Amplification and detection of single molecule conformational fluctuation through a protein interaction network with bimodal distributions
蛋白质经历多个时间尺度的构象动力学,这导致酶活性的波动。近年来单分子酶学的研究直接观察到了这种古老的动力学无序现象。然而,单分子技术有其局限性。为了能够观察到这种分子效应与真正的生化功能{ \it原位},我们建议耦合酶活性的波动噪声传播小蛋白质相互作用网络,如零阶超敏感磷酸化-去磷酸化循环。我们发现酶的波动确实可以放大几个数量级,变成底物磷酸化水平的波动|对细胞生物学有广泛兴趣的人酶的构象波动足够慢于催化反应的周转率,导致磷酸化底物的双峰浓度分布。反过来,这种网络放大的单酶波动可以作为一种新的生化“报告”,用于测量单酶构象波动率。
2009-09-01 q-bio.BM
Conformational Heterogeneity and FRET Data Interpretation for Dimensions of Unfolded Proteins
一个数学物理上有效的配方是需要从单分子Förster共振能量转移(smFRET)来推断无序蛋白质构象的性质。传统的方法假定一个均匀的构象系综推断的构象尺寸可能是非物理的。当所有可能的-异构以及均匀-构象分布考虑到没有预先判断,一个单一的值的平均转移效率$\langle E\rangle$之间的染料在两个链端通常是一致的高度多样化,多个值的平均回转半径$\langle R_{\rm g}\rangle$。在这里,我们利用无偏的构象统计从一个粗粒度的显式链模型建立一个通用的逻辑框架来量化这种基本的模糊性smFRET推理。作为一个应用程序,我们解决了长期存在的争议,关于变性剂依赖性的$\langle R_{\rm g}\rangle$的未折叠的蛋白质,专注于蛋白质L作为一个例子。常规的smFRET推断得出结论,未折叠的蛋白L的$\langle R_{\rm g}\rangle$对[GuHCl]高度敏感,但是来自小角X射线散射(SAXS)的数据表明与[GuHCl]无关的接近恒定的$\langle R_{\rm g}\rangle$。引人注目的是,本分析表明,尽管在[GuHCl] = 1 M和7 M下蛋白L的报告$\langle E\rangle$值分别为0.75和0.45,差异非常大,但与这两个$\langle E\rangle$值一致的贝叶斯$R^2_{\rm g}$分布重叠多达$75\…
2017-08-01 q-bio.BM
Side-chain conformational changes upon protein-protein association
蛋白质-蛋白质缔合后的构象变化是结合机制的关键要素。这项研究提出了一个系统的大规模的侧链的构象变化的分析。结果表明,短侧链和长侧链的构象变化倾向不同。具有三个或三个以上二面角的长侧链常常经历大的构象转变。具有一个或两个二面角的较短残基通常经历局部构象变化而不导致构象转变。提出了侧链在其未结合构象附近的局部再调整与平衡涨落之间的关系。大多数侧链在离主链最远的二面角上经历较大的变化。具有对称芳族基团(Phe和Tyr)和带电基团(Asp和Glu)的氨基酸显示相反的趋势,其中近主链二面角变化最大。6个非极性残基和Tyr的核心到表面界面转换的频率超过了相反的表面到核心转换的频率。结合增加了极性和非极性界面面积。然而,对于所有考虑的蛋白质复合物类别,非极性区域的增加较大。结果表明,蛋白质缔合扰动未结合的界面,以增加疏水力。这些结果有助于更好地理解蛋白质的构象变化,并为对接协议中的高效构象采样提供了方向。
2010-10-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Ideal gas behavior of rotamerically defined conformers in native globular proteins
蛋白质的构象转变,这是必不可少的功能,可以由熵或焓驱动时,分子系统包括溶质和溶剂分子的焦点。揭示一个给定的分子过程的热力学起源是一项重要但困难的任务,蛋白质构象分布的一般原则仍然难以捉摸。在这里,我们表明,当蛋白质分子被视为热力学系统和溶剂被视为环境,构象熵是一个很好的代理自由能,并足以解释蛋白质构象分布。具体地说,通过将侧链扭转状态的每个独特组合定义为构象异构体,在任意给定的序参数上的布居分布(或自由能)近似为构象熵的线性函数。此外,观察到各种微观势能项的跨度与构象熵和自由能高度相关。目前广泛使用的自由能代理,包括最小势能,平均势能项本身或结合振动熵\cite,被发现与自由能的相关性相当差。因此,我们的研究结果提供了一个全新的理论基础的发展显着更可靠和更有效的下一代计算工具,其中可用的构象的数量,而不是势能的微观配置,是中心焦点。我们预计,许多相关的研究领域,包括基于结构的药物设计和发现,蛋白质设计,对接和预测的一般分子间相互作用涉及蛋白质,预计将受益匪浅。
2015-04-30 q-bio.BM
Selected-fit versus induced-fit protein binding: Kinetic differences and mutational analysis
配体分子与蛋白质的结合通常伴随着蛋白质的构象变化。一个中心问题是配体是否诱导构象变化(诱导拟合),或者更确切地说,从蛋白质的基态和激发态的预先存在的平衡中选择并稳定互补构象(选择拟合)。在这里,我们认为在一个简单的四态模型的配体-蛋白质结合的结合动力学。在该模型中,蛋白质具有两种构象,这两种构象都可以结合配体。当配体关闭时,第一构象是蛋白质的基态,而当配体结合时,第二构象是基态。诱导配合机制对应于未结合基态中的配体结合,而选择配合机制对应于激发态中的配体结合。我们发现一个简单的,特征之间的差异,在这两种机制的上和关闭率,如果构象弛豫到基态是快速的。在选择拟合结合的情况下,结合速率取决于构象平衡常数,而解离速率是独立的。相反,在诱导拟合结合的情况下,解离速率取决于构象平衡,而结合速率是独立的。因此,蛋白质是否通过选择拟合或诱导拟合结合配体可以通过远离蛋白质结合口袋的突变或仅影响构象平衡的其他“扰动”来揭示。在选择匹配的情况下,这样的突变将仅改变结合速率,并且在诱导匹配的情况下,仅改变解离速率。
