Volume Determination of Globular Proteins by Molecular Dynamics
肌红蛋白和天冬氨酸转氨酶的分子动力学模拟，明确的溶剂，准确地再现实验测得的摩尔体积。已知天冬氨酸氨基转移酶VAL39处的单个氨基酸取代会在酶中产生大的体积变化，并且这种效应也在模拟中得到证实。这种分子动力学的方法，而更昂贵的计算，现存的计算方法确定的表观体积的生物系统，是非常可行的与现代计算机硬件，并显示出产生准确的体积数据与少至几纳秒的动态。
2014-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Globular bundles and entangled network of proteins (CorA) by a coarse-grained Monte Carlo simulation
使用一个粗粒度的模型，自组织组装的蛋白质（如CorA和它的内段iCorA）进行了研究，通过检查数量，如接触剖面，回转半径，和结构因子作为蛋白质浓度的函数在一个范围内的低（天然相）到高（变性相）的温度。目视检查显示不同的结构，即在稀释至拥挤的蛋白质浓度下，在多个长度尺度上孤立的球状束至缠结网络。在天然相中，蛋白质的回转半径随蛋白质浓度变化不大，而其内段的回转半径则系统地增大。相反，蛋白质的回转半径显示出巨大的增长与浓度由于缠结，而内段几乎保持不变，在变性相。集体组装的多尺度形态通过从结构因子的缩放估计蛋白质的有效尺寸D来量化：来自内部节段的集体组装保持球形（D约3）而蛋白质链在整个温度范围内由于缠结的存在，除了在低温拥挤环境中，蛋白质链在几乎所有的长度尺度上都呈现稀疏分布的形态，D约为2其中D约为2.6。由于在其天然相中的选择性相互作用，仅具有内部片段的链的更高的形态响应可能比蛋白质链的其余片段更有利于自组织机制。
2019-04-09 physics.bio-ph q-bio.BM
Organization of the bacterial nucleoid by DNA-bridging proteins and globular crowders
本研究通过粗粒化模型和布朗动力学模拟，揭示了DNA桥联蛋白与球状拥挤剂协同压缩细菌拟核，且蛋白自缔合能力决定拟核呈液态或凝胶态。
2023-11-10 physics.bio-ph
Weak self-interactions of globular proteins studied by small-angle X-ray scattering and structure-based modeling
我们通过小角X射线散射（SAXS）和理论模型研究了溶液中蛋白质-蛋白质相互作用。牛胰胰蛋白酶抑制剂（BPTI），肌红蛋白（Mb），和肠脂肪酸结合蛋白（IFABP）的解决方案的结构因子，确定从SAXS测量在多个浓度，从蒙特卡罗模拟与粗粒度的结构为基础的相互作用模型，并从两个理想化的胶体相互作用模型的解析近似解没有可调参数。通过结合这些方法，我们发现，结构因子基本上是由硬核和屏蔽静电相互作用。其他软短程相互作用（范德华力和溶剂化相关）要么是单独无关紧要的，要么倾向于抵消。结构因子也不受电荷波动的显著影响。对于Mb和IFABP，具有小的净电荷和相对对称的电荷分布，结构因子很好地描述了硬球模型。对于BPTI，具有较大的净电荷，屏蔽静电排斥也是重要的，但电荷分布的不对称性降低了具有相同净电荷的带电硬球模型预测的排斥。这种电荷不对称性也可能放大形状不对称性对蛋白质-蛋白质平均力势的影响。
2014-08-28 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Universality of Vibrational Spectra of Globular Proteins
