[发明专利]一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法

说明书

本发明请求保护一种分子动力学视紫红质蛋白光循环模拟研究方法，以单聚体进行模拟研究，属于神经科学领域和分子动力学领域。具体步骤如下：(1)使用高斯软件对发色团C12‑C13＝C14‑C15二面角进行扭转并进行角度调整；(2)将单聚体蛋白在CHARMM‑GUI软件嵌入细胞膜环境嵌入，对发色团小分子进行单独的力场设置(3)使用NAMD软件进行平衡态分子动力学模拟(4)对分子动力学轨迹进行分析，通过AMBER的cpptraj模块和VMD的tcl文件进行对应的分析。(5)使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能。该发明方法利用分子动力学研究视紫红质在光循环过程中的结构变化进一步实现光循环的仿真，对视紫红质在神经科学领域中的临床应用，脑功能研究以及工程学材料设计有着重要作用。

技术领域

本发明属于神经科学，分子动力学领域，具体涉及一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟系统。

背景技术

使用光敏蛋白来观察和控制细胞活动被认为是近年来最具突破性的神经科学领域创新之一，这种方法逐渐取代传统的神经功能研究方法。2006年，Karl Deisseroth首次提出光遗传学一词，光遗传学是遗传学和光学的结合，可在活体组织或者具有行为能力的动物特定细胞中激发或者抑制特定事件。在隔离特定神经元群体的神经回路时，神经元的可逆沉默对其动力学和行为学具有重要的作用。光诱导的功能是由光感受蛋白控制的，其中包含一个嵌入的能感受光的发色团分子。蛋白质环境促进了发色团的快速和高效的光反应，改变的发色团-蛋白质相互作用产生蛋白质结构的变化。蛋白质结构变化的细节必须在原子水平上分析，由于光循环过程时间在皮秒到秒的范围内即可完成，因此，光循环中间体无法获得晶体结构。由于目前还缺乏野生型光门控离子通道及其突变体的完全开放状态和中间体结构晶体，分析蛋白质原子细节的结构变化是生物物理学和物理化学的一个挑战。

目前研究光敏蛋白的结构信息研究方法主要包括核磁共振技术，电子显微镜技术，振动光谱(如拉曼光谱和红外光谱)技术，傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及分子动力学技术。通过X光衍射获得的晶体结构只能表征了蛋白质的瞬时构象，这种构象往往不是活性状态构象。分子动力学模拟能够构建近乎生理状态的蛋白质溶剂化模型，可以研究计算机建立的动态实验数据与静态分子构象之间的关系，并提供实验无法检测的动态结构象变化数据。分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation,MD),是针对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程,并由此获得系统的构象和性质，其中任意一个原子核被视为在系统中其它原子核和电子所提供的势场作用下按牛顿定律运动。它通过计算机计算辅助的方式，将微观系统与宏观系统的性质联系起来。光吸收引发的光循环反应导致了视蛋白膜上的质子运输。视紫红质中的发色团小分子的C12-C13＝C14-C15二面角及其质子化状态对视蛋白的光循环中间体结构尤为重要。因此，改善发色团小分子模拟体系对研究视蛋白的分子机制有着重要的作用。

目前使用分子动力学研究视蛋白结构的方法中，发色团小分子不同中间体质子化状态不同以及C12-C13＝C14-C15二面角模型需要得到改善。经典分子动力学无法准确得到离子通道的构象，常规分子动力学模拟与现实生物过程时间尺度有巨大差异，导致采样不充分。通过拉伸分子动力学以及伞形取样的方式计算自由能能够更加准确的计算自由能变化，更加准确的分析出离子通道的结构机制。通过改善发色团小分子的力场环境以及结合拉伸分子动力学计算自由能的方法能够更加准确的得到门控通道蛋白的结构特征，了解视蛋白结构特征以及进一步改进视蛋白结构特征有利于应用于基础研究应用和临床应用中，对视网膜病变引起的视力衰退或丧失，心脏传导系统疾病以及神经系统疾病的类似基因治疗创造了可能性。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法。本发明的技术方案如下：

一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其包括以下步骤：

步骤一、使用高斯软件对单聚体PDB文件发色团小分子C12-C13＝C14-C15二面角进行扭转并进行角度调整；