2008-09-03 q-bio.BM
Iterative derivation of effective potentials to sample the conformational space of proteins at atomistic scale
目前的计算机能力使得有可能进行模拟的小型系统与便携式,明确的溶剂潜力,实现高度的准确性。然而,必须采用简化的模型来利用大型系统的行为或对较小系统进行系统扫描。虽然强大的算法是可用的,以方便采样的构象空间,成功的应用程序,这样的模型受到阻碍的可用性足够简单的潜力,能够令人满意地再现已知的系统属性。我们开发了一个原子间的潜力,以计算经济的方式来考虑蛋白质的一些属性。在全原子、隐式溶剂模型中,通过不同原子类型之间的接触函数来定义电势。相关的数值可以优化的迭代蒙特卡罗方案上的任何可用的实验数据,只要它们是表达为热平均的一些构象特性。我们在三种不同的蛋白质上测试这个模型,我们还使用显式构象采样对所有可能的点突变进行扫描。由此产生的模型,优化仅在一个子集的原生距离,不仅重现本地构象在几个Angstrom从实验的,但显示本地和变性状态之间的合作过渡,并正确地预测测得的自由能变化与点突变。此外,与其他基于结构的模型不同,我们的方法留下了残余程度的挫折,这是已知的蛋白质分子中存在的。
2014-02-03 q-bio.BM
Allostery and conformational changes upon binding as generic features of proteins: a high-dimension geometrical approach
越来越多的实验证据表明,配体结合蛋白通常具有变构调节和进一步进化的潜力。此外,此类蛋白质在结合时通常改变其构象。O. Rivoire最近提出了一个进化的方案,解释了这些属性作为一个通用的选择非常相似的配体之间的精致的歧视副产品。最初的主张得到了两类基本例子的支持:具有少量自由度的连续蛋白质模型,在其上建立了构象开关的发展,以及支持其余陈述的二维自旋玻璃模型。本文旨在阐明大自由度光滑模型精细判别的含义,使其更接近于真实的生物系统。借助微分几何,喷气空间分析,和横截性定理,它表明,索赔适用于任何通用的柔性系统,可以描述的光滑流形。结果表明,确实,进化的解决方案,精致的歧视问题,如果存在的话,位于附近的余维1子空间的适当的基因型空间。这种限制反过来又通过结合后的一般构象变化产生了对区分的变构调节的可能性。
2019-05-07 q-bio.BM
Probing conformational dynamics of antibodies with geometric simulations
本章介绍了应用约束几何模拟预测抗体的结构动力学。我们利用约束几何模拟方法FRODAN,这是一个低计算复杂度的替代分子动力学(MD)模拟,可以快速探索蛋白质结构中的灵活运动。FRODAN非常适合于大型蛋白质、复合物、内在无序蛋白的构象动力学分析,以及在较长的生物相关时间尺度上发生的动力学分析,这些通常是经典MD模拟无法达到的。这种方法预测蛋白质动力学在一个所有的原子规模,同时保持现实的共价键,保持二面角在积极良好的构象,同时避免空间冲突,除了执行其他几何和立体化学标准检查。在这一章中,我们应用FRODAN展示其适用性探测功能相关的动态的IgG 2a,包括大幅度域域运动和互补决定区(CDR)环的运动。正如在以前的实验研究中所建议的,我们的模拟表明,抗体可以探索大范围的构象空间。
2021-09-29 q-bio.BM
From sequence to protein structure and conformational dynamics with AI/ML
本文基于序列决定结构的经典假设,提出利用AI/ML模型结合序列与NMR构象数据预测蛋白质构象动力学,有望成为生物科学变革性工具。
2025-04-18 q-bio.BM
Conformational variability of loops in the SARS-CoV-2 spike protein
SARS-CoV-2刺突(S)蛋白促进病毒感染,并已成为许多结构确定工作的焦点。已知其柔性环区域参与蛋白质结合,并且可以采用多种构象。本文根据蛋白质数据库(PDB)的结构,鉴定了S蛋白环,并研究了它们的构象变异性。虽然大多数环基本上有一个稳定的构象,但基于聚类分析,观察到44个环区域中的17个是结构可变的,具有多个实质上不同的构象。环建模方法,然后施加到S蛋白环的目标,和预测精度讨论有关的特征的构象集群确定。发现具有多种构象的环基于单一结构模板建模具有挑战性。
2021-10-13 q-bio.BM stat.AP
Self Organizing Maps to efficiently cluster and functionally interpret protein conformational ensembles
提出了一种结合自组织映射、层次聚类和网络组件的方法,旨在比较从多个分子动力学模拟中获得的蛋白质构象集合。作为第一个结果,可以通过仅使用所获得的簇的代表性构象来概括原始系综。此外,网络组件分析允许发现和解释每个神经元赢得的构象的动态行为。结果表明,这种方法的能力,有效地获得由原始构象合奏所描述的蛋白质动力学的功能解释,突出了其作为蛋白质工程的支持的潜力。
2013-09-30 cs.CE q-bio.BM
Expanding Protein Structure Prediction into Conformational State Space
National Library of Medicine, National Institutes of Health(美国国家医学图书馆,美国国立卫生研究院);University of Pennsylvania(宾夕法尼亚大学);University of Maryland(马里兰大学);University of Toronto, Mississauga(多伦多大学密西沙加分校);University of Toronto(多伦多大学);Stockholm University(斯德哥尔摩大学);Pontificia Universidad Católica de Chile(智利天主教 Pontificia 大学);Millennium Institute for Integrative Biology (iBio)(整合生物学千年研究所(iBio))