结果表明，球状蛋白质的振动光谱的模式密度是普遍的，即，无论所讨论的蛋白质是什么，它都紧密地遵循一条通用曲线。本研究，包括135蛋白质分析与全原子经验势（CHARMM 22），并使用所有原子的笛卡尔自由度的完整补充，远远超出了以前的普遍性要求，确认普遍性即使在高频范围内也成立（300- 4000 1/cm），其中态密度的峰和转折从一个蛋白质到下一个蛋白质忠实地再现。我们还表征了平均光谱密度的波动，为罕见的，不寻常的光谱和这种“离群”蛋白质的偏差的结构原因进行有意义的讨论铺平了道路。由于用于推导振动模式的方法（势能公式、所采用的自由度集等）不适用于计算振动模式。的谱密度有显着的影响，我们的研究结果的另一个重要意义是，普遍性可以提供一个精致的工具，用于评估和提高用于NMA计算的各种模型的质量。最后，我们表明，输入配置也会影响模式的密度，从而强调简化的势能制剂，在一开始就最小化的重要性。
2016-01-28 physics.bio-ph q-bio.BM
Rotational friction on small globular proteins: Combined dielectric and hydrodynamic effect
已知蛋白质和大分子上的旋转摩擦至少来自两个不同的来源-流体动力学（由于粘度）和介电摩擦（由于极性相互作用）。在现有的理论方法中，后者的影响是以{ \it ad hoc}方式考虑的，通过增加蛋白质的尺寸并添加水合层。本文采用广义任意电荷分布模型（其中电荷由量子化学计算得到）计算了蛋白质表面的转动介电摩擦（$ζ_{hyd}^{stick}$），并采用Harding [S. E. Harding，Comp. Biol. Med. { \bf 12}，75（1982）]。流体动力学摩擦的计算仅用蛋白质的干体积（无水合层）进行。我们发现，通过对$ζ_{DF}$和$ζ_{hyd}^{stick}$求和获得的总摩擦力与实验结果具有合理的一致性，即，$ζ_{exp} \approx ζ_{DF} + ζ_{hyd}^{stick}$。
2004-08-15 physics.bio-ph physics.comp-ph
The finite size effects and the two-state paradigm of protein folding
多肽链的卷曲到球状转变是球状蛋白折叠背后的物理现象。具有单个结构域的球状蛋白通常由约30至100个氨基酸残基组成，并且这种有限的大小延长了螺旋-球状相变的过渡间隔。在对两态模型进行迂腐推导的基础上，我们在两个协同性度量的表达式中引入了多肽链的氨基酸残基数量作为参数，并揭示了它们的物理意义。结果表明，与变性态简并度相关的$k_2$测度描述了参与跃迁的协同单元数，同时发现著名的条件$k_2=1$是将蛋白质分类为双态折叠的必要条件.我们还发现，$Ω_c$是简单的过渡时间间隔的平方成正比。这一事实使我们能够进行经典的尺寸标度分析的线圈球相变。此外，这两个措施被证明是描述不同的特点，蛋白质折叠。
2020-10-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A Stochastic Finite Element Model for the Dynamics of Globular Macromolecules
我们描述了一种新的粗粒度模拟方法，用于模拟球状大分子，如蛋白质的动力学。大分子被视为一个连续的，是受热波动。该模型包括一个非线性处理的弹性和粘性与热噪声，解决了使用有限元分析。我们已经验证了该方法，证明该模型提供的平均动能和势能，是在与经典的均分定理。此外，我们对一系列线性光束的模拟轨迹进行了傅立叶分析，以确认前两个傅立叶弯曲模式中存在正确的平均能量。然后，我们使用新的建模方法来模拟一个代表性的蛋白质在500纳秒的时间尺度上的热波动。使用合理的参数的材料特性，我们已经证明，生物分子的整体变形是一致的，一般从原子分子动力学模拟蛋白质的结果。
2012-09-21 physics.bio-ph physics.comp-ph
Glassy dynamics and memory effects in an intrinsically disordered protein construct
球状蛋白质中的玻璃状、非指数松弛通常归因于内在无序蛋白质中缺失的构象行为。然而，我们发现，一个无序的蛋白质结构的单分子显示两个签名的玻璃态动力学，对数松弛和Kovacs记忆效应，在施加的张力的变化。我们将此归因于链中存在多个独立的局部结构，我们用正确预测松弛力依赖性的模型证实了这一点。这里建立的机制可能适用于其他无序蛋白质。
