Persistent homology analysis of ion aggregation and hydrogen-bonding network
尽管实验工具和理论模型的巨大进步，离子聚集体及其相关的水氢键网络的微观结构的定量表征仍然是一个具有挑战性的问题。本文首次引入一种新的数学方法--持久同源法，定量地分析了离子聚集体系和氢键网络的内在拓扑性质。装配系统的持久同源性分析的两个最显著的特性如下。首先，它不需要预定义的键长来构建离子或氢网络。持久的同源性结果仅由数据的形态结构决定。其次，它可以直接测量离子聚集体和氢键网络中的圆或孔的大小。为了验证我们的模型，我们考虑了两个经过充分研究的系统，即，NaCl和KSCN溶液，由分子动力学模拟生成。它们被认为代表两种形态学类型的聚集，即，局域团簇和扩展离子网络。结果表明，这两种聚集类型具有明显的拓扑特征，可以用我们的拓扑模型很好地描述。对于氢键网络，KSCN系统表现出更显着的变化，在其本地的环结构的浓度增加。观察到大尺寸局部圆结构的一致增加，并且这些圆的尺寸变得越来越多样化。相比之下，NaCl体系没有显示出大尺寸圆的明显增加。相反，观察到圆形结构的平均尺寸的一致下降，并且随着浓度的增加，这些圆形的尺寸变得越来越均匀。
2018-02-26 q-bio.BM q-bio.QM
A double-deletion method to quantifying incremental binding energies in proteins from experiment. Example of a destabilizing hydrogen bonding pair
采用理论、实验和模拟相结合的方法，研究了脱辅基黄素氧还蛋白中的一种特殊氢键对蛋白质稳定性的贡献。虽然氢键是蛋白质结构和功能的主要决定因素，但它们对蛋白质稳定性的贡献仍然不清楚，并且存在广泛的争议。迄今为止，估计侧链相互作用对蛋白质稳定性的贡献的最佳方法是双突变循环分析，但由此得出的相互作用能与增量结合能（量化两个相互作用基团对蛋白质稳定性的净贡献的能量）不相同。在这里，我们介绍了双缺失分析孤立的残基对作为一种手段，以精确地量化增量结合。该方法是通过研究模型蛋白质（Asp 96/Asn 128脱辅基黄氧还蛋白）中的表面暴露的氢键来举例说明的。这些残基的丙氨酸组合取代稍微不稳定的蛋白质，由于减少疏水表面掩埋。然而，减去这种效应，清楚地表明氢键基团实际上使天然构象不稳定。此外，分子动力学模拟和经典的双突变循环分析定量地解释了，由于挫折，氢键必须在天然结构中形成，因为当两个基团在折叠时接近时，它们的结合变得有利。我们想指出两个事实：这是第一次从实验中测量到特定氢键对蛋白质稳定性的贡献，并且需要分析更多的氢键，以便得出关于蛋白质氢键能量学的一般性结论。为此，双重删除方法应该有所帮助。
2004-12-09 q-bio.BM q-bio.QM
Molecular glues stabilize water-mediated hydrogen bonds in ternary complexes
本研究通过分子动力学模拟发现，分子胶通过调节蛋白质柔性并改变水介导氢键的模式与稳定性来稳定蛋白质间的瞬时相互作用，强调了水介导氢键在分子胶合理设计中的重要性。
2025-10-18 q-bio.BM
Hydrogen bond models for the simulation of protein folding and aggregation
氢键是蛋白质折叠和聚集的常见特征。由于它们在强度和方向性方面的化学特性，必须特别注意氢键势本身的定义。这一全球目标已通过计算方法的基础上的最低限度的描述的蛋白质和适当的算法设计，主要使用蒙特卡罗和动力学蒙特卡罗方法。我们已经设计了氢键势，参见J. Chem. Phys. 132，235102（2010）。我们已经进行了一个完整的研究，在不同的条件下，如温度和浓度的无序列肽系统。为了进行完整的蛋白质研究，我们需要额外的潜力来描述三级相互作用。我们讨论了两种不同的观点。第一种是氢键势与基于结构的氢键势的结合。我们已经评估了一个适当的定义氢键的热力学和动力学方面的蛋白质折叠的影响。参见Biophys。J. 101，1474-1482（2011）。我们已经采取了第二种策略，结合通用的疏水模型与氢键。折叠和聚合这两个主要因素被合并，然后，创建一个简单但完整的势。由于它，我们重新研究了肽聚集，包括序列。此外，我们模拟了具有不同折叠形状的完整蛋白质。我们已经分析了折叠和聚集之间的竞争，以及序列和氢键如何影响它们之间的相互作用。参见J.Chem.Phys.136，215103（2012）。
2012-08-10 q-bio.BM
Hydrogen bonding to the cysteine ligand of superoxide reductase: acid--base control of the reaction intermediates