该研究针对蛋白质结构预测仅关注单一构象的不足,提出将其扩展为构象状态空间推断问题,综述相关策略并勾勒出该方向的发展路线图。
2026-08-05 q-bio.BM
Recognition of potential Covid-19 drug treatments through the study of existing protein-drug and protein-protein structures: an analysis of kinetically active residues
我们报告了基于各种生物信息学预测方法的应用,对获批药物作为COVID 19潜在治疗方法的研究结果。研究的药物包括氯喹、伊维菌素、瑞德西韦、索非布韦、博赛泼韦和α-二氟甲基鸟氨酸(DMFO)。我们的研究结果表明,这些小分子选择性地结合到稳定的,动力学活性的残基和残基毗邻它们的表面上的蛋白质和内部的蛋白质口袋,有些人更喜欢疏水超过其他活性位点。我们的方法不仅限于病毒,而且可以促进合理的药物设计,并提高我们对分子相互作用的理解。
2020-08-09 q-bio.BM
Protein Folding as a Quantum Transition Between Conformational States: Basic Formulas and Applications
蛋白质折叠被认为是多肽链上扭转态之间的量子跃迁。本文综述了前人对折叠速率公式的推导。将速率公式推广到褶皱频率变化的情况。1)基于量子跃迁的概念,给出了二态和多态蛋白质折叠的统一理论。2)研究了折叠和去折叠速率与变性剂浓度的关系。3)推导了折叠速率的温度依赖性,并以自然的方式解释了折叠速率的温度依赖性的非阿耳忒修斯行为。4)基于动力学接触序模型计算了折叠速率对惯性矩的依赖关系,并与100个蛋白质实验数据进行了比较,得到了一致的结果。5)通过比较每种蛋白质的理论和实验速率,区分放能和吸能折叠。从量子折叠理论的角度研究超快折叠问题,并利用量子测不准关系导出了一个新的折叠速度极限。6)由于在现有的量子跃迁公式中只有挠率可达态是可处理的,讨论了如何利用统计能量景观方法扩展挠率可达态的集合。上述讨论支持了蛋白质折叠本质上是构象状态之间的量子跃迁的观点。
2010-08-22 q-bio.BM
Proteins associated with diseases show enhanced sequence correlation between charged residues
蛋白质的功能或相互作用蛋白质的网络通常涉及在序列中良好分离的残基之间的通信。典型的例子是远端残基参与变构调节。生物信息学和结构分析方法已被引入来推断相关的残基。近年来,人们越来越关注获得决定疾病相关蛋白(Abeta肽、朊病毒蛋白、甲状腺素运载蛋白等)的趋势的序列特性。聚集并形成原纤维。出于部分需要确定的序列特征,表明聚集的趋势,我们介绍了一种通用的方法,探针在一个给定的蛋白质家族中的序列沿带电残基的共变。该方法,它涉及到计算的序列相关熵(SCE)使用淬火概率Psk(i,j)找到一个残基对在给定的序列分离sk,允许我们分类蛋白质家族的SCE。我们的一般方法可能是一个有用的方式在获得进化的氨基酸残基的共变异的基因组水平。
2004-05-06 q-bio.BM
Conformational variability in proteins bound to single-stranded DNA: a new benchmark for new docking perspectives
我们探索蛋白质数据库(PDB)收集蛋白质ssDNA结构,并创建一个多构象对接基准,包括结合和未结合的蛋白质结构。由于ssDNA在未结合时具有高柔性,因此基准中不包括ssDNA未结合结构。对于91个序列同一性组确定为同一蛋白质的结合-未结合结构,我们研究了由ssDNA结合引起的蛋白质构象变化。此外,基于一些组中的几个结合或未结合的蛋白质结构,我们还评估了在结合或未结合条件下的内在构象变异性,并将其与推测的结合诱导的修饰进行比较。为了说明这个基准测试的用例,我们使用ATTRACT对接软件进行了对接实验。据我们所知,这个基准是第一个仔细研究ssDNA-蛋白质相互作用的可用结构到这样的程度,旨在改善专门用于这种分子相互作用的计算对接工具。
2022-10-20 q-bio.BM q-bio.QM
Structure fluctuations and conformational changes in protein binding
结构波动和构象变化伴随着所有涉及大分子的生物过程。本文提出了一种基于蛋白质中残基质心的归一化平衡波动和结合时侧链构象变化的统计分析的蛋白质残基分类。应用简正波分析和弹性网络模型计算了一组蛋白质复合物的残基波动,并进行了残基分类。与基于归一化B因子的分类比较表明,B因子可能低估了溶剂中蛋白质的灵活性。我们的分类表明,蛋白质环和无序的片段富含高度波动的残基和耗尽弱波动的残基。为了计算二面角分布函数,位形空间通过立方网格划分成单元。蛋白质缔合对分布函数的影响取决于氨基酸类型和二面角空间中的网格步长。对于大多数残基,二面角的变化从近主链的二面角到最远的二面角增加。平均而言,五分之一的界面残基改变旋转异构体的状态结合后,而其余的界面残基进行本地rerereaderministration内相同的旋转异构体。
2011-10-24 physics.bio-ph q-bio.BM
Predicting the real-valued distances between residue pairs for proteins
从氨基酸序列预测蛋白质结构一直是生物物理学中一个具有理论和实际意义的挑战。尽管最近的进展引起了改进的残基-残基接触预测,接触为基础的结构预测已逐渐达到性能上限。已经提出了新的方法来预测残差-残差距离,但一致地通过将实值距离预测简化为多类分类问题。在这里,我们展示了一种基于回归的距离预测方法,该方法采用生成对抗网络来捕获残差对之间的微妙几何关系,从而可以令人满意地预测连续的实值残差-残差距离。预测的残基距离图允许通过CNS套件进行快速结构建模,并且当对可用的CASP 13靶标进行测试时,构建的模型接近至少与其他最先进的蛋白质结构预测方法相同的质量水平。此外,该方法可以直接用于膜蛋白的结构预测,而无需迁移学习。