2020-07-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Harnessing the Peripheral Surface Information Entropy from Globular Protein-Peptide Complexes
University of North Carolina at Charlotte（北卡罗来纳大学夏洛特分校）
本文提出边缘表面信息熵作为热信息描述符，用于量化蛋白质-肽结合的有利约束，通过分子对接和动力学模拟验证其在不同条件下的稳定性及进化选择压力。
2026-01-31 cs.IT math.IT physics.bio-ph
A Monte Carlo simulation of a protein (CoVE) in a matrix of random barriers
进行蒙特卡罗模拟来研究蛋白质CoVE在随机介质中的结构和动力学，所述随机介质由浓度为c的随机分布的障碍物产生，其中粗粒度模型在其原生（低温）和变性（高温）相中。蛋白质的随机动力学在低c下在变性阶段是扩散的，它在增加c时减慢并且停止移动超过阈值（cth = 0.10）。在天然阶段，蛋白质在低c下移动极其缓慢，但在特征范围内（c = 0.10 - 0.20）进一步增加c时会加速，然后在高c（cth = 0.30）下被捕获。CoVE的回转半径（Rg）在天然和变性阶段对c表现出不同的非单调依赖性（先增加后衰减），农民的变化率更高、更剧烈。CoVE的有效尺寸（D）由结构因子的缩放来估计：在变性相，在低c（= 0.01 - 0.10）下D = 2（无规卷曲构象），出现一些球化，即D？在较高c（= 0.2，0.3）下为2.3，2.5。增加c似乎降低天然相中CoVE的球形度（D = 3）。
2020-09-16 physics.bio-ph
Affinity and valence impact the extent and symmetry of phase separation of multivalent proteins
生物分子自组装在空间上将具有有限数量的结合位点（价）的蛋白质分离成与稀相共存的缩合物。我们发展了一个多体晶格模型的三组分系统的蛋白质与固定价在溶剂中。我们比较模型的预测实验相图，我们测量\textit{in vivo}，这使我们能够改变特定的结合位点的亲和力和价态。我们发现，相分离的程度随亲和力呈指数变化，并随化合价增加。原子价决定了相图的对称性。
2022-01-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
pH dependence of charge multipole moments in proteins
静电相互作用在蛋白质的结构和功能中起着重要作用。由于可电离的氨基酸残基存在于蛋白质暴露于溶剂的表面上，蛋白质电荷不是恒定的，而是随着环境的变化而变化-最明显的是，周围溶液的pH值。我们研究了pH值对四种球状蛋白质的电荷的影响，通过扩展它们的表面电荷分布的多极。蛋白质上电荷的详细表示以这种方式被不同阶次的多极矩的大小和方向所取代。专注于三个最低阶的多极-总电荷，偶极，和四极矩-我们表明，pH值的影响，不仅他们的大小，但更显着和重要的是，他们的主轴的空间方向。我们的研究结果意味着蛋白质-蛋白质相互作用的研究和组装的蛋白质壳和片状胶体与可分离的电荷基团的重要后果。
2017-08-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Interplay of pH and Binding of Multivalent Metal Ions: Charge Inversion and Reentrant Condensation in Protein Solutions
