Mechanisms of DNA-mediated allostery
本研究开发了DNA/蛋白质相互作用的力学模型，预测了三种DNA介导的别构机制（焓介导与熵驱动），并通过分析实验特征以识别最符合数据的机制。
2024-01-10 cond-mat.stat-mech 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
On the emergence of single versus multi-state allostery
已经提出了几种物理机制来解释蛋白质的变构。它们的不同之处在于它们假设蛋白质占据的内部状态的数量，留下了一个悬而未决的问题，即是什么控制了这些不同的变构物理形式的出现。在这里，我们分析了一系列物理和进化约束下的蛋白质变构的简化模型。我们发现，两个原型机制可以通过进化出现：一个单态机制，其中配体结合诱导沿软正常模式或多状态机制，其中配体结合诱导跨越能量障碍的开关到一个不同的稳定状态的位移。重要的是，只要这两种机制是可能的，多状态机制赋予更强的变构效应，从而具有选择性优势。这项工作定义了对单一或多状态变构的基本约束，并为其进化起源的物理理论奠定了基础。
2021-11-17 q-bio.BM q-bio.PE
On the emergence of orientational order in folded proteins with implications for allostery
单结构域和多结构域蛋白质的美丽结构以某种方式清晰有序，但无法使用成功用于描述周期晶体的群论方法进行分类。由于这个原因，蛋白质结构被认为是非周期性的，并且可能出于功能目的而以这种方式进化，特别是在需要在同一分子内结合柔软性和刚性的情况下。通过分析解决的蛋白质结构，我们表明，取向对称性被打破的非周期性排列的二级结构元素（SSE），我们推导出通过计算的序参量，$P_{2}$。我们发现折叠结构是向列型液滴，具有广泛的$P_{2}$分布。我们认为，非零值的$P_{2}$，导致安排的SSE，可以抵抗机械力，这是一个要求变构蛋白。这种蛋白质在某些区域抵抗机械力，而在其他区域是柔性的，响应于配体（氧、ATP或其他小分子）的结合，将信号从蛋白质的一个区域传递到另一个区域（超距作用）。
2021-02-27 cond-mat.soft q-bio.BM
Prediction of protein allosteric signalling pathways and functional residues through paths of optimised propensity
变构作用通常是指通过分子在与正构位点不同的（通常是远端的）位点处的结合来调节蛋白质活性的机制。变构调节在自然界中的普遍存在及其在药物设计和筛选方面的潜力使得变构研究具有不可估量的价值。然而，挑战仍然存在，因为很少有计算方法可用于有效地预测变构位点，识别变构中涉及的信号传导途径，或帮助设计靶向这些位点的合适分子。最近，键到键的倾向分析已被证明成功地识别变构网站的一个大的和不同的组的蛋白质的正构位点和它的配体的知识单独使用网络分析应用于能量加权的原子蛋白质图。为了解决信号通路的识别，我们在这里提出了一种方法来计算和评分路径的优化倾向，连接的正构位点与识别的变构位点，并确定关键的残基，有助于这些路径。我们展示了三种研究充分的变构蛋白的方法：h-Ras，caspase-1和3-磷酸肌醇依赖性激酶-1（PDK1）。确定了正构和变构位点中的关键残基，并与实验结果一致，还揭示了该途径中的关键信号残基，从而为药物设计提供了替代靶点。通过使用计算的路径分数，我们也能够区分不同的变构调节剂的活性。
2022-07-14 q-bio.BM
Allostery and cooperativity in multimeric proteins: bond-to-bond propensities in ATCase
天冬氨酸氨甲酰转移酶（ATCase）是一种具有六个活性位点的大的十二聚体酶，其表现出变构性：其催化速率通过在活性位点的远端点处结合各种底物来调节。最近开发的一种方法，键到键的倾向分析，已被证明能够预测变构网站在广泛的蛋白质中使用的能量加权原子图从蛋白质的结构和给定的知识，只有活性位点的位置。如果给定键处的能量波动对蛋白质中的任何其他键具有显著影响，则通过考虑它们在蛋白质图中的传播，确定键到键倾向。在这项工作中，我们使用键到键的倾向分析，研究不同方面的ATCase活动使用三种不同的蛋白质结构和来源的波动。首先，我们通过分析变构底物结合作为蛋白质图中能量扰动的来源，预测参与ATCase非活性（T）和活性（R）状态之间过渡的关键残基和键。我们的计算结果还表明，多变构结合的效果是非线性的：切换效果后，观察到特定数量和安排的基板是绑定建议的远程通信的形式之间的远程排列的变构网站。第二，协同性是探索通过考虑作为在活性位点的能量波动的来源的双底物类似物，也导致识别的T-R过渡，提高跨活性位点的协同性的高度显着的残基。最后，非活性（T）结构显示出在变构位点和催化亚基之间的界面之间，而不是活性位点之间，表现出强的非线性通信。