2019-12-18 q-bio.BM
Leveraging Conformational Diversity for Enhanced Structure-Based Virtual Screening: Insights from Molecular Dynamics Simulations of HIV-1 Protease-Ligand Complexes
本研究利用79个HIV-1蛋白酶-配体复合物,通过分子动力学模拟和RMSD聚类保留构象多样性,证明多构象结合能计算能显著提升基于结构虚拟筛选的预测可靠性。
2025-07-13 q-bio.BM
Towards monitoring conformational changes of the GPCR neurotensin receptor 1 by single-molecule FRET
神经降压素受体1(NTSR 1)是一种G蛋白偶联受体,对大脑和肠道中的信号传导很重要。其激动剂配体神经降压素(NTS)是一种13个氨基酸的肽,以纳摩尔亲和力从细胞外侧与NTSR 1结合,并诱导引发细胞内信号传导过程的构象变化。我们的目标是监测单荧光标记NTSR 1的构象动力学。为此,我们将荧光蛋白mNeonGreen融合到NTSR 1的C端,从大肠杆菌中纯化受体融合蛋白。coli膜构建脂质体,用E.大肠杆菌极性脂质。使用单分子各向异性测量,NTSR1被发现是单体的脂质体,与一小部分是二聚体和寡聚体,显示homoFRET。对于NTSR 1在洗涤剂溶液中获得了类似的结果。此外,我们证明了激动剂结合NTSR 1的时间分辨单分子Förster共振能量转移(smFRET),使用神经降压素标记的荧光团ATTO 594。
2018-01-28 q-bio.BM
Quantum conformational transition in biological macromolecule
从量子跃迁的角度研究了生物大分子的构象变化。提出了一种蛋白质折叠的量子理论。与其他动力学变量如可动电子、化学键和伸缩-弯曲振动相比,分子扭转具有最低的能量,可以看作是系统的慢变量。同时,利用扭转势的多极小性质,定义了体系的局部构象态。根据慢变量从属于快变量的思想,利用非绝热性算符方法推导出描述构象变化的哈密顿量。证明了通过对慢变量波函数进行相变,可以充分考虑快变量对高分子的影响。从构象-跃迁哈密顿量出发,计算了两种重要情况下的无辐射矩阵元:A,只有电子是快变量,电子态在跃迁过程中不发生变化; B,快变量不限于电子,但可以使用微扰近似。推导了蛋白质折叠速率的一般公式。利用该公式的解析形式研究了蛋白质折叠速率的温度依赖性,解释了奇异的非阿克里乌斯温度关系。利用温度依赖性数据估计了量子扭转态的退相干时间,研究了蛋白质折叠过程中扭转角的量子相干度。建议的折叠速率公式给出了一个统一的方法来研究一大类问题的生物构象变化。
2013-08-05 q-bio.BM
Protein Folding as a Quantum Transition Between Conformational States
指出了扭转振动在传递生命信息中的重要性。证明了量子扭态的局域化。在此基础上,提出了构象-电子体系的量子理论。用非绝热算符方法计算了构象-电子跃迁。从构象量子跃迁的角度研究了蛋白质折叠,并计算了折叠速率。推导了基本折叠事件(成核、坍缩等)的微秒到毫秒的时间尺度。给出了跃迁速率W与N个惯性矩的关系。指出了在合作跃迁中,W随扭转角数N的增加而增加,随原子团惯性矩I的增加而减小。并推导出了与高温区化学反应不同的温度依赖关系。结果表明,构象动力学对蛋白质的折叠机理有深刻的认识,并为分析和解释有关蛋白质折叠速率的实验事实提供了有用的工具。
2009-06-13 q-bio.BM q-bio.QM
Residue mobility has decreased during protein evolution
在研究属于所有四个主要结构类别的76个最常见结构域的所有非冗余蛋白质的所有原子的B因子时,发现在进化过程中残基迁移率降低。虽然在蛋白质结构进化的早期阶段,增加的残基柔性是首选的,但在中世纪和近代阶段,较少的柔性是首选的。发现GLU是最灵活的残留物,而VAL记录具有最小的灵活性。B因子减少的一般趋势符合蛋白质结构域出现顺序的一般趋势。观察到B因子的递减对VAL最具决定性(单调和均匀),而CYS和LYS灵活性的演变最不对称。除CYS外,发现所有残基的柔性在α-β折叠的进化过程中增加,然而发现所有残基(除CYS外)的柔性在所有β折叠的进化过程中降低。只有在α-β折叠中,可以观察到偏好较高残基迁移率的趋势,既没有发现α + β,也没有发现所有α或所有β折叠都支持较高残基迁移率。在所有的结构类别中,极性残基的进化约束的效果被发现遵循一个完全相同的趋势,疏水残基,只有这些影响的程度被发现是不同的。虽然蛋白质的大小被发现在进化过程中减少,属于古老的和旧的结构域的蛋白质的残基迁移率表现出强烈的正依赖于蛋白质的大小,但对于中世纪和最近的域,这种依赖性消失。结果发现,为了优化残基的波动,α β类蛋白质受到更严格的进化约束。
2012-12-12 q-bio.BM
Nonlinearity of Mechanochemical Motions in Motor Proteins
蛋白质分子对热噪声或结构扰动(如配体结合或脱离)的线性响应假设被广泛应用于蛋白质动力学研究。蛋白质的构象运动传统上是用简正模来分析的,而在这些大分子中关于热涨落的实验数据也通常用简正模的激发来解释。我们已经选择了两个重要的蛋白质马达-肌球蛋白V和驱动蛋白KIF 1A-和进行数值研究的粗粒度的弹性网络近似内的构象弛豫特性。我们已经发现,线性假设是不足的配体诱导的构象运动,甚至可以违反特征热波动。这种缺陷在KIF 1A中特别明显,其中正常模式描述完全不能描述功能性机械化学运动。这些结果表明,蛋白质动力学理论的重要假设可能需要重新考虑。无论是一个单一的正常模式,也不是这种模式的叠加产生强非线性动力学的近似。
2010-06-08 q-bio.BM