蛋白质表面电荷的调节是生物系统中的基本机制。蛋白质电荷在生理环境中通过pH和与抗衡离子的相互作用来调节。我们报告的电荷反转和相关的重入凝聚在溶液中的球状蛋白质与不同的多价金属阳离子。特别是，我们专注于相行为和电荷调节的变化，由于金属离子水解引起的pH值的影响。对于几种蛋白质和金属盐，通过电泳光散射测量的电荷反转被发现是一种普遍现象，其程度取决于特定的蛋白质-盐组合。与中性盐如YCl 3或LaCl 3相比，酸性盐如AlCl 3和FeCl 3的重入相图显示出窄得多的相分离区域。酸性盐和中性盐之间的差异可以通过pH效应和多价抗衡离子的结合的相互作用来解释。实验结果再现与良好的协议由蛋白质充电的分析模型，考虑到离子凝聚，金属离子水解和相互作用与带电的氨基酸侧链的蛋白质表面上。最后，电荷反转和重入缩合的关系进行了讨论，这表明pH值的变化与多价阳离子的组合提供了控制蛋白质之间的吸引力和排斥力的相互作用。
2013-04-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Building blocks of protein structures -- Physics meets Biology
球状蛋白质的天然状态结构是稳定的，并且包装良好，这表明在折叠条件下，自相互作用优于蛋白质-溶剂相互作用。我们以此为指导原则，推导出蛋白质结构的构建模块的几何结构，α-螺旋和链组装成β-折叠，没有可调参数，没有氨基酸序列信息，也没有化学。在数学和物理学的要求与量子化学的规则之间有一种近乎完美的契合。我们的理论建立了一个能量景观，通过提供序列独立的平台来阐述序列依赖的功能多样性来引导蛋白质进化。我们的工作强调了离散性在生命中的重要作用，并对人工生命的创造和宇宙中其他地方的生命性质产生了影响。
2021-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Critical phenomena in the temperature-pressure-crowding phase diagram of a protein
在细胞中，蛋白质折叠并通过全局结构重排执行复杂功能。功能要求蛋白质处于稳定的边缘，对微小的环境波动敏感，但足够稳定以保持结构完整性。这些明显相互冲突的行为表现出系统的临界点附近，不同的阶段合并$-$的概念超出了以前的研究表明蛋白质有一个明确的折叠/未折叠的相边界的压力-温度平面。在这里，通过模拟的蛋白磷酸甘油酸激酶（PGK）的温度（T），压力（P），拥挤体积分数（$ϕ$）相图，我们证明了一个关键的过渡相合并，PGK表现出大的结构波动。在临界温度（Tc）以上，中间相和未折叠相之间的差异消失。当$ϕ$增加时，Tc移动到较低的T。我们验证的计算与实验映射的T-P- $ϕ$空间，这同样揭示了一个临界点在305 K和170 MPa的移动到一个较低的T作为$ϕ$增加。拥挤的地方PGK在其自然参数空间的临界线附近，大的构象变化可以发生没有昂贵的自由能障碍。在仿真的基础上，提出了每个阶段的具体结构。
2019-06-09 physics.bio-ph q-bio.BM
Temperature-dependent non-covalent protein-protein interactions explain normal and inverted solubility in a mutant of human gamma D-crystallin
蛋白质晶体的制备是蛋白质结构表征的主要瓶颈。为了超越大规模筛选，蛋白质结晶的合理策略至关重要。了解由于与溶剂接触的各种氨基酸侧链引起的蛋白质表面的化学各向异性（或斑块）如何有助于在晶格中形成蛋白质蛋白质接触是预测和优化结晶的主要障碍。复杂的理论模型，其中包括足够的细节，以联系集体行为，捕捉在蛋白质相图，分子水平的细节，确定从高分辨率的结构信息的相对稀缺是一个进一步的障碍。在这里，我们提出了两个晶体结构的γ D-晶体蛋白的P23 TR 36 S突变体，每个具有相反的溶解度行为，一个熔化时加热，其他时冷却。当结合蛋白质相图和一个定制的补丁颗粒模型，我们表明，一个单一的温度依赖性的相互作用是足以稳定倒置的溶解度晶体。在P23 T取代位点的这种接触与遗传性白内障有关，并在分子水平上揭示了蛋白质溶解度降低和逆行的起源。我们的研究结果表明，这里采用的方法可能会提出一种替代策略的合理化蛋白质结晶。
2018-11-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-graining protein energetics in sequence variables
