Thermodynamics of alpha- and beta-structure formation in proteins
一个原子蛋白质模型与最低限度的潜力开发，然后测试的α-螺旋和β-发夹，使用完全相同的参数为两种肽。我们发现，这些序列的熔化曲线，以一个很好的近似可以描述一个简单的两态模型，与实验数据在合理的定量协议的参数。尽管熔化曲线具有明显的两态特征，但发现能量分布缺乏明显的双峰形状，对此进行了详细讨论。我们还进行了基于Monte Carlo的动力学研究，并发现，根据实验数据，α-螺旋的形成速度比β-发夹。
2003-12-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Secondary-Structure Design of Proteins by a Backbone Torsion Energy
我们提出了一个新的骨干扭转能量项的力场蛋白质系统。这个扭转能量项由两个变量的双傅立叶级数表示，即骨架二面角φ和psi。它给出了一个自然的表示在拉玛钱德朗空间中的扭转能量在这个意义上，任何二维能量表面周期在φ和psi可以展开的双重傅里叶级数。然后，我们可以很容易地控制二级结构的形成趋势，通过修改的扭转能表面。例如，我们可以通过降低/升高α-螺旋区域中的扭转能表面来增加/降低α-螺旋形成趋势，并且同样地通过降低/升高拉马钱德朗空间中β-折叠区域中的表面来增加/降低β-折叠形成趋势。我们将我们的方法应用于AMBER parm 94和AMBER parm 96力场，并通过对α-螺旋和β-发夹肽进行折叠模拟，证明了我们对扭转能项的修改导致了二级结构形成趋势的预期变化。
2005-12-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Discrete breathers in protein secondary structure
肽链的刚性在其平衡动力学的作用进行了研究，在一个现实的模型与严格的微观衍生的耦合相互作用势和有效的现场电位。计算了三种主要类型蛋白质二级结构的耦合相互作用，表征了链刚性和有效在位势。耦合相互作用被发现是令人惊讶的弱，但不同的性质：排斥的α-螺旋和反平行β-折叠结构和吸引力的平行β-折叠结构。有效在位势对α螺旋和反平行β折叠是硬势，对平行β折叠是软势。在所有三种类型的蛋白质二级结构中，由于耦合相互作用的减弱，可以存在与扭转（二面角）角振荡相关的稳定的锯齿形离散呼吸器（DB）。然而，由于已知蛋白质对远红外辐射（IR）的吸收需要仅在α-螺旋中发生的相当长的氢键链的存在，因此可以得出结论，以这种方式激发DB在α-螺旋中是可能的，而在β-折叠结构中似乎几乎不可能。对谢等最近的蛋白质远红外激光脉冲光谱实验提出了解释。根据这些实验，在115 cm ^{-1}的范围内获得了α螺旋中DB的频率。
2005-04-28 cond-mat.soft nlin.PS q-bio.BM
Phase Diagram of alpha-Helical and beta-Sheet Forming Peptides
蛋白质形成结构基序如α-螺旋和β-折叠的固有性质导致复杂的相行为，其中蛋白质可以组装成各种类型的聚集体，包括晶体、未折叠或天然折叠的蛋白质的类液相和淀粉样原纤维。在这里，我们使用一个粗粒度的蛋白质模型，使我们能够进行Monte Carlo模拟，以确定天然折叠的α-螺旋和未折叠的β-折叠形成肽的相图。模拟结果表明，存在各种亚稳肽相。类液相相对于纤维相是亚稳的，并且存在亚稳的等级。
2010-06-07 cond-mat.soft q-bio.BM
Folding thermodynamics of three beta-sheet peptides: A model study
我们使用简化的基于序列的全原子模型研究了一个β-发夹和两个三链β-折叠肽的折叠热力学，其中折叠主要由骨架氢键和有效的疏水吸引力驱动。这三个序列获得的本地人口与实验数据吻合良好。我们还表明，明显的本地人口取决于可观察的研究，疏水性能量和本地氢键的数量给出不同的结果。这种依赖性的大小与在两个不同的β-发夹实验中获得的结果很好地匹配。