Representation choice shapes the interpretation of protein conformational dynamics
研究探讨了表征选择对蛋白质构象动态分析的影响,提出Orientation features方法,并开发ManiProt库以支持多表征比较。
2026-04-01 cs.LG q-bio.BM
Wolumes - An algorithm to compute the volume of atoms and residues in proteins
Wolumes是一个用标准C语言编写的快速独立的计算机程序,可以测量蛋白质中的原子体积。它的算法是一个简单的离散化的空间,通过一个网格的点在0.75埃,从对方,它使用了一组范德华半径优化蛋白质原子。通过将计算值与来自蛋白质数据库的非冗余子集的分布进行比较,新方法允许识别异常大/小的原子和残基。源代码是免费提供的,还有一些例子。
2014-06-12 q-bio.BM
A Conformational Search Method for Protein Systems Using Genetic Crossover and Metropolis Criterion
许多蛋白质通过形成特有的三级结构来实现其生物学功能。因此,通过分子模拟寻找蛋白质的稳定态对于理解蛋白质的功能和稳定性具有重要意义。然而,通过构象搜索获得稳定状态是困难的,因为系统的能量景观的特征在于许多局部极小值被高能量障碍分隔开。为了克服这个困难,已经提出了各种蛋白质构象的采样和优化方法。在这项研究中,我们提出了一种新的构象搜索方法,利用遗传交叉和Metropolis准则的蛋白质。我们将这种方法应用于$α$ -螺旋蛋白。从模拟得到的构象与实验结果吻合得很好。
2015-05-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Estimation of Amino Acid Residue Substitution Rates at Local Spatial Regions and Application in Protein Function Inference: A Bayesian Monte Carlo Approach
蛋白质的氨基酸序列为推断远缘系统发生关系和预测蛋白质功能提供了丰富的信息。估计来自氨基酸序列的残基置换的速率矩阵也是重要的,因为速率矩阵可用于开发用于序列比对的评分矩阵。在这里,我们使用一个连续时间马尔可夫过程来模拟残基的替代率,并发展了一个贝叶斯马尔可夫链蒙特卡罗方法估计率。我们使用模拟的人工蛋白质序列验证我们的方法。由于不同的局部区域,如结合表面和蛋白质的内部核心经历不同的选择压力,由于功能或稳定性的限制,我们使用我们的方法来估计局部区域的替代率。我们的研究结果表明,取代率是非常不同的残留物在掩埋的核心和残留物上的溶剂暴露的表面。此外,结合表面上的其余蛋白质也具有非常不同的残基取代率。基于这些发现,我们进一步开发了一种方法,用于蛋白质功能预测的表面匹配使用来自估计的取代率位于结合表面上的残基的评分矩阵。我们的例子表明,我们的方法是有效的识别功能相关的蛋白质,具有整体低序列同一性,一个任务是非常具有挑战性的。
2006-01-13 q-bio.BM
How to distinguish conformational selection and induced fit based on chemical relaxation rates
蛋白质结合通常涉及构象变化。重要的问题是构象变化是发生在结合事件之前(“构象选择”)还是结合事件之后(“诱导拟合”),以及如何从实验中获得构象转变速率。在这篇文章中,我们提出了一般结果的化学弛豫速率的构象选择和诱导适合的结合过程,适用于所有浓度的蛋白质和配体,因此,超越了标准的伪一阶近似的大配体浓度。这些结果允许区分构象选择从诱导拟合过程-也在这样的区别是不可能在伪一阶条件下的情况下-和提取的蛋白质的构象转变速率从化学弛豫数据。
2016-09-20 physics.bio-ph q-bio.BM
TEMPO: Temporal Multi-scale Autoregressive Generation of Protein Conformational Ensembles
School of Data Science, The Chinese University of Hong Kong, Shenzhen(数据科学学院,香港中文大学(深圳));Changping Laboratory, Beijing(昌平实验室,北京)
本文提出TEMPO分层自回归框架,以双尺度架构将蛋白质动力学建模为马尔可夫过程,兼顾计算效率与物理准确性,用于生成时间连贯且真实的蛋白质构象系综轨迹。
2025-10-24 cs.AI q-bio.BM
Subtle pH differences trigger single residue motions for moderating conformations of calmodulin
本研究揭示了钙调素(CaM)控制多种Ca ~(2+)信号转导过程的配体识别机制的本质。我们研究了八种形式的钙负载钙调素,每一个不同的构象状态。减少结构的两个自由度方便地描述了通过同时的两个叶片的扭曲-弯曲运动的CaM的构象变化的主要特征。我们利用微扰-响应扫描(PRS)技术,加上分子动力学模拟来分析的构象偏好的钙调素,最初在扩展的形式。PRS包括在残基上连续施加定向力,然后记录所得坐标。我们表明,一个单一的残基,E31位于EF手图案之一,操作,再现结构变化紧凑的形式,和灵活的连接器作为一个换能器的结合信息的蛋白质的遥远的部分。独立地,使用四种不同的pKa计算策略,我们发现E31是带电残基(52个),其电离状态对生理范围内的pH值变化最敏感。有人提出,在相对较低的pH值,钙调素结构是不太灵活的。通过在pH值约为7的特定位点获得带电状态,蛋白质的局部构象变化将导致能量格局的变化,为其他构象状态铺平道路。这些研究结果是根据FRET测量的构象分布的变化,更紧凑的形式与pH值降低。他们也证实突变的研究和蛋白水解的结果,这表明E31在钙调素动力学的重要作用。
2011-07-11 physics.bio-ph q-bio.BM
Conformational dynamics of a single protein monitored for 24 hours at video rate