2019-09-27 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Symmetry, Rigidity, and Allosteric Signaling: From Monomeric Proteins to Molecular Machines
生物分子中的变构信号传导在生物学中是普遍存在的，其可以被视为由于配体结合或环境线索变化的局部扰动而在一定距离处的特异性超距作用。现象学MWC和KNF模型激发了五十多年的研究，这些模型仍然是描述一系列系统中变构的基础。然而，理解变构信号和不同变构状态之间的相关动力学是具有挑战性的。在这篇综述中，我们首先描述了对称性和刚性的变构蛋白质的基本要求。一般的功能，MWC和KNF作为两个极端的情况下，出现变构信号从能源景观的角度来看。为了超越一般理论，我们描述了计算工具来预测携带变构信号的残基网络。方法，以获得分子的见解变构转换的动力学简要提及。该方法的效用说明了从单体蛋白质的多亚基蛋白质的系统的应用程序。最后，作用变构在ATP消耗的分子机器，细菌伴侣GroEL和分子马达的功能，进行了描述。虽然不存在控制变构信号的普遍分子原理，但我们可以得出以下一般性结论。(1)连接变构状态的多种途径是高度异质的。(2)变构信号对系统的结构非常敏感，这意味着变构的能力编码在结构本身中。(3)连接不同变构状态的机械模式对序列变化是稳健的。(4)对血红蛋白和最近GroEL中变构的广泛研究表明，盐桥重排网络充当变构开关。
2018-12-12 cond-mat.soft q-bio.BM
Real-time observation of ligand-induced allosteric transitions in a PDZ domain
虽然变构对于蛋白质调节是至关重要的，但是在一个位点处配体结合（不结合）的潜在动力学过程、导致蛋白质结构的时间演变以及在远程位点处结合亲和力的变化还没有被很好地理解。在这里，配体诱导的构象转变，在一个广泛研究的模型系统的变构，PDZ 2域，进行了研究瞬态红外光谱伴随分子动力学模拟。为此，偶氮苯衍生的光开关以其对PDZ 2结构域的结合亲和力在切换时改变的方式连接至肽配体，从而引发PDZ 2结构域蛋白中的变构转变。蛋白质的随后响应，覆盖从$\sim$ 1~ns到$\sim$ 10~ $μ$ s的40年时间，可以通过重塑其崎岖的自由能景观来合理化，在少数结构明确定义的状态的群体中具有非常微妙的变化。有人提出，结构和动态驱动的变构，通常被讨论为变构通信的限制方案，实际上是齐头并进的，允许蛋白质适应其自由能景观传入信号。
2020-12-18 physics.bio-ph q-bio.BM
Signaling Networks and Dynamics of Allosteric Transitions in Bacterial Chaperonin GroEL: Implications for Iterative Annealing of Misfolded Proteins
在许多生物复合物中，分子水平上的信号传递通过变构转换发生。它们描述了复合物对在空间上与结合区域良好分离的位点处的配体结合的响应。我们描述的结构微扰法（SPM），声子在固体中的传播的基础上，可用于确定信号传输变构布线图（AWD）在大型但有限大小的生物复合物。细菌伴侣蛋白GroEL-GroES复合物的应用表明，从结构确定的AWD也动态地驱动变构转换。从结构和动力学的角度来看，这些转变在很大程度上取决于盐桥的形成和破裂。GroEL中变构的分子描述提供了对其功能的深入了解，其功能由迭代退火机制定量描述。值得注意的是，在这个复杂的分子机器中，在GroEL经历一系列变构转变的结构、反应周期和以自洽方式发挥功能之间建立了深刻的联系。
2018-01-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Space Layout of Low-entropy Hydration Shells Guides Protein Binding
蛋白质与蛋白质的结合使得生物能够有序而合法地自我组织，因此被认为是自然界的奇迹。蛋白质-蛋白质结合由静电力、氢键、范德华力和疏水相互作用控制。在这些物理力中，只有疏水相互作用可以被认为是细胞内外液中蛋白质之间的长程分子间吸引力。低熵区的水化壳周围的蛋白质驱动它们之间的疏水吸引力，基本上协调蛋白质-蛋白质对接在相互取向的旋转-构象空间中的结合的指导阶段。在这里，开发了一种创新的方法来识别给定蛋白质的水化壳的低熵区域，我们发现，蛋白质上的水化壳的最大的低熵区域通常覆盖结合位点。根据对确定的蛋白质复合物结构的分析，蛋白质的最大低熵水化壳区域与其配偶体在结合位点的最大低熵水化壳区域之间的形状匹配被揭示为规律性模式。因此，蛋白质-蛋白质结合被发现主要是由形状匹配的低熵水化壳之间的疏水性塌缩引导的，这通过对数百种蛋白质复合物结构的生物信息学分析来验证。提出了一种简单的精确预测蛋白质结合位点的算法。