2003-12-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Folding pathways of a helix-turn-helix model protein
一个小的模型多肽原子的细节表示折叠使用蒙特卡罗动力学。该多肽被设计成具有与螺旋-转角-螺旋蛋白ROP的中心部分相似的天然构象。从蛋白质谷氨酰胺合成酶的β-链构象或两种不同的环构象开始，使用二面角空间中的所谓的窗口移动生成六个轨迹。这一举动改变构象局部，并导致现实的，准连续不断地演变的轨迹。六个轨迹中的四个以稳定的天然样构象结束。它们的折叠途径显示了螺旋-弯曲-螺旋基序的快速初始发展，随后是由Karplus和Weaver的扩散碰撞模型预测的动态行为。的途径的现象是与实验结果一致。
1997-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Amino acid preference against beta sheet through allowing backbone hydration enabled by the presence of cation
已知β折叠中水和肽基团PG之间的氢键HB的肽侧链的空间阻断符合氨基酸固有β折叠偏好。目前的观察结果与量子分子动力学，QMD，模拟与每个水分子溶剂化的β折叠，这将是短暂的性质表明，这种空间阻断是不适用于疏水区，除非阳离子存在，因此，氨基酸β折叠偏好由于这种空间阻断是只在阳离子的存在下是有效的。我们观察到在没有阳离子存在的情况下，聚丙氨酸和聚缬氨酸α螺旋中的主链水合，但阳离子可以增加这些HB的强度。平行β折叠具有比相等小尺寸的反平行β折叠更大的趋势以在溶剂化QMD中保留规则结构，并且使用4链4间PG HB链平行β折叠。通过一个表面是聚缬氨酸来增强稳定性，其支撑用于实验的相对表面。一个单一的Ca2+离子被用于调查的个别结合事件，而不是散装性能。在这些模拟中没有观察到Ca2+和PG氧之间的直接结合，但随着瞬时β折叠的展开，它可能发生在更长的时间尺度上。当对肽共振、共振辅助氢键和水的性质准确的线性缩放QMD方法变得可用时，可以以可接受的计算成本进行具有多种类型的多种离子的更广泛的实验。重要的是，这样的调查进行蛋白质的二级结构，而不是模型酰胺，使侧链限制的骨干水合作用，因此内在的氨基酸倾向被捕获。
2016-10-03 cond-mat.soft physics.chem-ph q-bio.BM
Viscosity Dependence of the Folding Rates of Proteins
四个序列的折叠速率的粘度依赖性（三个序列的天然状态是一个β-折叠，而第四个形成一个α-螺旋）计算的非晶格模型的蛋白质。假定动力学由Langevin方程给出，我们表明，折叠速率在低粘度η时线性增加，在大粘度η时以1/η减小，在中间粘度值时有一个最大值。Kramers势垒穿越理论提供了一个定量的数值结果。通过将模拟结果映射到真实蛋白质，我们估计对于优化的序列，形成四圈α-螺旋拓扑结构的时间尺度约为500纳秒，而形成β-折叠拓扑结构的时间尺度约为10微秒。
1997-05-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Diffraction from the beta-sheet crystallites in spider silk
我们分析了从定向蜘蛛丝纤维的广角X射线散射的定量散射模型，包括结构和统计参数的$β$片的微晶蜘蛛丝在无定形基质。该模型是基于运动学散射理论，并允许相当一般的相关性的位置和取向的自由度，包括微晶的大小，组成和尺寸的单位细胞。该模型进行数值评估，并与实验散射强度，使我们能够提取的几何和统计参数。我们明确表明，实验发现的镶嵌性（宽度的取向分布）的晶粒间的影响是可以忽略不计的，可以分析的数据，在单晶散射方面，通常假设在文献中。
2008-11-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Discrete molecular dynamics simulations of peptide aggregation
