock模块。

图2.LeDock的图形界面

结果分析：对接参数文件里我们设置产生20个构象，经过clustering之后有18个构象。打分最高的构象与晶体中的结合构象比较见图3。苯环端和NH2端在晶体结构中处于蛋白的water accessible区域，本身可能比较flexible。图4是排名第3的对接构象与晶体构象的比较，这个就很接近了，估计RMSD在0.1 nm以内。图5是所有结合构象跟晶体构象的比较，去除了排名最后的4个构象。图3-5中，晶体结合构象均为绿色，Zn2+是绿色小球。

图3. 最低能量构象与晶体结构的叠合图

图4. 打分排名第三的构象与晶体结构的叠合图

图5. 非冗余构象与晶体结构的叠合图

小结：1）分子对接的结果跟蛋白的预处理相关很大，金属酶对接往往需要保留金属离子。结合部位的His的质子化情况要认真分析，Ser、Thr以及Tyr的OH上的氢指向要优化。2）结合口袋的设置很关键。

注意：LeDock为了方便使用，并不需要预先生成蛋白受体的力场参数文件。LeDock在对接时候根据蛋白受体PDB文件中对原子的描述自动分配力场参数，因此氨基酸、原子的描述要符合CHARMM的定义，譬如ZN2+的原子符号是ZN，LeDock无法将Zn或zn或ZN1识别成锌原子。VMD生成的格式是兼容LeDock的。

另，对接需要保留晶体水分子的情形，处理方式与金属酶对接类似。要注意结晶水分子的氢的指向。另外，注意晶体水分子的Residue Name是HOH，而不是TIP3。这是跟CHARMM定义不符合的地方。以后我们会尽量完善lepro模块，方便大家使用LeDock。目前可以采用VMD来处理蛋白并用NAMD来优化氢，会在适当的时候推出一个教程。

后记：感谢大工-阿里巴巴、湖大-小萌物以及其他群友的建议。感谢大工-阿里巴巴阅读本文。

相关链接

1.    LeDock基础教程，eming，http://bioms.org/thread-1227-1-1.html

2.    ledock盒子的确定教程，eming，http://bioms.org/thread-1226-1-1.html

附件含本教程的PDF文档，以及文中提到的所有文件，以方便大家进行测试。
LeDock金属酶分子对接教程.zip (2.2 MB, 下载次数: 282)

2014-7-27 15:06 上传

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金属酶分子对接教程

不经意间的呐喊

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墨竹晓风

非常棒!

大工-阿里巴巴

必须力顶啊！

川大-灰太狼

支持 赵兄，呵呵！好东西，效果已经不错了。

小萌物

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    很喜欢这一句：“去除结合记忆（memory of binding），我们尽量以最严格的方式来考察LeDock”。
    我自己也用LeDock进行了对接尝试。蛋白质是用LePro处理的，在后面添加了一行Zn的坐标：ATOM   9156  ZN  ZN  A 619      43.821  38.240  46.712，采用相同的mol2，默认参数，盒子根据配体生成的，对接的效果与您对接的基本一致，对接能量值更低一点点，是不是说直接用LePro处理蛋白也可以？另外，为什么“Ser、Thr、Tyr的羟基OH的氢通常也需要优化”？这我也不懂，麻烦斑竹稍稍解释一下，谢谢。
    版主画的图真的很漂亮，模仿了一下，还是没有那么好看，呵呵。
Binding pocket
32.737 48.369
22.774 42.822
36.353 58.218
对接的能量值如下：
REMARK Cluster   1 of Poses:  4 Score: -11.35 kcal/molREMARK Cluster   2 of Poses:  1 Score: -10.92 kcal/mol
REMARK Cluster   3 of Poses:  2 Score: -10.78 kcal/mol
下面是对接结果：

图1.排名第三构象(紫色)与晶体结构(绿色)的叠合图

图2. 排名前十二构象与晶体结构(绿色棒状)的叠合图

图3.排名第三构象与活性空腔氨基酸和Zn2+的作用模式图

    还想问一下版主，同源建模金属酶蛋白，金属离子一般如何加上去？谢谢。

fireflying

小萌物 发表于 2014-7-27 21:03

                               
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    很喜欢这一句：“去除结合记忆（memory of binding），我们尽量以最严格的方式来考察LeDo ...

小萌物，谢谢你的回复。

LePro处理蛋白的时候把水分子、金属离子、辅酶什么的全部删去了，只保留了氨基酸。对接要保留金属离子或结晶水分子或辅酶时，只需要手动的把金属离子或水分子或辅酶坐标添加到蛋白文件里面就可以。之前有点担心用户可能不知道如何处理，看来我是多虑了

蛋白加氢总体来说是比较简单的，因为周围的化学环境决定了氢的位置，譬如C-alpha或C-beta上面的氢因为C的sp3杂化及化学中交叉构象为稳定构象，所以氢的位置是唯一的。但是需要注意两点：1）HIS的五元环上氢到底加在哪个N上面。通常是加在ND上面，有的时候要加在NE上面。譬如，有的时候我们会发现ND作为受体跟骨架NH形成了氢键，这种情况下当H加在ND上面时就跟NH碰撞了。有的时候H加在NE上面，可以跟周围的氨基酸残基形成氢键。2）Ser、Thr的OH氢有三种可能的构象，相差120度。如果OH的氢跟周围形成了氢键，那么就只有一种构象了。同理Tyr的OH有两种构象，差180度。OH的氢要根据周围的化学环境来定。

LePro在加氢的时候考虑了HIS的情况，不过有时候比较复杂，结果未必理想。对Tyr、Ser、Thr的情况则完全没有考虑。LeDock的容错能力比较强，通常情况下即使氢加的不合理影响也不大。不过呢，最好是加合理了。我有点强迫症，加不对就感觉心里不舒服。其实教程中结合口袋位置有些HIS的加氢是不合理的

对接过程是个随机搜索过程，每单次对接的结果不一定完全一样。这是为什么推荐产生20个结合构象的原因。能量的细微差别也可能是源于这个波动。

另外你做的图也挺漂亮的。我通常用蓝色显示氢键，另外周围残基的线可以加粗点。

fireflying

小萌物 发表于 2014-7-27 21:03

                               
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    很喜欢这一句：“去除结合记忆（memory of binding），我们尽量以最严格的方式来考察LeDo ...

忘记回复你最后一个问题了

可以把建好的蛋白跟模板蛋白重叠到一起（一般用C-alpha, pymol中的命令是align a, b: a--->b）。然后把模板中的金属离子坐标复制到建好的蛋白里面。接下来可以固定所有其它原子，把这个金属离子的位置优化一下 by energy minimization。

小萌物

fireflying 发表于 2014-7-27 23:37

                               
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忘记回复你最后一个问题了

可以把建好的蛋白跟模板蛋白重叠到一起（一般用C-alpha, pymol中的命令是alig ...

版主，真是太赞了，都一一回答我了，谢谢

puzhongji

然后把模板中的金属离子坐标复制到建好的蛋白里面。接下来可以固定所有其它原子，把这个金属离子的位置优化一下 by energy minimization。

金属离子位置优化如何实现呢？