Polarisiertes Kraftfeld für Peptide und Proteine basierend auf dem klassischen Drude-Oszillator

Präsentiert wird ein polarisierbares Kraftfeld, das auf einem klassischen Drude-Oszillator-Rahmen basiert und derzeit in den Programmen CHARMM und NAMD für die Modellierung und molekulare Dynamik (MD)-Simulationsstudien von Peptiden und Proteinen implementiert ist. Auf der Grundlage von Parametern für Modellverbindungen, die die funktionellen Gruppen in Proteinen repräsentieren, konzentrierte sich die Entwicklung des Kraftfeldes auf die Optimierung der Parameter für das Polypeptid-Rückgrat und die Konnektivität zwischen Rückgrat und Seitenketten. Die Optimierung der elektrostatistischen Parameter des Rückgrats zielte auf quantenmechanische konformationale Energien, Wechselwirkungen mit Wasser, molekulare Dipolmomente und Polarisierbarkeiten sowie experimentelle Daten aus der kondensierten Phase für kurze Polypeptide wie (Ala)5 ab. Eine zusätzliche Optimierung der konformationalen Präferenzen ϕ, ψ des Rückgrats beinhaltete Anpassungen der tabulierten zweidimensionalen Splinfunktion durch den CMAP-Term. Die Validierung des Modells umfasste Simulationen einer Sammlung von Peptiden und Proteinen. Dieses erste Generation polarisierbare Modell zeigt, dass es den gefalteten Zustand der untersuchten Systeme auf der Zeitachse von 100 ns in expliziten Lösungsmittel-MD-Simulationen aufrechterhält. Das Drude-Modell liefert typischerweise größere RMS-Differenzen im Vergleich zum additiven CHARMM36-Kraftfeld (C36) und zeigt zusätzliche Flexibilität im Vergleich zum additiven Modell. Der Vergleich mit NMR-Chemverschiebungsdaten zeigt eine geringe Verschlechterung des polarisierbaren Modells im Vergleich zum additiven, obwohl der Grad der Übereinstimmung als zufriedenstellend betrachtet werden kann. Das polarisierbare Modell zeigt jedoch eine Verbesserung für die Reste mit signifikant unterschätzten S2-Ordnungsparametern im additiven Modell. Die Analyse der Dipolmomente, die mit dem Peptidrückgrat und Tryptophan-Seitenketten verbunden sind, zeigt, dass das Drude-Modell erheblich größere Werte aufweist als die in C36 vorhandenen, wobei die Dipolmomente des Peptidrückgrats in Schichten im Vergleich zu Spiralen stärker erhöht sind und die Dipole einzelner Fragmente während der MD-Simulationen große Variationen aufweisen. Obwohl es noch einige Einschränkungen gibt, wird erwartet, dass das präsentierte Modell, das als Drude-2013 bezeichnet wird, ein molekulares Bild der Peptid- und Proteinstruktur und -funktion liefert, das in physikalischer Hinsicht und interner Konsistenz in einer rechnerisch zugänglichen Weise erhöht wird.