我们用离散分子动力学模拟研究了多肽的聚集。在高于单个肽的α-螺旋解链温度的温度下，模型肽聚集成多层平行β-折叠结构。该结构具有0.48 nm的链间距离和1.0 nm的片间距离，这与实验观察一致。在该模型中，氢键相互作用导致β-折叠中的链间间距，而侧链之间的Go相互作用使β-链彼此平行并允许β-折叠堆积成层。聚集体还含有自由边缘，其可以允许模型肽进一步聚集以形成细长的原纤维。
2003-12-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Protein loops, solitons and side-chain visualization with applications to the left-handed helix region
折叠蛋白质具有模块化组装。它们由规则的二级结构如α-螺旋和β-链通过环连接在一起构成。在这里，我们开发了一种可视化技术，适用于描述这种模块化结构。作为对广泛采用的基于环形几何的Ramachandran图的补充，我们的方法利用了两个球体的几何形状。与传统的方法不同，我们的方法只描述了一个给定的肽单元，我们能够描述整个骨架环境，包括相邻的肽单元。它将每个原子的位置映射到双球的表面上，精确地描述了位于中心C-α原子位置的观察者如何看到这些原子。在侧链原子的每个水平，我们观察到原子的定位和潜在的局部二级结构之间的强相关性，不同氨基酸之间的变化非常小。作为一个具体的例子，我们分析了非甘氨酰氨基酸的左手螺旋区。该区域对应于在双球上的C-β碳方向上的孤立的和高度局部化的残基独立扇区。我们表明，残基独立的本地化扩展到C-γ和C-δ碳，侧链的氧和氮原子的情况下，天冬酰胺和天冬氨酸。当我们将分析扩展到相邻残基的侧链原子时，我们观察到左手β-转角显示出规则的且在很大程度上独立于氨基酸的结构，该结构可以扩展到七个连续残基。这种集体模式是由于主干孤子的存在。我们展示了如何使用我们的可视化技术来分析和分类不同的孤子的选择规则，我们详细描述。
2012-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Microscale Flow Dynamics of Ribbons and Sheets
薄板和薄带的流体动力学的数值研究提出了与解决多个长度尺度的困难。为了避免这些困难，渐近方法已被开发来描述细长纤维和带状物的动态。然而，这样的理论需要限制的形状，可以研究，并经常预锻故障的地区，标准的边界元方法仍然是不切实际的。在本文中，我们开发了一个正则化的stokeslet方法的带状和片状，以弥合渐近和边界元方法之间的差距。对板椭球的解析解，以及带状螺旋和实验microswimmer的动力学的方法进行了验证。然后，我们证明了这种方法的通用性，通过计算周围的双螺旋流，和游泳动力学的微尺度“魔毯”。
2016-11-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Folding Proteins with Both Alpha and Beta Structures in a Reduced Model
提出了一个既能折叠螺旋结构又能折叠该模型的目标是找到一个无偏的有效势，该势包含了水的影响，同时可以在合理的时间内预测具有给定序列的蛋白质的三维结构。为了这个目的，而不是专注于真正的折叠动力学或在原子尺度上的完整结构细节，我们采用蒙特卡罗方法和粗粒度的蛋白质表示，其中侧链和骨架被替换为合适的几何对象与已知的结构一致。在粗粒度表示的基础上，我们可以开发有效势。两个新的相互作用，偶极-偶极相互作用和局部疏水相互作用，被引入，并示出是至关重要的氢键形成的二级结构。特别是，第一次，我们证明了所得到的简化模型可以成功地折叠蛋白质的螺旋和片结构，而不使用任何偏见的潜力。进一步的分析表明，该模型也可以折叠其他蛋白质在合理的精度，从而提供了一个有前途的起点的问题，蛋白质折叠。
2006-07-17 cond-mat.soft
Designability of alpha-helical Proteins
