Discovery Studio（Help-Tutorials） 采用QMMM的方法对配体结构在活性位点中进行优化

目的：采用QM/MM的方法对配体结构在活性位点中进行优化。

所需功能和模块：Discovery Studio Client, DS CHARMm。

所需数据文件：1UZE.dsv

所需时间：1小时

介绍

本教程中，对一个配体分子将对接到human testicular angiotensin I-converting enzyme中，采用QM/MM的方法来优化对接所得到的结合模式。利用CDOCKER将配体分子对接到受体中，计算RMSD值，然后选择第一个Pose进行QMMM优化。

1． QM/MM优化对接得到的配体位置

打开IUZE.dsv，在窗口中选中Zn离子以及与Zn离子配位的配体，两个HIS和一个GLU氨基酸，点击鼠标右键，选中Group…选项，命名为QMgroup。

 图1

选中1UZE中非配体外的所有原子，然后点击Tools | Simulation | Setup Constraints | Create Fixed Atom Constraint，

我们在接下来的QM/MM优化中只优化配体的空间结构，而保持金属蛋白的构型固定。在这里，我们默认晶体中金属蛋白的位置是准确的，而CDOCKER得到的配体位置还需要refine，我们就沿用半柔性对接的思想，在QM/MM优化中，将金属蛋白的位置固定，而只优化配体的构型。金属蛋白上每个原子的位置不进行优化，但是在计算能量的时候还是包含了整个体系。（注意：QM的区域不仅包含配体，还包括Zn离子，两个HIS和一个GLU氨基酸。）

可以看到金属蛋白上蓝色的小球代表了位置上被束缚的原子，在1UZE下面能看到定义的名字“Fixed:fix_1”。

 图2

在Protocols浏览器中展开Simulation文件夹，双击Minimization (QM-MM)流程，流程对应参数在参数浏览器中打开。

在参数浏览器中，点击Input Typed Molecule参数，从下拉列表中选择“1UZE:1UZE”。

点击Quantum Atoms参数，从下拉列表中选择“QMgroup”，指定QM区域。

展开DMol3 Settings参数，点击Functional参数，从下拉列表中选择“BLYP”。（用户可以选择自己偏好的密度泛函）

展开Advanced下面的Minimization参数，点击Minimization Constraints参数，选中“Fixed:fix_1”。

展开Advanced下面的DMol3 Settings参数，点击Charge参数，输入“0”(QM 区域的总电荷数)。我们可以仔细分析一下QM区域的总电荷，Zn离子电荷为+2，配体为-1，GLU氨基酸-1，所以总的电荷是+2-1-1=0。同时设置Expand Quantum Atoms参数，在下拉菜单中选中“False”。当我们设定了QM区域的charge之后，这一项必须选为“false”。（如果设为“true”的话，DS会自动根据QM区域内每个原子的电荷来算出总的电荷数）。

选中Advanced下面的Number of Processors参数，输入“8”（需要进行并行计算的核的数目）。（这个需要根据具体机器来设定，由于QM计算比较耗时，我们推荐使用尽可能多的核来做并行计算。）

 图3

点击流程工具栏（Protocols toolbar）中的 按钮运行作业，等待作业完成。这个作业用8核并行计算，大约需要花一天的时间。

2． 分析QM/MM优化配体后的结果

在Report.htm的Summary中，我们可以分别看到QM区域，MM区域的能量以及QM与MM区域之间的相互作用能，点击Output Files中的Output Molecules，查看QM/MM优化后的配体结构。

 图4

同时打开先前保存的rmsd.dsv文件，在1UZE.dsv中选中ligand，然后将它复制到rmsd.dsv窗口中，如下图所示，将优化后的四个配体分别一一复制到rmsd.dsv窗口，并赋予名字Pose1。

​​​​ 图5

 图6

我们列出了QM/MM优化后配体构型关于晶体结构中配体位置的RMSD（单位为埃）与CDOCKER的结果对比。在用QM/MM优化后，平均的RMSD由2.07埃降到了1.25埃。从这个案例看出，基于从头计算(ab initio)量子力学的QM/MM方法可以为我们提供更为精确的对接模型，为我们开展计算机辅助药物设计的方法提高到一个新的台阶。