2022-02-22 q-bio.BM
The Protein Family Classification in Protein Databases via Entropy Measures
在目前的工作中，我们回顾了在过去几年中开发的基本方法，用于将蛋白质数据库中的氨基酸分布分类为家族和氏族。这是通过随机变量的函数，氨基酸出现概率的熵度量来完成的。一个深入的研究Pfam数据库的限制，可以表示由矩形阵列的氨基酸与m行（蛋白质结构域）和n列（氨基酸）的家庭。这项工作也邀请世界各地的科学研究小组进行不同行数和列数的统计分析，因为我们相信氨基酸分布的数学表征是确定蛋白质结构和进化的基本见解。
2018-06-12 q-bio.BM
Vibrational entropy and the structural organization of proteins
在本文中，我们分析了一个大的非同源蛋白质结构系综的振动光谱的一种新的工具，我们硬币的层次网络模型（HNM）。我们的粗粒度的计划占蛋白质排列所显示的力常数的内在异质性，也包括侧链自由度。我们的分析表明，每单位残基的振动熵与二级结构的内容。此外，我们评估的振动熵的新功能，我们的计划相比，国家的最先进的网络模型的预测的个人贡献。这种分析强调了正确解释建立和稳定蛋白质支架的不同原子键的典型力强度的内在层次结构的重要性。最后，我们讨论了可能的影响，我们的研究结果的背景下，蛋白质聚集现象。
2009-02-11 q-bio.BM
The allosteric lever: towards a principle of specific allosteric response
针对变构作用缺乏统一定量原理的问题，本文基于弹性网络模型提出“变构杠杆”模式耦合机制，解释特异性、非线性和非互易的远端响应，并用于预测蛋白质已知变构位点。
2025-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
The onset of molecule-spanning dynamics in a multi-domain protein
本研究结合单分子荧光、准弹性中子散射与全原子MD模拟，发现多结构域蛋白中100纳秒尺度的跨分子动力学先于别构变化，且辅伴侣蛋白Sba1可调控该动力学，揭示其为蛋白质别构与大构象变化的分子基础。
2022-03-17 physics.bio-ph q-bio.BM
Entropy Transfer Throughout the Structure of PDZ-2 and TIM-Barrel Proteins. A Dynamic Gaussian Network Model Study
本研究通过动态高斯网络模型揭示PDZ-2和TIM-Barrel蛋白质中熵和信息的传递机制，发现其存在功能层级结构。
2025-11-20 q-bio.BM
Mapping energy transport networks in proteins
几十年来，蛋白质对分子内发生的化学反应或脉冲激发的反应一直吸引着化学家。近年来，超快X射线研究提供了关于配体光解后蛋白质结构变化演变的更详细信息，以及时间分辨IR和拉曼技术，例如，已经提供了肽和蛋白质中能量传输的性质和速率的详细图片，包括最近在识别通过几种血红素蛋白的单个氨基酸的传输方面的进展。定位蛋白质中能量传输途径的计算工具也在不断发展。一段时间以来，蛋白质中的能量传递途径已经通过分子动力学（MD）模拟来确定，并且最近的努力集中在粗粒化方法的开发上，其中一些已经利用了与其他分子材料中的热传递的类比。随着蛋白质和蛋白质复合物中途径的识别，网络分析已被应用于定位控制蛋白质动力学和可能的变构的残基，其中一个结合位点的化学反应介导蛋白质远距离位点的反应。在这一章中，我们将回顾在蛋白质中定位计算能量传输网络的方法。我们目前的背景到凝聚相和大分子的能量和热输运的基础上，我们讨论的方法，然后再转向方法本身的描述。我们还举例说明了计算方法在定位能量传输网络和模拟蛋白质能量动力学中的应用。
2018-05-09 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Surveying the side-chain network approach to protein structure and dynamics: The SARS-CoV-2 spike protein as an illustrative case