超氧化物还原酶SOR是一种非血红素铁金属酶，可对微生物中的超氧自由基进行解毒。它的活性位点由一个不寻常的非血红素Fe 2+中心在一个[His 4 Cys 1]四方锥形五配位，轴向半胱氨酸配体提出了催化的一个重要特征。来自异亮氨酸118和组氨酸119的两个NH肽基团与硫配体（Desulfoarculus baarsii SOR编号）建立H键。为了研究这些氢键的催化作用，从Desulfoarculus baarsii的SOR的异亮氨酸118残基突变为丙氨酸，天冬氨酸或丝氨酸残基。共振拉曼光谱表明，突变特异性地诱导Fe 3 +-S（Cys）和S-C $β$（Cys）键强度的增加以及半胱氨酰侧链构象的变化，这与硫配体上NH氢键的改变有关。用脉冲辐解法研究了异亮氨酸突变对SOR与$O2\bullet$ -反应性的影响。这些研究表明，突变诱导了第一反应中间体pKa的特异性增加，最近提出是一种$Fe2+-O2\bullet-$。这些数据得到支持的DFT计算上进行的三个模型的$Fe2+-O2\bullet-$中间体，一个，两个或没有H-键的硫配体。我们的结果表明，NH（肽）和半胱氨酸配体之间的氢键严格控制了$Fe2+-O2\bullet-$反应中间体的质子化速率，以形成Fe 3 +-OOH物质。
2015-01-07 q-bio.BM
Elastic energy of proteins and the stages of protein folding
我们提出了一个蛋白质的普适弹性能，它只依赖于回转半径$R_{g}$和残基数$N$。它是使用基于疏水效应和氢键的物理参数构建的。可调参数拟合的数据，从计算机模拟的一组蛋白质的折叠使用CSAW（条件自我回避行走）模型。弹性能在不同区域产生$R_{g}\sim N^ν$形式的标度关系。它显示了三个折叠阶段，其特征在于与指数$ν= 3/5, 3/7, 2/5$的进展，我们确定为未折叠阶段，前球，熔融球，分别。前球通过类似于一级相变的行为中断而转变为熔融球，这是由氢键的突然加速引发的。
2010-02-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dynamics of Hydrogen Bonds Coupling on the Specific DNA-Protein Interactions
我们提出了一个动力学模型描述DNA和一个特定的结合蛋白质之间的相互作用，涉及远程传输。动力学依赖于DNA和蛋白质之间以及碱基对之间形成的氢键之间的耦合，因为它们解释了结合的位点特异性。我们采用带有耦合项的Morse势来构造哈密顿量。该模型引起呼吸激发，对应于DNA泡的形成，其作为遗传信息的载体传播。我们研究了各种可能的耦合动力学，并建议在描绘复性或杂交过程的模型的可行性。
2016-03-15 cond-mat.soft nlin.PS q-bio.BM
Weighted persistent homology for osmolyte molecular aggregation and hydrogen-bonding network analysis
长期以来，已经观察到，三甲胺N-氧化物（TMAO）和尿素在蛋白质折叠过程中表现出显著不同的性质。尽管对这两种渗透剂进行了大量的理论和实验研究，但其潜在机制的各个方面仍然很难理解。本文利用加权持续同源性从局部拓扑学的角度系统地研究了渗透剂的分子聚集及其氢键网络。我们考虑两个加权模型，即，局部持续同源性（LPH）和交互持续同源性（IPH）。从局部持续同源模型中，我们发现TMAO和尿素具有非常不同的局部拓扑结构。TMAO显示局部网络结构。随着浓度的增加，网络中的环元素数量明显增加，相对尺寸减小。相比之下，尿素显示两种类型的局部拓扑模式，即，6 μ m左右的局部簇和12 μ m左右的一些全局圆元素。从相互作用的持久同源模型中，已经发现，我们的持久径向分布函数（PRDF）从全球规模的IPH具有相同的物理性质，传统的径向分布函数（RDF）。此外，还可以生成来自局部尺度IPH的PRDF，并将其用于表征局部交互信息。除了在过滤粒度为4 μ m时PRDF的第一个峰值存在明显差异外，TMAO和尿素在过滤粒度为5 μ m ~ 10 μ m的第二个峰值区域也表现出非常不同的行为。
2019-07-14 q-bio.BM q-bio.QM
Random close packing in protein cores
在确定第一个蛋白质的X射线晶体结构后不久，研究人员分析了它们的核心，并报告了填充分数$ϕ\approx 0.75$，这个值类似于紧密填充的等尺寸球体。这些分析的一个局限性是使用了“扩展原子”模型，而不是物理上更准确的“显氢”模型。用显式氢模型预测蛋白质侧链二面角分布的能力证明了它的有效性。我们采用显式氢模型来计算超过$200$的高分辨率蛋白质结构的核心的堆积分数。我们发现这些蛋白质核心具有$ϕ\approx 0.55$，这与非球形颗粒的随机紧密堆积相当。这一结果提供了对蛋白质结构的物理基础的更深入的理解，这将使得能够预测氨基酸突变的影响和设计新的功能蛋白质。
