基于Amber的“小分子-蛋白”复合体MMPBSA计算

当进行完小分子和蛋白复合物体系的分子动力学模拟后，为了深入了解分子间的相互作用和结合能，我们需要继续开展分子力学泊松-玻尔兹曼表面积（MMPBSA）分析。MMPBSA是一种广泛应用的计算方法，可以帮助我们评估配体与受体之间的结合自由能。以下将详细介绍如何对小分子和蛋白复合物进行MMPBSA计算，包括具体的操作步骤和所需的参数设置。

分子动力学模拟参考： Amber小分子-蛋白复合体分子动力学模拟

1. 使用tleap生成Amber格式拓扑文件

在开展MMPBSA分析之前，我们需要使用tleap生成MMPBSA计算所需的四个关键文件：rec.prmtop（蛋白质）、lig.prmtop（配体）、complex.prmtop（复合物）complex_ions.prmtop（复合物+溶剂）。

1.1 准备tleap.leaprc_pro 参数文件

tleap.leaprc_pro 参数内容如下：

source leaprc.protein.ff14SB #蛋白ff14SB力场
source leaprc.water.tip3p #水的tip3p力场
source leaprc.gaff2 #小分子的gaff2力场
set default pbradii bondi #设置原子半径
loadamberparams frcmod.ionsjc_tip3p   #溶剂的力场参数文件
loadamberparams 6lu7_f2.acpype/6lu7_f2_AC.frcmod #修改后的小分子力场参数文件
rec = loadpdb 6lu7_rec.pdb #加载蛋白文件
saveamberparm rec rec.prmtop rec.inpcrd  #保存蛋白的amber格式拓扑和坐标文件

lig = loadmol2 6lu7_f2.acpype/6lu7_f2_bcc_gaff2.mol2 #加载小分子文件
saveamberparm lig lig.prmtop lig.inpcrd #保存小分子的amber格式拓扑和坐标文件

complex = combine{rec,lig} #整合为复合体
saveamberparm complex complex.prmtop  complex.inpcrd #保存复合物的amber格式拓扑和坐标文件

addions complex Na+ 0 #电荷平衡
addions complex Cl- 0 #电荷平衡
solvateoct complex TIP3PBOX 10 #形成一个TIP3P水模型的盒子，半径是10埃米
saveamberparm complex complex_ions.prmtop complex_ions.inpcrd #保存复合物与溶剂的amber格式的拓扑和坐标文件

quit

1.2 运行tleap

#  conda activate AmberTools21
tleap -f tleap.leaprc_pro

将生成rec.prmtop、lig.prmtop、complex.prmtop 、complex_ions.prmtop作为MMPBSA的必要输入文件。

2. MMPBSA

2.1 准备mmpbsa.in参数文件

通常我们会根据RMSD的波动情况，选择平衡后的1000-2000帧（frame）进行分析。在本例中，我们选取了最后2000帧（frame），并设置每10帧取样一次作为MMPBSA的分析轨迹。mmpbsa.in内容如下所示：

&general
   startframe=8000, endframe=10000, interval=10,
   keep_files=0, debug_printlevel=2
/
&gb
   igb=2, saltcon=0.1
/
&decomp
   idecomp=1, print_res='1-302;303', csv_format=0,
/

其中，print_res='1-302;303'中，1-302表示蛋白残基的序号，303表示小分子的残基序号。可根据cpptraj中导入resinfo来查看复合体中的残基的序号（不能以最初始的pdb文件中的残基序号为准）。

2.2 提交运行MMPBSA

# nohup ~/software/amber20/bin/MMPBSA.py -O -i mmpbsa.in -o FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat -do FINAL_DECOMP_MMPBSA.dat -sp complex_ions.prmtop  -cp complex.prmtop -rp rec.prmtop -lp lig.prmtop -y complex_ions_md.nc >mmpbsa.log 2>&1 &

MMPBSA.py -O -i mmpbsa.in -o FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat -do FINAL_DECOMP_MMPBSA.dat -sp complex_ions.prmtop  -cp complex.prmtop -rp rec.prmtop -lp lig.prmtop -y complex_ions_md.nc

• 输入文件：
  • complex_ions.prmtop ：小分子-蛋白复合物与溶剂的拓扑文件
  • complex.prmtop ：小分子-蛋白复合物的拓扑文件
  • rec.prmtop ：蛋白受体的拓扑文件
  • lig.prmtop ：小分子配体的拓扑文件
  • complex_ions_md.nc：是成品分子动力学的轨迹文件。
• 输出文件：
  • FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat
  • FINAL_DECOMP_MMPBSA.dat