基于网络理论的方法提供了有价值的见解的变化，在全球结构之间的连接不同的动态状态的蛋白质。我们的目标是审查基于网络的分析，以阐明这种变化，特别是在微妙的构象变化的背景下。我们提出了蛋白质结构网络的构建和分析的技术细节，包括非共价连接和动力学。我们研究的基础上的物理概念的渗流连接的最佳标准的选择。我们强调使用侧链的网络指标相比骨干测量的优势。作为一个说明性的例子，我们应用所描述的网络方法来调查全球的SARS-CoV-2刺突蛋白的封闭和部分开放状态之间的构象变化。刺突蛋白的这种构象变化对于冠状病毒进入和融合到人类细胞中至关重要。我们的分析揭示了全球的刺突蛋白的两个国家之间的结构重新定位，尽管在骨干水平的两个国家之间的变化很小。我们还观察到一些差异的战略位置的结构，与他们的功能，断言侧链网络分析的优势。最后，我们提出了一个观点，变构作为一个微妙的协同全局变化之间的配体和受体，纳入将提高药物设计策略。
2020-10-31 cond-mat.other 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
The low-entropy hydration shell at the binding site of spike RBD determines the contagiousness of SARS-CoV-2 variants
SARS-CoV-2的感染性取决于刺突蛋白的受体结合结构域（RBD）与血管紧张素转换酶2（ACE 2）受体的结合亲和力。计算的RBD-ACE 2结合能表明，SARS-CoV-2变体的传输效率差异不能完全由静电相互作用、氢键相互作用、范德华相互作用、内能和非极性溶剂化能来解释。在这里，我们表明，低熵区域的水化壳蛋白质周围的驱动器之间的疏水吸引力的形状匹配的低熵区域的水化壳，这基本上是协调蛋白质-蛋白质结合在相互取向的旋转构型空间，并确定了结合亲和力。一种创新的方法被用来识别多种SARS-CoV-2变体和ACE 2的RBD的水化壳的低熵区域。我们观察到完整的低熵区域的水化壳覆盖的结合位点的RBD和匹配的形状的低熵区域的水化壳在结合位点的ACE 2。因此，发现RBD-ACE 2结合是由水化壳的形状匹配的低熵区域之间的疏水塌陷引导的。通过计算在结合位点内表现亲水性的亲水基团的数目，可以获得水合壳的低熵的量度。刺突蛋白结合位点的水化壳的低熵水平被发现是冠状病毒传染性的重要指标。
2022-04-27 q-bio.BM
Protein secondary structure: Entropy, correlations and prediction
蛋白质二级结构主要是由氨基酸骨架上紧密排列的残基之间的局部相互作用决定的，还是由非局部的三级相互作用决定的？为了回答这个问题，我们测量了一级结构和二级结构序列的熵密度，以及局部序列间互信息密度。我们发现重要的序列间相互作用是短程的，相邻的氨基酸之间的相关性基本上是无信息的，并且只有1/4的总信息需要确定二级结构是可从本地序列间的相关性。由于其余的信息必须来自非局部相互作用，这一观察结果支持了大多数蛋白质折叠通过二级和三级结构同时形成的合作过程的观点。为了提供一个更直接的比较，现有的二级结构预测方法，我们构建了一个简单的隐马尔可夫模型（HMM）的序列。该模型的预测精度可与其他单序列二级结构预测算法相媲美，并且可以提取几乎所有的序列间互信息。这表明这些算法几乎是最优的，我们不应该期望预测准确性的显着提高。然而，二级和一级结构之间的局部相关性在许多三级结构预测方法中可能具有未被充分认识的重要性，例如穿线。
2003-10-29 q-bio.BM
On the entropy of protein families
蛋白质是生命系统的重要组成部分，能够在分子水平上执行各种各样的任务，如识别，信号传导，复制，运输等。实现给定功能的蛋白质序列可能在生物体之间有很大差异，从而产生蛋白质家族。在这里，我们估计这些家庭的熵基于不同的方法，包括隐马尔可夫模型用于蛋白质数据库和推断的统计模型再现多序列比对的低阶（1-和2-点）统计。我们还计算了熵的代价，即作用于蛋白质的约束（如在特定位点上固定一个特定的氨基酸）导致的熵损失，并将此概念与HIV病毒的逃逸概率联系起来。晶格蛋白质的情况下，熵可以精确计算，使我们能够提供另一个说明的概念的成本，由于不同的折叠的竞争。的相关性的熵在定向进化实验中强调。
2015-12-26 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Multiscale persistent functions for biomolecular structure characterization