我们使用等离子统治者遵循一个单一的蛋白质的构象动力学长达24小时的视频速率。等离子体标尺由两个由单个蛋白质接头连接的金纳米球组成。在我们的实验中,我们遵循的分子伴侣热休克蛋白90,这是已知的显示开放和封闭的构象的动力学。我们的测量证实了先前已知的构象动力学与过渡时间在秒到分钟的时间尺度,并揭示了新的动态的时间尺度上的分钟到小时。因此,等离子体标尺相对于单分子荧光共振能量转移将观察带宽扩展了3/4个数量级,并使分子动力学的研究具有前所未有的精度。
2018-10-05 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Differential Effects of Sequence-Local versus Nonlocal Charge Patterns on Phase Separation and Conformational Dimensions of Polyampholytes as Model Intrinsically Disordered Proteins
本文比较电荷块状度κ与非局域性加权SCD参数,发现SCD更擅长预测孤立链回转半径,而两者对多两性电解质相分离UCST的预测能力相当,揭示了序列局部与非局部电荷模式对构象和相分离的不同影响。
2024-07-26 q-bio.BM
Combination of genetic crossover and replica-exchange method for conformational search of protein systems
将遗传算法中的遗传交叉操作与复制交换方法相结合,用于并行分子动力学模拟。遗传交叉和复制交换方法通过交换蛋白质构象间的对应部分来搜索全局构象空间。在这项研究中,我们将这种方法应用到一个$α$ -螺旋蛋白,色氨酸笼迷你蛋白,它有20个氨基酸残基。从模拟得到的构象与实验结果吻合得很好。
2015-05-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Leveraging Sequence Purification for Accurate Prediction of Multiple Conformational States with AlphaFold2
本文提出AF-ClaSeq框架,通过序列纯化和迭代富集提取共进化信号,使AlphaFold2能够高置信度预测蛋白质的多种构象状态,揭示结构可塑性并推动变构药物设计与功能注释。
2025-02-28 q-bio.BM
A novel method for identification of local conformational changes in proteins
动机:已知蛋白质在其功能过程中经历构象变化。构象的变化通常归因于蛋白质内的一小部分残基。因此,鉴定这些可变区对于理解蛋白质功能是重要的。结果:我们提出了一种新的方法来识别蛋白质的局部构象变化。在我们的方法中,骨架构象被编码成一个序列的字母从一个16个字母的字母表(称为D2代码)进行结构比较。由于我们不使用聚类分析来编码局部结构,因此D2代码不仅提供了对蛋白质结构的直观可理解的描述,而且还涵盖了各种各样的失真。本文表明,D2代码是更好地与二面角的变化比结构字母表和二级结构描述。在HIV-1蛋白酶的N37 S突变体的情况下,通过D2编码方法比其他方法更准确地捕获局部构象变化。D2编码还提供了HIV-1蛋白酶突变体的NMR模型之间的差异的可靠表示。
2011-10-28 math.CO math.DG q-bio.BM
Automaton model of protein: dynamics of conformational and functional states
在这篇概念性的论文中,我们建议探索量子现象的本体/认识论描述与蛋白质构象和功能状态的动力学之间的相互关系之间的类比。另一个新的想法是应用自动机理论来模拟后者的动力学。在我们的模型中,蛋白质的行为被建模的两个动力系统,本体和认知,分别描述蛋白质的构象和功能状态的演变的援助。认知自动机是基于本体状态空间上的功能(观察)等价关系由本体自动机构造而成的。这让人想起了涌现量子力学的一些方法,其中量子(认知)态被视为代表一类前量子(本体)态。该方法与标准{ \it蛋白质结构-功能范例}不匹配。然而,它是完美的内在无序蛋白的行为建模。在数学上,蛋白质的本体状态(构象状态)的空间建模的帮助下,$p$ -进数或更一般的超度量空间编码的内部层次结构的蛋白质。简要讨论了与$p$ -adic动力系统理论的联系。
2017-04-15 cs.IT math.IT q-bio.BM
Interrelationship Between Protein Electrostatics and Evolution in HCV and HIV Replicative Proteins
蛋白质静电已被证明在蛋白质功能中起着至关重要的作用,许多功能上重要的氨基酸残基表现出与正常氨基酸残基不同的静电状态。具有改变的静电状态的残基可以通过存在被2个或更多个pK单位扰动的pKa值来鉴定,并且已经证明这些残基在催化、配体结合和蛋白质稳定性中起关键作用。在HCV解旋酶和聚合酶,以及HIV逆转录酶,高度保守的区域被证明拥有更大的数量和幅度的扰动比保守程度较低的区域,这表明有一个相互关系存在蛋白质静电和进化之间。
2008-10-10 q-bio.BM
Structural and evolutionary tunnels of pairwise residue-interaction symmetries connect different structural classes of proteins
研究76个最常见的结构域中的所有非冗余蛋白质,目前的工作试图破译潜在的模式,其特征在于可接受和不可接受的对称性残基相互作用的功能蛋白质。我们报告说,切割的结构类,一组选择成对的相互作用是普遍青睐的几何和进化的限制,被称为“可接受的”结构和进化隧道,分别。残基-残基相互作用的一个同样小的子集,“不可接受的”结构和进化的隧道,被发现是普遍不喜欢的结构和进化的限制。在可接受的结构和进化隧道之间检测到非平凡的重叠,在不可接受的结构和进化隧道之间也是如此。隧道的一个子集被发现具有同等的相对重要性,在结构上和进化上,在不同的结构类。MET-MET隧道被检测到是普遍最不可接受的结构和进化的限制,而ASP-LEU隧道被认为是最接近的近似是普遍最可接受的。结构和进化隧道中的残留种群被发现是独立的个体残留物的立体化学性质。有人认为,隧道是新兴的功能,连接程度的对称残基-残基相互作用的四级结构组织的水平。