典型的蛋白质结构是连接的α-螺旋和/或β-链的紧密堆积。我们已经开发出一种方法，用于生成一组给定的螺旋和链可以形成的紧凑结构的合奏。该方法进行了测试的结构组成的四个α-螺旋连接短转弯。所有这些天然的四螺旋束，在自然界中看到的短转弯连接，复制到更接近于3.6埃每个残基内的合奏。由于没有天然对应物的结构可能是从头计算结构设计的目标，因此使用疏水能量评估系综中每个结构的可设计性-定义为具有该结构作为其最低能量状态的序列的数量。对于四个α-螺旋的情况下，出现了一小组高度可设计的结构，其中大多数在已知的四螺旋折叠家族中具有类似物，但是确定了几种新颖的填充和拓扑结构。
2002-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Universal effects of solvent species on the stabilized structure of a protein
我们研究了溶剂特异性对蛋白质天然结构（NS）稳定性的影响，基于我们的自由能函数（FEF）。我们使用CPB-溴结构域（CBP-BD）和载脂体蓝蛋白（apoPC）作为蛋白质宇宙的代表，水，甲醇，乙醇和环己烷作为溶剂。CBP-BD和apoPC的NS分别由66个$\%$ $α$ -螺旋和35个$\%$ $β$ -折叠和4个$\%$ $α$ -螺旋组成。为了评估浸泡在每种溶剂中的给定蛋白质的结构稳定性，我们将其NS的FEF与一些人工创建的错误折叠的诱饵的FEF进行对比，这些诱饵具有相同的氨基酸序列，但具有显著不同的拓扑结构和$α$ -螺旋和$β$ -折叠内容。我们发现，对于CBP-BD和apoPC，在甲醇，乙醇和环己烷中的能量成分占主导地位，在这些溶剂中最稳定的结构共享相同的特性描述为协会的α-螺旋。在水中，熵分量与能量分量一样强或甚至更强，水的平移构型熵的大增益变得至关重要，使得仔细选择$α$ -螺旋和$β$ -片层的相对含量以及总二级结构的含量以实现侧链的充分紧密堆积。我们的分析，这需要最少的计算工作，可以应用于任何蛋白质浸泡在任何溶剂中，并提供了强大的预测，是非常一致的实验观察蛋白质在不同的溶剂环境中，从而铺平了道路，更详细地了解折叠过程。
2018-07-17 cond-mat.soft q-bio.BM
Nucleation of amyloid fibrils
我们认为淀粉样蛋白原纤维的成核过程是通过几乎完全延伸的蛋白质片段（即β链）直接聚合成β片层的机制发生的。应用经典的成核理论，我们推导出一个一般表达式的工作，以形成一个纳米级的淀粉样蛋白原纤维（原丝）构成的连续分层β-片。这个表达式的分析表明，随着其尺寸的增加，原纤维从一维转化为二维聚集体，以保持对应于最小形成功的平衡形状。我们确定的原纤核的大小，原纤成核功和原纤成核率的蛋白质溶液的浓度和温度的显式函数。所获得的结果是适用于均匀成核时发生的溶液是足够纯和/或强烈过饱和。
2010-06-10 cond-mat.soft q-bio.BM
The Folding Thermodynamics and Kinetics of Crambin Using an All-Atom Monte Carlo Simulation
我们提出了一种新的蒙特卡罗模拟的蛋白质折叠，其中所有的重原子表示为相互作用的硬球。该模型包括与折叠相关的所有自由度-所有侧链和主链扭转-并使用Go势。在这项研究中，我们专注于46个残基的α-β蛋白crambin和它的两个结构组成部分，螺旋和螺旋发夹。对于广泛的温度范围内，我们已经记录了这三种结构的多个折叠事件，从随机卷曲到与其晶体结构坐标相差小于1 A dRMS的原生构象。从我们的模拟中得到的螺旋-线团转变的热力学和动力学机制与目前可用的实验和分子动力学数据显示出极好的一致性。基于对其较小结构部件的折叠，提出了一种可能的折叠机制。我们观察到，折叠发生通过一个合作的，一阶的过程，并存在许多折叠途径的原生状态。一个特定的事件序列构成了一个“快速折叠”途径，在该途径中避免了动力学陷阱。在非常低的温度下，观察到由侧链的不正确包装引起的动力学陷阱。这些结果表明，折叠到本机状态，可以观察到在一个合理的时间量在台式计算机上，即使使用全原子表示，提供的能量足够稳定的本机状态。