在本文中，我们介绍了多尺度持久功能的生物分子结构表征。其基本思想是将我们的多尺度刚性函数与持久同调分析相结合，从而构造一系列多尺度持久函数，特别是多尺度持久熵，用于结构表征。为了阐明我们的方法的基本思想，多尺度持续熵模型进行了详细的讨论。在数学上，与以前的持久熵或拓扑熵不同，我们的模型中包含了一个特殊的分辨率参数。可以通过调整其值来实现各种尺度。物理上，我们的多尺度持续熵可以用于构象熵的评估。更具体地说，它被发现，我们的方法在它的自然分类方案。这是通过从键和/或二面角分布建立的多尺度刚性函数的密度过滤来实现的。为了进一步验证该模型的有效性，本文将其与传统的熵值评价模型进行了系统的比较。结果发现，我们的模型是能够保存的内在拓扑结构的生物分子数据的功能比传统的方法，特别是在中间范围内的分辨率。此外，我们的方法可以成功地用于蛋白质分类。对于大约900个蛋白质的测试数据库，仅使用二面角和伪键角信息就可以实现全α和全β蛋白质之间的清晰分离。最后，首次提出了一种特殊的蛋白质结构指数（PSI）来描述蛋白质结构的“规律性”。从本质上讲，PSI可以用来描述任何系统中的“规律性”信息。
2016-12-26 q-bio.BM
Importance of chirality and reduced flexibility of protein side chains: A study with square and tetrahedral lattice models
在简单的模型中，侧链通常被隐含地表示（例如，通过自旋状态）或简化为一个原子。我们使用正方形晶格和四面体晶格模型研究侧链效应，明确的侧链的两个原子。由于蛋白质中的残基是L-残基，并且它们的侧链采用不同的旋转异构体状态，因此我们区分了由于手性和由于侧链灵活性的影响。对短链进行了详尽的列举。对于长链，我们有效地采样罕见的事件（例如，紧凑的构象），并获得完整的图片，这些模型在所有的紧凑区域的系综性质。我们发现，手性和减少侧链的灵活性降低的折叠熵显着降低全局紧凑的构象，这表明它们是重要的属性，以确保快速折叠和稳定的天然结构的残基。这很好地符合我们的发现，即天然氨基酸残基具有降低的有效柔性，如通过旋转异构体文库和侧链可旋转键的分析所证明的。我们进一步发展了一种方法，计算精确的侧链熵为一个给定的骨干结构。我们发现，简单的旋转异构体计数往往低估侧链熵显着，侧链熵并不总是与主链包装。在具有最大侧链熵的紧凑主链中，螺旋结构成为主要构型。我们的研究结果表明，侧链熵可能是一个重要的因素，有助于形成α螺旋的紧凑构象。
2004-04-10 q-bio.BM
Native state of natural proteins optimises local entropy
多肽构象作为蛋白质的天然状态的不同能力长期以来一直被合理化，在不同的动力学可及性或热力学稳定性。最近引入的无序系统，特别是人工神经网络的研究中的物理概念和采样算法的成功应用的基础上，我们定量地探讨如何以及被称为本地熵的数量描述模型蛋白质的原生状态。在蛋白质的晶格模型和全原子表示中，我们能够有效地对高局部熵状态进行采样，并提供增强稳定性和折叠速率的概念证明。我们的方法是基于简单和一般的统计力学参数，因此，我们希望他们是非常普遍的使用。
2021-11-25 cond-mat.dis-nn q-bio.BM
Configurational Entropy of Folded Proteins and its Importance for Intrinsically Disordered Proteins
许多成对加性力场在内在无序蛋白（IDP）和区域（IDR）中被积极使用，其中一些修改能量项以改善IDP/IDR的描述，但在很大程度上与无序状态的溶液实验不一致。我们已经评估了代表性的成对和多体蛋白质和水力场对实验数据的代表性的IDP和IDR，肽，经历了无序到有序的过渡，并为7个球状蛋白质的大小范围从130-266氨基酸。我们发现，力场与最大的统计波动的回转半径和通用的林德曼值折叠状态的一致，同时更好地描述IDP和IDR和无序到有序的过渡。因此，力场应该表现出的关键是很好地描述IDR/IDP不仅仅是蛋白质和水的能量之间的平衡，但能量效应和球状蛋白质折叠态的构型熵之间的平衡。
2020-11-12 physics.bio-ph q-bio.BM
Understanding Protein-Complex Assembly through Grand Canonical Maximum Entropy Modeling
在细胞内，异型蛋白质在不均匀的拥挤系统中组装，这些蛋白质的丰度随细胞类型而变化。虽然一些蛋白质复合物形成了可以用成像可视化的推定结构，但还有更多的蛋白质复合物由于它们彼此之间的动态关联而尚未解决。然而，可以通过物理模型推断这些蛋白质复合物。然而，物理学家通常不清楚什么样的生物学数据对于这样的建模工作是必要的。在这里，我们的目标是模拟这些集群的粗粒度的蛋白质组装从多个亚基通过限制的亚基之间的相互作用和每个亚基的化学势。我们从已知的蛋白质结构中得到了亚基间相互作用的约束条件。我们推断的化学势，决定每个蛋白质亚基的粒子数分布，从实验数据的蛋白质丰度的知识。在最大熵原理的指导下，我们制定了一个逆统计力学方法来推断粒子数的分布，从蛋白质丰度的数据作为巨正则多组分混合物的化学势。利用巨正则蒙特卡罗模拟，我们捕获了一个蛋白质复合物的琥珀酸脱氢酶（SDH）与四个已知的亚基的高阶集群的分布。分层聚类的复杂性随着不同细胞类型（如肺、心脏和脑）中每个亚基的相对蛋白质丰度而变化。当拥挤的内容增加，我们观察到，拥挤稳定紧急集群不存在于稀释条件。因此，我们提出了一个可验证的假设，即蛋白质簇在分子尺度上的层次复杂性是预测细胞表型的合理生物标志物。