2013-08-22 q-bio.BM
Oscillations in p-adic diffusion processes and simulation of the conformational dynamics of protein
针对蛋白质构象动力学的p进扩散模型,本文分析纯扩散及带反应汇情形下弛豫曲线的对数振荡,阐明其幂律背景、周期振幅及物理机制。
2023-04-27 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Variants of intrinsic disorder in the human proteome
在本文中,我们提出了一个简单的操作定义的变体无序蛋白质,以人类蛋白质组作为案例研究。重点是主要是非结构化的蛋白质和蛋白质,其中包含长的非结构化区域容纳在一个整体的折叠结构之间的区别。我们特别区分:i)非无序蛋白质(NDP),其所有残基都是有序的,或者不具有长于30个残基的无序片段,也不具有多于30%的无序残基; iii)固有无序的蛋白质(IDP),其具有至少一个长于30个残基的无序区段并且其30%以上的残基是无序的; iv)具有片段化紊乱的蛋白质(FRAG_IDP),其不具有长于30个残基的无序片段,但尽管如此,至少有30%或更多的残基被预测为无序的。这些变体的潜在用途在几组疾病相关蛋白质中进行了检查。我们的主要结论指出,IDRP更类似于NDP比IDPs。IDRP和NDP具有类似的功能库,并且可能共享与底物相互作用的锁和钥匙机制。IDRP和IDP在人类疾病相关蛋白中存在差异。IDRP可能在复杂疾病的发展中不起特定作用,因为它们在疾病相关蛋白质和整个人类蛋白质组中的频率相似。国内流离失所者可能在癌症、神经退行性疾病、甲状腺和肝脏疾病的出现中发挥作用。
2016-11-18 q-bio.BM
Are residues in a protein folding nucleus evolutionarily conserved?
理解蛋白质折叠和进化是如何相互影响的是很重要的。基于熵计算的几项研究关联了残基参与折叠核和序列保守性的实验测量,得出了不同的结论。在这里,我们报告的折叠核保守性的分析,使用一个进化模型替代熵为基础的方法。我们采用了一个连续时间的密码子替换马尔可夫模型来区分突变固定的进化和突变固定的机会。该模型考虑了密码子频率的偏差,倾向于转换而不是颠换的偏差,以及明确的系统发育信息。我们使用在单个残基位点的同义取代与非同义取代的比率$ω$来测量选择压力。使用{ \sc Paml}方法(一种最大似然估计器)估计$ω$值。我们的研究结果表明,在蛋白质折叠核的动力学参与程度之间的相关性很小,通过实验$ϕ$ -值和选择压力测量由$ω$ -值。此外,两个随机化测试未能显示折叠核残基比整个蛋白质明显更保守。这些结果表明,在密码子替换的水平上,没有迹象表明折叠核残基比其他残基显著更保守。我们进一步重建了折叠核的候选祖先残基,并提出了可能的试管突变研究的古老折叠核。
2003-11-10 q-bio.BM
PHASE: encoding global protein ensembles with local Hamiltonians and all-atom backmapping
本文提出PHASE框架,将蛋白质构象集合转换为显式统计模型,可重现残基统计、定义激活景观坐标,完成粗粒度-采样-逆映射循环,支持QUBO编码,用于构建蛋白质构象集合的紧凑可解释统计模型。
2026-08-25 q-bio.BM
CrossBind: Collaborative Cross-Modal Identification of Protein Nucleic-Acid-Binding Residues
针对现有蛋白质分析方法易忽略语义或几何信息的问题,提出融合蛋白几何结构与序列先验的跨模态方法CrossBind,在DNA/RNA数据集上结合残基预测性能显著优于现有SOTA方法。
2023-12-20 q-bio.BM
Relationships between ligand binding sites, protein architecture and correlated paths of energy and conformational fluctuations
解释了天然蛋白质能量和残基位置波动的统计热力学基础。蛋白质及其周围环境被视为一个典型的系统,强调两者之间的能量交换的影响。能量的波动与残基位置的波动有关,而残基位置的波动又与蛋白质的连接矩阵有关,从而在能量波动途径和蛋白质结构之间建立了联系。该模型给出了配体结合的热点位置,并确定了蛋白质内能量传导的途径。结果进行了讨论,在两套模型,BPTI和12个蛋白质,含有PDZ结构域。可能使用的模型确定功能相似的结构域在一个不同的蛋白质组中指出。
2011-05-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Local search on protein residue networks
在蛋白质残基网络上进行自避免随机游走。与具有随机连接的蛋白质残基网络相比,(非随机)蛋白质残基网络中成功行走的概率较低,成功行走的长度较短。更少的成功行走和更短的成功行走表明蛋白质残基之间更高的通信特异性,这是蛋白质具有的一个可以想象的有利属性。使用随机游走,而不是最短路径也产生较低的节点中心性,较低的边缘介数和较低的边缘负载(非随机化)蛋白质残基网络比在各自的随机同行。蛋白质残基网络的这些属性的影响进行了讨论,在通信拥塞和网络脆弱性。随机化的蛋白质残基网络具有比(非随机化的)蛋白质残基网络更低的网络聚类。因此,我们的研究结果也揭示了一个迄今为止被忽视的方面:蛋白质残基网络中高网络聚类的重要性。高聚类增加了网络的局部搜索的可导航性,并且在高度聚类的小世界网络拓扑(例如蛋白质残基网络)上的局部搜索过程的组合减少了通信拥塞和网络脆弱性。