2000-11-22 cond-mat.soft q-bio
Low energy pathways for reproducible in vivo protein folding
选择两种蛋白质，一种主要属于α类，另一种属于α/β类，以测试蛋白质折叠的动力学机制。应用靶向分子动力学从两种明确定义的初始构象开始产生这两种蛋白质的折叠途径：完全延伸的构象和α-螺旋构象。结果表明，对于这两种蛋白质的α-螺旋初始构象提供了整体较低的能量途径的天然状态。对于α/β蛋白，30%（40%）的来自初始α-螺旋（完全延伸）结构的途径导致未缠结的天然折叠，通过引入明确的中间结构，成功率可以增加到85%。这些结果为寻找蛋白质折叠问题的解决方案开辟了一个新的方向，详细内容将在最后介绍。
2011-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Destabilization of Alzheimers Amyloid-beta Protofibrils by Bai-calein: Mechanistic Insights from All-atom Molecular Dynamics Simulations
本文通过全原子分子动力学模拟研究天然类黄酮黄芩素（BCL）对Aβ原纤维的去稳定化机制，发现BCL通过竞争疏水接触、破坏盐桥和氢键降低原纤维结构稳定性，表明其可作为治疗阿尔茨海默病的潜在药物。
2024-06-07 cond-mat.soft
Sparks: Multi-Agent Artificial Intelligence Model Discovers Protein Design Principles
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
提出多模态多智能体AI模型Sparks，通过自主执行假设生成、实验设计和迭代优化等完整发现周期，在蛋白质科学中发现了肽力学长度依赖交叉和二级结构稳定性图谱等未知原理。
2025-04-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cs.AI
Interaction between U-shaped amyloid beta fibril and semiconducting silicon nitride monolayer
本研究通过经典与量子分子动力学模拟，发现半导体Si$_3$N$_4$单层能通过强相互作用解构U型淀粉样β纤维，使其β-折叠含量降低并转变为其他二级结构，证实了其破坏纤维稳定性的潜力。
2024-07-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Quanta of Local Conformational Change: Conformons in alpha-helical proteins
我们提出的conformon作为一个量子的构象变化的能量转移在α-螺旋蛋白质。激发量子和构象自由度之间相互作用的基本机制是非线性的，并导致构象能的孤立波包。这种现象是α-螺旋特有的，而不是蛋白质中的β-折叠，因为构成α-螺旋骨架的三条氢键链。
2010-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph quant-ph
Lattice model of protein conformations
我们介绍了一个晶格模型的蛋白质构象，这是能够再现第二结构的蛋白质（α-螺旋和β-片）。这一模式基于以下两个主要思想。首先，我们通过不平行于坐标轴的立方晶格中的边来模拟肽链中氨基酸残基的骨架部分。其次，我们描述了可能的氨基酸残基的接触，使用离散模型的Ramachandran图。该模型允许描述肽链骨架中残基之间的氢键。特别是晶格二级结构具有正确的氢键结构。我们还考虑了氨基酸残基的侧链及其相互作用。提出了一种包含主链氢键和侧链相互作用贡献的晶格蛋白质构象能的表达式。晶格二级结构是引入能量的局部极小值。
2012-07-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