2021-09-07 q-bio.BM q-bio.MN
Detection of residual native state entropy changes upon mutation in Fyn SH3
University of Cambridge（剑桥大学）；University of Copenhagen（哥本哈根大学）；National Institutes of Health（美国国立卫生研究院）；University of Toronto（多伦多大学）；McGill University（麦吉尔大学）
通过NMR松弛实验和分子动力学模拟，研究Fyn SH3域中F20位点突变对本态动态和熵变的影响，揭示突变对蛋白质稳定性的影响。
2026-05-15 q-bio.BM
Configurational entropy, transition rates, and optimal interactions for rapid folding in coarse-grained model proteins
在一定条件下，溶剂化蛋白质的粗粒度模型的动力学可以使用马尔可夫状态模型来描述，该模型跟踪构型群体的演化。马尔可夫模型中出现的状态之间的转移率可以通过计算状态的相对熵和它们的平均首次通过时间来确定。本文提出了一种自适应方法来计算具有不连续势的线性链模型的构型熵和平均首次通过时间。该方法是基于事件驱动的动态采样的大规模并行架构。使用的事实是，过渡率矩阵可以计算任何选择的相互作用能在任何温度下，它演示了如何每个状态的能量可以被选择，使任何两个状态之间的平均时间过渡到最小化。用该方法分析了两个蛋白质系统的折叠过程优化：crambin蛋白质和一个具有挫折和错误折叠的模型。结果表明，这两个系统的折叠途径是由两个制度：首先，快速建立本地债券，随后形成更远的接触。导致最快速折叠的状态能量鼓励多个途径，并且通过提高捕获状态的能量来惩罚通过动力学陷阱的折叠途径，或者通过降低自由能势垒来建立从捕获状态的逃逸路线，以快速到达天然状态。
2022-09-23 cond-mat.soft q-bio.BM
Entropically Dominant State of Proteins
构象熵是许多大分子识别和结合过程中自由能变化的重要因素，已被广泛研究。尽管已经取得了很大的进展，全球抽样仍然是一个巨大的挑战，在相关过程的计算分析。在这里，我们提出并证明了一个熵估计方法，是基于物理分区的配置空间，可以很容易地与目前可用的方法相结合。两个球状蛋白质的测试表明，对于具有大而复杂的构型空间的柔性大分子，可以通过简单地考虑熵最重要的子空间来实现精确的构型熵估计。该结论有效地将穷举采样问题转化为局部采样问题，并定义了蛋白质等复杂大分子的熵优势态。这一概念上的突破可能会对未来的理论分析、计算算法开发和各种化学和生物分子系统的实验设计产生积极影响。
2012-12-03 physics.bio-ph q-bio.BM
Conformational Entropy as Collective Variable for Proteins
许多强化抽样方法，如伞式抽样、元统计学或变异强化抽样，都依赖于确定适当的集体变量。对于蛋白质，即使是很小的蛋白质，找到合适的集体变量也是一个挑战。在这里，我们建议，NMR $S^2$序参量可以用于这种效果。我们将这一说法的有效性追溯到$S^2$和熵之间的建议关系。使用$S^2$序参量和蛋白质焓的替代品结合Metadhesics或变分增强采样，我们能够可逆地折叠和展开一个小的蛋白质，并在一小部分的时间，是在无偏模拟所需的自由能。从更概念化的观点来看，这意味着将折叠描述为熵和焓之间的权衡结果。我们还使用$S^2$结合自由能洪水方法来计算该肽的去折叠速率。我们在不同温度下重复此计算以获得去折叠活化能。
2017-04-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Protein-protein interactions enhance the thermal resilience of SpyRing enzymes: a molecular dynamic simulation study