2015-10-14 q-bio.BM
Comparative analysis of rigidity across protein families
利用“卵石游戏”进行的刚性分析已被应用于蛋白质晶体结构，以获得关于蛋白质折叠、组装以及结构-功能关系的信息。然而，以前的工作，使用这种技术还没有明确的氢键约束的设置包括在刚度分析中应如何选择，也不敏感的刚度分析的结果是小的结构变化。我们提出了一个比较研究，其中“卵石游戏”刚性分析应用于多个蛋白质晶体结构，为每个六个同源蛋白质家族。我们发现，在一个给定的氢键能量截止的蛋白质结构的主链刚性是相当敏感的小的结构变化，并得出结论，氢键约束的刚性分析应选择，以形成和测试特定的假设的刚性的特定蛋白质。我们的比较方法突出了两种不同的特征模式（“突然”或“渐进”）的蛋白质刚性损失的限制被删除，在最近的结果与玻璃网络的刚性转变。
2009-06-03 q-bio.BM
Allosteric Communication Pathways and Thermal Rectification in PDZ-2 Protein: A Computational Study
蛋白质中的变构通讯是结构生物化学的一个中心而又尚未解决的问题。来自计算生物学的先前发现（Ota和Agard，2005）已经提出热通过同源蛋白质变构途径在蛋白质中扩散。这项工作研究了众所周知的PDZ-2蛋白质中的热扩散，并证实该蛋白质具有两个同源的变构途径，并且热量优先通过这些途径流动。此外，还观察到蛋白质结构的一个新特性-热量通过结构不对称地扩散。这种不对称热流的基础结构是一个正常长度的氢键（~2.85 π），充当热整流器。相比之下，热整流在短氢键（~2.60 Ω）中受到损害，导致对称热扩散。不对称的热扩散是由于，在一个更高的规模，当地的，结构组织的残留物，反过来，也介导的氢键。这种不对称/对称的能量流可能与蛋白质中的变构信号通信方向性以及材料科学中的热流控制有关。
2015-03-07 q-bio.BM
Protein structure validation and refinement using amide proton chemical shifts derived from quantum mechanics
我们提出的ProCS方法的快速和准确的预测蛋白质骨架酰胺质子化学位移敏感的探针的几何形状的关键氢键，决定蛋白质结构。ProCS的参数化对量子力学（QM）的计算和再现高水平的QM结果获得的小蛋白质的RMSD为0.25 ppm（r = 0.94）。ProCS与PHAISTOS蛋白质模拟程序连接，用于推断反映实验测量的酰胺质子化学位移值的统计蛋白质系综。从蛋白G、泛素和SMN Tudor结构域的高分辨率X射线结构开始，这种基于化学位移的结构细化导致与实验非常一致的平均化学位移、氢键几何形状和反式氢键（h3 JNC '）自旋-自旋耦合常数。我们表明，结构的敏感性的QM为基础的酰胺质子化学位移的预测是需要细化蛋白质结构，这一协议。因此，ProCS方法提供了一种强大的新工具，用于将氢键网络的结构细化到高精度，具有许多潜在的应用，例如蛋白质在配体结合中的灵活性。
2013-11-24 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Folding of a Small Helical Protein Using Hydrogen Bonds and Hydrophobicity Forces
一个简化的蛋白质模型，每个氨基酸有五到六个原子，五种氨基酸类型，并在一个三螺旋束蛋白上进行了测试，这是一个来自葡萄球菌蛋白A的46个氨基酸片段。该模型不依赖于广泛使用的Go近似，其中忽略了非原生交互。我们发现，崩溃过渡是相当多的蛋白质A序列比随机序列具有相同的组合物更突然。链崩溃被发现是至少一样快的螺旋形成。能量最小化限制到有利的拓扑结构给出了一个结构，具有从天然结构的均方根偏差为1.8 A。我们的势的序列依赖部分是成对可加的。我们的计算表明，通过参数优化来微调这种潜力的作用有限。
2001-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Probing Protein Ensemble Rigidity and Hydrogen-Deuterium exchange
使用程序FIRST可以准确有效地分析蛋白质的刚性和柔性。先前使用FIRST的研究旨在使用单个静态（快照）结构分析蛋白质的刚性和柔性。然而，众所周知的是，蛋白质可以经历自发的亚分子解折叠和重折叠，或构象动力学，即使在非常有利于明确定义的天然结构的条件下。这些（局部）解折叠事件导致大量构象异构体，它们彼此之间的差异非常微小。在这种情况下，蛋白质更好地表示为“类天然”结构的热力学系综，而不仅仅是作为一个单一的静态低能结构。工作与这个概念，我们引入了一种新的FIRST为基础的方法来预测刚性/柔性的蛋白质合奏（i）平均从整个合奏的氢键强度和（ii）通过细化的数学模型的氢键。此外，我们结合我们的第一合奏刚性预测与合奏溶剂可及性数据的骨干酰胺，并提出了一种新的计算方法，它使用刚性和溶剂可及性预测氢氘交换（HDX）。为了验证我们的预测，我们报告了一个新的网站特定的HDX实验，其特征在于本地结构合奏的酰基磷酸酶从超嗜热硫化叶菌solfataricus（SSO AcP）。HDX数据所观察到的子结构构象动力学，是密切匹配的第一合奏刚度的预测，这是无法实现使用传统的单“快照”刚度分析。此外，计算预测的区域，保护HDX和那些进行交换是非常好的协议与实验HDX配置文件的SSO AcP。