2013-06-10 q-bio.BM q-bio.MN
Inverse problems with experiment-guided AlphaFold
针对现有蛋白质结构预测方法仅输出单一构象、忽略构象异质性的问题,研究提出将AlphaFold3等作为结构先验、结合实验数据进行后验推断的框架,可生成符合实验的构象集合,性能优于现有方法。
2025-06-16 q-bio.BM
Towards a Unified Framework for Determining Conformational Ensembles of Disordered Proteins
针对无序蛋白质结构表征的挑战,提出一个整合先进实验与计算方法的统一框架,包含数据获取、系综生成和验证三个模块,以确保准确可重复地确定其构象系综,并指出力场准确性等开放挑战。
2025-08-12 q-bio.BM q-bio.QM
Ligand Binding, Protein Fluctuations, and Allosteric Free Energy
虽然蛋白质动力学在蛋白质功能中的重要性已被普遍认识,但蛋白质波动在变构效应中的作用却很少被考虑。为了解决这一差距,Kullback-Leibler分歧(Dx)蛋白质构象分布之前和之后的配体结合被提出作为一种手段,量化蛋白质中的变构效应。在这里,以前的应用Dx蛋白质的分析和模拟的方法进行了第一次审查,并讨论了它们对理解蛋白质功能和蛋白质进化方面的影响。其次,Dx的方程表明,k_{B} TDx应解释为变构自由能--与将无配体蛋白质构象分布改变为配体结合构象分布相关的自由能。这种解释导致变构转换的热力学模型,统一现有的观点之间的关系配体结合和蛋白质构象分布的变化。Dx的定义是用来探索一些有趣的数学关系,通常公认的热力学和生物物理量,如总自由能变化配体结合,和配体-结合亲和力的个别蛋白质构象。这些结果代表了一个理论框架的开始,考虑在建模变构转换的全蛋白质构象分布。早期的应用框架产生的结果与影响的粗粒度建模的蛋白质的方法,并了解配体结合和蛋白质动力学之间的关系。
2006-07-03 q-bio.BM q-bio.QM
RamaDA: complete and automated conformational overview of proteins
蛋白质的三级结构以及局部二级结构的组织完全由肽结合的角度决定。主链二面角不仅决定了蛋白质的整体折叠,而且还决定了局部链结构的细节。虽然在不同的数据库中可以获得丰富的结构信息,并且已经开发了许多结构生物学软件,但是快速的构象表征仍然具有挑战性。我们在这里提出RamaDA,一个程序能够给出一个蛋白质的构象的合成描述。RamaDA程序基于Ramachadran图被分解为七个构象域的模型。在该模型的框架内,给定蛋白质的每个氨基酸被分配到这些结构域之一。根据该分配,可以检测二级结构元件,其准确度与螺旋和延伸链的DSSP程序的准确度相当,并且具有检测PolyProline II二级结构的附加能力。此外,蛋白质的每个氨基酸的z分数的确定强调了元素中的任何不规则性。也可以使用这种分析来检测特征构象模式。在EF-手,钙结合螺旋-环-螺旋结构域的情况下,可以设计环的9个氨基酸的严格一致性。在整个PDB中可以找到523个具有这种模式的钙结合蛋白文件,并且仅检测到2.7%的假阳性命中。RamaDA程序将几种工具集于一身,然后能够给出蛋白质结构的完整信息,包括环和无规卷曲区域。以EF-hands为例,发展了一种很有前途的结构生物学方法。RamaDA可在http://ramada.u-strasbg.fr免费下载和在线使用
2011-11-23 q-bio.BM q-bio.QM
Mobility Measurements Probe Conformational Changes in Membrane Proteins due to Tension
膜包埋蛋白质如离子通道的功能关键取决于它们的构象。我们演示了如何在不对称膜蛋白的构象变化可以推断出他们的扩散测量。这种蛋白质引起膜的局部变形,这引起对蛋白质的额外流体动力学阻力。使用膜张力来控制变形的大小,从而控制阻力,扩散率的测量可以用来推断-通过蛋白质的弹性模型-构象如何被张力改变。受最近实验结果的启发[Quemeneur等人,Proc. Natl. Acad. Sci. USA,111 5083(2014)],我们关注KvAP,一种电压门控钾通道。KvAP的构象被发现改变相当大,由于张力,与它的“墙”,在那里的蛋白质满足膜,经历显着的角应变。室温下的扭转刚度确定为26.8 kT。这对这些蛋白质在张力承载膜环境中的结构和功能都有影响。
2015-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
MoDyGAN: Combining Molecular Dynamics With GANs to Investigate Protein Conformational Space
University of New Mexico(新墨西哥大学)
本文提出 MoDyGAN 流程,通过将蛋白质三维结构可逆转换为二维矩阵并结合 MD 与 GAN,实现蛋白质构象空间的高效探索与合理新构象生成。
2025-07-18 cs.LG physics.bio-ph q-bio.BM
Neural spectroscopy of AlphaFold2 reveals encoded protein conformational landscapes
研究提出AlphaFold2的参数可直接分析,通过高斯卷积等方法揭示其产生物理结构化构象景观,经实验验证不同蛋白在扰动下的表现,表明其权重编码结构约束,此方法被称为神经光谱,为研究蛋白质结构提供新视角。
2026-07-20 cs.LG q-bio.BM
BEER: Biochemical Estimator and Explorer of Residues -- A Comprehensive Software Suite for Protein Sequence Analysis
BEER是一个跨平台蛋白质序列分析软件套件,通过图形界面接受多种输入并即时计算理化指标,提供交互式可视化,支持多链比较,能在1秒内分析1万残基序列。
2025-04-29 q-bio.BM