一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法

1.本发明属于神经科学，分子动力学领域，具体涉及一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟系统。


背景技术：

2.使用光敏蛋白来观察和控制细胞活动被认为是近年来最具突破性的神经科学领域创新之一，这种方法逐渐取代传统的神经功能研究方法。2006年，karl deisseroth首次提出光遗传学一词，光遗传学是遗传学和光学的结合，可在活体组织或者具有行为能力的动物特定细胞中激发或者抑制特定事件。在隔离特定神经元群体的神经回路时，神经元的可逆沉默对其动力学和行为学具有重要的作用。光诱导的功能是由光感受蛋白控制的，其中包含一个嵌入的能感受光的发色团分子。蛋白质环境促进了发色团的快速和高效的光反应，改变的发色团-蛋白质相互作用产生蛋白质结构的变化。蛋白质结构变化的细节必须在原子水平上分析，由于光循环过程时间在皮秒到秒的范围内即可完成，因此，光循环中间体无法获得晶体结构。由于目前还缺乏野生型光门控离子通道及其突变体的完全开放状态和中间体结构晶体，分析蛋白质原子细节的结构变化是生物物理学和物理化学的一个挑战。
3.目前研究光敏蛋白的结构信息研究方法主要包括核磁共振技术，电子显微镜技术，振动光谱(如拉曼光谱和红外光谱)技术，傅里叶变换红外光谱(ftir)以及分子动力学技术。通过x光衍射获得的晶体结构只能表征了蛋白质的瞬时构象，这种构象往往不是活性状态构象。分子动力学模拟能够构建近乎生理状态的蛋白质溶剂化模型，可以研究计算机建立的动态实验数据与静态分子构象之间的关系，并提供实验无法检测的动态结构象变化数据。分子动力学模拟(molecular dynamics simulation,md),是针对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程,并由此获得系统的构象和性质，其中任意一个原子核被视为在系统中其它原子核和电子所提供的势场作用下按牛顿定律运动。它通过计算机计算辅助的方式，将微观系统与宏观系统的性质联系起来。光吸收引发的光循环反应导致了视蛋白膜上的质子运输。视紫红质中的发色团小分子的c12-c13＝c14-c15二面角及其质子化状态对视蛋白的光循环中间体结构尤为重要。因此，改善发色团小分子模拟体系对研究视蛋白的分子机制有着重要的作用。
4.目前使用分子动力学研究视蛋白结构的方法中，发色团小分子不同中间体质子化状态不同以及c12-c13＝c14-c15二面角模型需要得到改善。经典分子动力学无法准确得到离子通道的构象，常规分子动力学模拟与现实生物过程时间尺度有巨大差异，导致采样不充分。通过拉伸分子动力学以及伞形取样的方式计算自由能能够更加准确的计算自由能变化，更加准确的分析出离子通道的结构机制。通过改善发色团小分子的力场环境以及结合拉伸分子动力学计算自由能的方法能够更加准确的得到门控通道蛋白的结构特征，了解视蛋白结构特征以及进一步改进视蛋白结构特征有利于应用于基础研究应用和临床应用中，对视网膜病变引起的视力衰退或丧失，心脏传导系统疾病以及神经系统疾病的类似基因治疗创造了可能性。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法。本发明的技术方案如下：
6.一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其包括以下步骤：
7.步骤一、使用高斯软件对单聚体pdb文件发色团小分子c12-c13＝c14-c15二面角进行扭转并进行角度调整；
8.步骤二、将发色团小分子二面角扭转后的单聚体蛋白在charmm-gui软件嵌入细胞膜环境嵌入，对发色团小分子进行单独的力场设置，进行分子动力学模拟体系准备；
9.步骤三、使用namd软件进行平衡态分子动力学模拟，提取出蛋白质结构代表构象进一步扭转小分子c12-c13＝c14-c15二面角，固定c12-c13＝c14-c15二面角再次进行分子动力学模拟直至二面角键角扭转完成，在不固定小分子二面角的情况下进行分子动力学模拟；
10.步骤四、将分子动力学模拟后的轨迹进行分析，通过amber的cpptraj模块和vmd的tcl文件进行对应的分析；