近年来，一种基于从化脓性链球菌中提取的粘附蛋白之间相互作用的技术（SpyRing）被广泛应用于提高酶的热弹性、生物结构的组装、癌细胞识别等领域。在SpyRing中，靶酶的两个末端分别连接到肽SpyTag及其蛋白伴侣SpyCatcher。SpyTag与SpyCatcher自发反应形成异肽键，目标酶与之形成闭环结构。据认为，SpyRing引起的蛋白质骨架的共价环化降低了生物结构的构象熵，提高了其刚性，从而提高了目标酶的热弹性。然而，SpyTag/ SpyCatcher与该酶相互作用的影响知之甚少，其对酶性质的调节仍不清楚。为简单起见，本文以枯草芽孢杆菌168的单结构域地衣多糖酶为例，通过分子动力学模拟研究了SpyRing体系中的界面相互作用，考察了静电相互作用和范德华相互作用的变化对目标酶热弹性的影响。模拟结果表明，SpyTag/SpyCatcher与地衣多糖酶之间的界面与几何匹配法所发现的界面不同，并强调了影响界面相互作用强度的关键突变，可能对酶的热弹性产生影响。我们的计算为SpyRing的合理设计提供了新的见解。
2021-07-28 q-bio.BM
Structure of the space of folding protein sequences defined by large language models
本研究利用基于Transformer的结构预测工具和统计力学算法，发现天然蛋白质序列位于能量景观中宽而平坦的极小值区域，并证明高熵极小值区域与天然序列在关键位点和稳定性上高度相似，为序列空间探索提供了新方法。
2023-11-10 q-bio.BM q-bio.PE
Numerical estimation of entropy loss on dimerization: improved prediction of the quaternary structure of the GCN4 leucine zipper
基于晶格的蛋白质模型被用来研究GCN 4亮氨酸拉链的二聚平衡。电子交换蒙特卡罗用于确定作为温度的函数的单体和二聚体形式的自由能。然后引入重合的方法来明确地计算与二聚相关的熵损失，并从它的单体和二聚体之间的自由能差，以及相应的平衡反应常数。我们发现，二聚化的熵损失是一个强大的功能的能量（或温度），它是远远大于以前估计，特别是对于高能量状态。结果证实，有可能在所用蛋白质的还原表示内研究GCN 4在生理浓度下的二聚化平衡。
2002-04-01 physics.bio-ph q-bio.BM
Entropy-Enthalpy Compensation May Be a Useful Interpretation Tool for Complex Systems Like Protein-DNA Complexes: An Appeal to Experimentalists
在各种化学体系中，熵-熵补偿（EEC）是一个众所周知的行为规则，尽管它的物理根源仍然没有完全理解。人们经常质疑EEC是一种真正的物理现象，还是由于物理力学参数之间的琐碎数学联系而产生的巧合-或者更简单：由于对实验数据的误解而产生的幻影效应。在这里，我们回顾EEC从一个新的角度使用相关的概念，这是必不可少的因素分析的方法，但不是传统的物理和化学。我们的结论是，EEC可能是合理的隐藏（不能直接测量的帮助下，目前的实验设置），但物理上真实的因素，这意味着一个卡诺循环模型中的微相变（MPT）起着至关重要的作用。物理上有效的EEC的这种MPT的实例通常应该是超分子聚集体中的协同过程，如疏水表面的结构化水的变化、配体-生物聚合物结合时的构象转变等。MPT的概念可以帮助合理化EEC的发生与蛋白质的水合和折叠，酶促反应，分子马达的功能，DNA去杂交和再杂交，以及类似的现象。
2012-02-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Balance of enthalpy and entropy in depletion forces
添加到溶液中的溶质通常会显著影响从胶体的悬浮或沉淀到生物分子缔合和蛋白质折叠的分子过程。在这里，我们重新审视了有效的吸引力的相互作用，出现在大分子之间和浸泡在溶液中的大分子内的起源，其中含有的溶质，优先排除从大分子界面。直到最近，这些消耗力被认为是熵的性质，主要是由于增加共溶质可用空间的趋势。然而，最近的实验证据表明存在额外的，能量主导的机制。在这次审查中，我们遵循这些不同的机制的新特点。通过编译一组可用的热力学数据的过程范围从蛋白质折叠蛋白质-蛋白质相互作用，我们表明，排除的共溶质可以通过两个不同的机制，在很大程度上与他们的分子特性。对于许多聚合物在低到中等浓度的空间相互作用和分子拥挤效应占主导地位，和机制是熵。相反，对于许多小的被排除的溶质，如天然存在的渗透剂，该机制是由有利的焓，而熵的贡献通常是不利的。我们回顾了这些热力学机制的可用模型，并评论需要新的模型，将能够解释所观察到的耗尽力的全部范围。
2013-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Density Functional Theory for Protein Transfer Free Energy
