[论文解读] The Folding Thermodynamics and Kinetics of Crambin Using an All-Atom Monte Carlo Simulation

Jun Shimada, Edo Kussell+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2000

Protein Structure and Dynamics参考文献 45被引用 9

一句话总结

本研究采用基于Gö势的全原子蒙特卡洛模拟，对46个氨基酸残基的伴淀粉蛋白（crambin）的折叠热力学与动力学进行了建模，显式包含了所有主链和侧链二面角。该方法在台式计算机上以合理时间实现了接近天然构象的折叠（主链dRMS误差小于1 Å），揭示了具有多重路径的协同性、类似一级相变的折叠转变，以及一条可避免动力学陷阱的快速折叠途径。

ABSTRACT

We present a novel Monte Carlo simulation of protein folding, in which all heavy atoms are represented as interacting hard spheres. This model includes all degrees of freedom relevant to folding - all sidechain and backbone torsions - and uses a Go potential. In this study, we focus on the 46 residue alpha-beta protein crambin and two of its structural components, the helix and helix hairpin. For a wide range of temperatures, we have recorded multiple folding events of these three structures from random coils to native conformations that differ by less than 1 A dRMS from their crystal structure coordinates. The thermodynamics and kinetic mechanism of the helix-coil transition obtained from our simulation shows excellent agreement with currently available experimental and molecular dynamics data. Based on insights obtained from folding its smaller structural components, a possible folding mechanism for crambin is proposed. We observe that the folding occurs via a cooperative, first order-like process, and that many folding pathways to the native state exist. One particular sequence of events constitutes a ``fast-folding'' pathway where kinetic traps are avoided. At very low temperatures, a kinetic trap arising from the incorrect packing of sidechains was observed. These results demonstrate that folding to the native state can be observed in a reasonable amount of time on desktop computers even when an all-atom representation is used, provided the energetics sufficiently stabilize the native state.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的全原子蒙特卡洛方法，以捕捉蛋白质折叠的完整构象动力学，同时保持原子分辨率。
• 利用物理基础坚实的势函数，研究伴淀粉蛋白折叠的热力学与动力学，包括其α-螺旋与螺旋-发夹结构单元。
• 确定全原子模拟中采用简化能量项是否能再现实验观测到的两态折叠行为，同时避免过高的计算成本。
• 探讨侧链堆积与二面角动力学在折叠机制中的作用，特别是动力学陷阱的形成机制。

提出的方法

• 所有重原子被建模为不可穿透的硬球，其相互作用基于天然接触的间距依赖性正方形阱势（Gö势）。
• 模拟包含完整的主链（φ/ψ）和侧链（χ）二面角自由度，移动通过Metropolis准则采样。
• 主链移动在6个残基窗口内旋转最多三个非脯氨酸残基的φ/ψ角，而侧链移动则随机选择一个残基并旋转其所有χ角。
• 旋转步长从正态分布中抽取（主链：均值0°，标准差2°；侧链：均值0°，标准差10°）。
• 势函数采用缩放因子λ=1.8和α=0.75来定义硬核距离与接触距离，确保无空间位阻，并充分稳定天然态。
• 通过来自不相关状态的直方图重加权计算自由能剖面，熵通过统计力学方法从态密度推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Gö势的全原子蒙特卡洛模拟是否能在标准硬件上以可行计算时间实现向天然构象的折叠？
• RQ2 伴淀粉蛋白折叠的热力学与动力学行为如何？其是否表现出与实验一致的两态行为？
• RQ3 侧链堆积与二面角动力学如何影响折叠机制，特别是动力学陷阱的形成？
• RQ4 如α-螺旋与螺旋-发夹等结构元件在伴淀粉蛋白整体折叠路径中起何作用？

主要发现

• 在还原单位温度1.4至1.8范围内，多个独立运行的模拟均成功将伴淀粉蛋白折叠至晶体结构的1 Å以内（主链dRMS误差）。
• 在温度1.4至1.8范围内，160次折叠模拟中84%在10^8次蒙特卡洛步内完成，表明折叠产率高。
• α-螺旋-线团转变表现出两态、协同行为，未观察到中间体积累，与单结构域蛋白的实验数据一致。
• 识别出一条明确的“快速折叠”路径，其中避开了动力学陷阱，表明其为通往天然态的主导路径。
• 在极低温度下，由于侧链堆积错误导致出现动力学陷阱，凸显了侧链构象采样在折叠中的重要性。
• 该方法仅使用台式计算机即可收集统计显著的折叠轨迹集合，证明了简化能量项的全原子模拟在可行性上的优势。