我们表明，簇展开（CE），以前用于模拟固态材料与二元或三元构型的障碍，可以扩展到蛋白质的设计问题。我们提出了一个广义的CE框架，其中的属性，如能量可以明确地扩展在氨基酸序列空间。在非序列自由度上的CE粗晶粒（例如，侧链构象），从而将设计蛋白质或预测序列与给定结构的相容性的问题简化了许多数量级。CE是物理透明的，并且可以通过对训练序列的能量进行线性回归来评估。我们表明，作为例子，获得良好的预测精度与成对的相互作用的卷曲螺旋骨架，和三重态相互作用是重要的，在一个更球状的锌指骨架的能量。
2005-10-03 physics.bio-ph
Multiple scales and phases in discrete chains with application to folded proteins
手性杂聚物如较大的球状蛋白质可以同时支持多个长度尺度。不同尺度之间的相互作用带来了构象的多样性，并决定了能量景观的结构。多尺度也产生了复杂的动力学，在蛋白质的情况下，它维持着生命。然而，到目前为止，还没有明确的理解，如何区分决定复杂蛋白质结构和动力学的各种尺度。在这里，我们提出了一个系统的方法来确定的尺度手性杂聚物，如蛋白质。为此，我们引入了一种新的序参量，它不仅揭示了尺度，而且还探测了相结构。特别是，我们认为，手性杂聚物可以同时显示几个不同的阶段的性状，视乎它被仔细检查的长度尺度。我们的方法建立在Kadanoff的块自旋变换的变体上，我们将其用于粗粒分段线性链，例如蛋白质的C $α$主链。我们推导出解析，然后验证数值的序参量可以显示的一些属性。我们演示了如何，在蛋白质数据库中的晶体蛋白质结构的情况下，序参量揭示了存在不同的长度尺度，我们提出，必须存在的规模，阶段和折叠途径的复杂性之间的关系。
2017-05-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Computation of a Theoretical Membrane Phase Diagram, and the Role of Phase in Lipid Raft-Mediated Protein Organization
脂相异质性在质膜被认为是至关重要的细胞信号的许多方面，但参与膜域，如“脂筏”的物理基础仍然存在争议。在这里，我们考虑一个晶格模型产生的相图，其中包括几个国家提出的相关的细胞膜，包括微乳液-这可能与膜曲率-和伊辛临界行为。使用基于神经网络的机器学习方法，我们计算了这个晶格模型的完整相图。我们在肥大细胞中信号传导起始事件的背景下分析了该相图的选定区域：膜锚定酪氨酸激酶Lyn募集到IgE-FcεRI受体的跨膜簇。我们发现，微乳液和伊辛临界状态下的模型膜系统可以介导大致相等水平的激酶募集（结合能~ -0.6 kBT），而接近三临界点的膜可以介导更强的激酶募集（~ 1.7 kBT）。通过在一个单一的理论框架内比较几个模型的脂质异质性，这项工作指出现有模型之间的可测试的差异。我们还建议作为一个新的可能性的膜结构域的基础上，促进优先分配的信号成分的三临界点。
2018-02-04 physics.bio-ph q-bio.SC
Pinning the conformation of a protein (CorA) in a solute matrix with selective binding
用粗粒模型和蒙特卡罗模拟研究了蛋白质（CorA）在含有溶质组分的基质中的构象随溶质-残基相互作用强度（f）的变化。发现溶质颗粒由于其与残留物的独特相互作用而到达其目标残留物。蛋白质减速的程度取决于相互作用强度f。与可预测的依赖性的回转半径的相同的蛋白质在有效介质中的相互作用，它不显示系统的依赖性的相互作用，由于钉扎所造成的溶质结合。通过从结构因子的缩放估计其有效尺寸（D）来量化蛋白质链的扩散。即使在较低的溶质-残基相互作用下，蛋白质链在其天然相中似乎符合无规卷曲构象（D ~ 2），其中在不存在这种溶质环境的情况下，蛋白质链是球状的。小尺度下的结构展布与大尺度下的结构展布不同，存在较强的相互作用：当f = 3.5时，小尺度下的结构展布D ~ 2.3，大尺度下的结构展布D ~ 1.4;当f = 4.0时，小尺度下的结构展布D ~ 1.4，大尺度下的结构展布D ~ 2.5。
2019-09-11 physics.bio-ph q-bio.BM