我们投下的密度泛函理论（DFT）的形式主义内的蛋白质转移自由能的问题，治疗的蛋白质作为一个来源的外部潜力，作用于溶剂。排除溶剂的体积，溶剂可及的表面积，和温度依赖性的转移自由能都自然出现在这种形式主义，并可以与简化的“背面的信封”模型，这也是在这里开发。对于典型的蛋白质长度，消耗对渗透压调节剂诱导的稳定性的贡献范围为5- $10\kB T$。一般的DFT传输理论，这里开发的可以被简化，重现朗缪尔等温凝聚机制的蛋白质表面上的限制，短程相互作用，和稀溶质。将状态方程扩展到更高的溶质密度导致自由能驱动蛋白质或聚合物塌缩的非单调行为。假设蛋白质的简单骨架/侧链2-珠模型与渗压剂的有效电势为6-12，得到蛋白质主链或侧链与TMAO之间的有效相互作用电势。转移自由能$δg$显示出显著的熵：对于100个残基的蛋白质，为$d(δg)/dT \approx 20 \kB$。DFT的应用，有效溶剂力用于隐式溶剂分子动力学也开发。隐式溶剂力的最简单的DFT表达式包含耗尽相互作用和较大距离处的“阻碍溶剂化”排斥力。
2013-10-03 cond-mat.soft physics.chem-ph q-bio.BM
Entropy facilitated active transport
我们展示了如何主动运输的离子可以被解释为一个熵促进的过程。在这种解释中，基质通过其运输的孔几何形状可以产生驱动力。这给出了几何形状和所需吉布斯能变化之间的直接联系。量化的大小，这种效果的几种蛋白质，我们发现，从孔的几何形状的熵贡献是显着的，我们讨论了如何可以用来解释的影响，在结合位点的亲和力的变化。
2017-01-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Quantitative Protein Dynamics from Dominant Folding Pathways
我们发展了一个理论方法的基础上的蛋白质折叠问题的平衡随机动力学。在这个框架内，计算困难的存在大的时间尺度差距的蛋白质折叠问题被删除，并模拟整个反应的原子细节，使用现有的计算机变得可行。此外，这种形式主义提供了一个自然的框架，以调查折叠的物理和动力学方面之间的关系。例如，可以证明，为了在朗之万扩散下有很大的概率保持不变，自然状态必须以小的构象熵为特征。我们讨论如何确定最可能的折叠途径，以确定代表过渡态的配置和计算最可能的过渡时间。我们执行这些想法的说明性应用，研究丙氨酸二肽的构象演变，在一个全原子模型的基础上的经验GROMOS 96力场。
2007-01-18 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.QM
Impact of vibrational entropy on the stability of unsolvated peptide helices with increasing length
螺旋是蛋白质结构中的关键折叠基序。对于给定的多肽或蛋白质，哪些因素决定螺旋稳定性的问题是一个持续的挑战。在这里，我们使用范德华修正的密度泛函理论，以解决这个问题的一部分，在自下而上的方法。我们展示了如何内在的螺旋结构是稳定的长度和温度为一系列的实验研究良好的非溶剂化丙氨酸为基础的多肽，Ac-Alan-LysH+。通过广泛探索这些分子的构象空间，我们发现，螺旋出现的长度范围n=4-8的首选结构，不仅由于双因素（氢键和他们的协同性，范德华色散相互作用，静电），但重要的是，也通过在室温下竞争构象的振动熵稳定。稳定是由于软的低频振动模式的螺旋构象比在更紧凑的。这一观察结果得到证实，包括明确通过\emph{ab initio}分子动力学的非谐效应，并通过测试不同的终端和考虑较大的螺旋肽模型推广。
2012-08-30 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Binding kinetics of membrane-anchored receptors and ligands: molecular dynamics simulations and theory
生物膜的粘附是由膜锚定受体和配体蛋白的结合介导的。中心问题是这些蛋白质的结合动力学如何受到膜和蛋白质的膜锚定的影响。在这篇文章中，我们（i）提出了详细的数据结合膜锚定蛋白质从粗粒度的分子动力学模拟，和（ii）提供了一个理论，描述了如何结合动力学依赖于平均分离和热粗糙度的粘附膜，锚定，长度和长度变化的蛋白质。我们的理论的一个重要因素是结合受体-配体复合物和过渡态复合物相对于膜法线的倾斜。这种倾斜是由复合物的锚定能和旋转熵的相互作用引起的，并且有助于在小于用于结合的优选分离的膜分离处形成受体-配体键。在我们的模拟中，我们考虑了脂质锚定和跨膜受体和配体蛋白。我们发现，脂质锚定蛋白的结合平衡常数和结合速率常数是相当小的刚性跨膜蛋白具有相同的结合域的结合常数和结合速率常数。
2015-11-24 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