2013-05-08 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
An Artificial Neural Network Based Approach for Identification of Native Protein Structures using an Extended ForceField
目前的蛋白质力场，如CHARMM或Xplor-NIH中所见，有许多术语，包括键合和非键合术语。然而，力场没有考虑到氢键的使用，氢键对蛋白质的二级结构产生和稳定很重要。SCOPE是一个开源程序，从旋转异构体空间生成蛋白质。然后，它创建一个力场，仅使用非键合和氢键能量项来创建给定蛋白质的概况。然后，可以在人工神经网络中使用这些图谱来创建一个线性模型，该模型被漏斗化到真实的蛋白质构象。
2020-03-05 q-bio.BM q-bio.QM
Competition for hydrogen bond formation in the helix-coil transition and protein folding
生物聚合物在明确的溶剂，如水，氢键与溶剂的能力的螺旋线圈过渡的问题是解决分析使用适当修改的版本的广义模型的多肽链。在较低温度下，除了常规的螺旋-螺旋转变外，还发现了额外的螺旋-螺旋或凹入转变。由于聚合物-聚合物和聚合物-水氢键之间的竞争，产生了凹入转变。两种类型的氢键之间的平衡可以通过温度的变化，也可以通过压力，机械力，渗透应力或其他外部影响而向任何一个方向移动。多肽和多核苷酸都被认为是在一个统一的形式主义。我们的方法提供了一个解释的实验困难的观察与压力的折返过渡，并强调了DNA的研究拉实验的优势。结果进行了讨论，并与最近的一些出版物中所报道的一个显着的协议水平进行了比较。
2011-03-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
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
How does the first water shell fold proteins so fast ?
第一层水合壳和本体溶剂在蛋白质的折叠中起着至关重要的作用。在这里，水在蛋白质动力学中的作用已经使用理论蛋白质溶剂模型和统计物理方法进行了研究。我们制定了一个水化模型，其中属于蛋白质构象的第一壳层的水分子之间的氢键可能主要形成或断裂。在热平衡下，氢键在低温下形成，在高温下断裂。为了探索溶剂效应，我们使用主方程演化来跟踪大样本蛋白质链的折叠。动力学显示了一个明确的机制。在玻璃化转变温度以上，大比例的链非常迅速地折叠成天然结构，而与温度无关，遵循高转变速率的途径通过被具有断裂氢键的溶剂包围的结构。虽然这些状态有一个无穷小的概率，他们作为强大的动力学吸引子和快速折叠的收益沿着这些路线，而不是路径之间的过渡率小的配置高得多的平衡概率。在给定的低温下，观察到折叠时间的大幅跳跃。低于此玻璃化温度，氢键主要形成的路径成为那些最高的速率，虽然与巨大的弛豫时间的构象变化。研究结果表明，褶皱遵循双漏斗机制。
2011-01-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Isotopic fractionation in proteins as a measure of hydrogen bond length
如果将含有强分子内氢键的氘代分子置于氢化溶剂中，则其可优先将氘交换为氢。这种偏好是由于氢和氘的振动零点能量之间的差异。结果表明，相关的分馏因子$Φ$与分子内氢键的强度有关。这种相关性已被用于确定各种酶中H-键的长度（供体-受体分离），并被认为支持短的低势垒H-键的存在。从一个势能面的基础上一个简单的非绝热状态模型的H-键，我们计算$Φ$作为质子供体-受体距离的函数$R$。对于数值结果，我们使用对称O-H模型的参数化。O债券。我们考虑了O-H伸缩振动、O-H弯曲振动（面内和面外）、有限温度下的隧道分裂效应和次级几何同位素效应的相对贡献。我们比较我们的总$Φ$作为$R$的函数与NMR实验结果的酶，特别是与经验参数化$Φ(R)$，以前用来确定键长。
2015-07-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph q-bio.BM