11.步骤五、提取出分子动力学轨迹代表构象并使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能。
12.进一步的，所述步骤一、使用高斯软件对发色团c12-c13＝c14-c15二面角进行扭转并进行角度调整，具体包括：以pdb数据库下载的蛋白质多聚体文件通过手动的方式删除其他多聚体仅留下单聚体晶体，保留单链氨基酸残基，删除其他所有结晶水分子，利用高斯软件加载单聚体pdb文件；选择发色团小分子异构化的结构c12-c13＝c14-c15二面角双键以20
°
旋转进行异构化，并在每个扭转的平衡模拟中保持固定，直到c12-c13＝c14-c15二面角达到大约0
°
13.进一步的，所述步骤二、将单聚体蛋白在charmm-gui软件嵌入细胞膜环境嵌入，添加缺失的氢原子以及残基；在charmm-gui平台将单聚体嵌入有popc,tip,以及0.15mol
·
l-1的nacl膜的大小包覆单聚体的周期性盒子中，将整个单聚体加载于charmm36m的力场；
14.进一步的，所述步骤二对发色团需要异构化的模拟体系，在能量优化的过程中，保持单聚体固定以及发色团的c12-c13＝c14-c15二面角固定，对体系进行能量最小化；在二面角达到异构化角度完成所需角度0
°
，再c12-c13＝c14-c15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟；
15.还对发色团设置为去质子化的模拟体系，加载将去质子化发色团置于单独的力场，这样可以保证发色团小分子不会在charmm36m的力场中分子断裂。
16.进一步的，所述再将c12-c13＝c14-c15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟；在能量最小化过程中将蛋白质固定，只允许水分子运动，使体系中的溶剂得到优化。平衡态动力模拟则是在正则系综(canonical ensemble，nvt)下模拟，通过调整原子的速度来保持系统动能恒定，把温度t弛豫到稳态，再转等温等压(constant-pressure，constant-temperature，npt)进行预平衡，通过调整系统的体积来保持压强恒定，从而把压强p弛豫到稳态。之后系统就可以进行实际的模拟。
17.进一步的，所述步骤三、使用namd软件进行平衡态分子动力学模拟，具体包括；平衡步骤的第一阶段在正则系综(canonical ensemble，nvt)下进行，即系统温度、体积和粒
子数保持不变，在nvt系综下对体系进行缓慢升温，在所需温度下，所有原子的初始速度在麦克斯韦-玻尔兹曼分布中随机分配；最后，让蛋白体系在具有恒定的温度、压力和粒子数的等温等压(constant-pressure，constant-temperature，npt)下跑足够长时间的动力学是蛋白结构趋于稳定，此过程将调整体系的压强进而使体系密度收敛。
18.进一步的，所述步骤四、对分子动力学轨迹进行分析，通过amber的cpptraj模块和vmd的tcl文件进行对应的分析，具体包括：系统中的原子根据初始速度在一个时间步长内移动，然后将原子的新坐标记录在轨迹文件中；一个时间步长后原子继续移动，然后再重新计算原子的势能和速度并记录在轨迹文件中；并重复这一过程，直到整个模拟完成；在蛋白质运动轨迹趋于平稳后，利用平稳后的运动轨迹提取数据用于分析蛋白质的分子机制；利用amber的cpptraj功能模块分析视紫红质的代表性结构特征以及分析离子通道内水分子分布和氢键情况；利用vmd软件计算离子通道内水分子数量间接反映离子通道螺旋水和程度。
19.进一步的，所述步骤5步骤五、使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能，具体包括：
20.将平衡态得到聚类代表构象作为模型，通过恒速拉伸离子从离子通道一侧向另一侧的方法在拉伸完毕后使用伞形取样的方式计算自由能；在smd的研究方法中，被牵拉的原子是通过一个假想的弹簧和一个假想原子连接起来的，其所受的拉力大小由弹簧的形变和弹簧系数决定，其满足胡克定律：
21.f(t)＝2k(vt-x(t))
22.k是弹簧的弹性系数，v是牵拉原子的速度，x(t)是在t时刻被牵拉原子的位置。
23.伞形取样采用wham,weighted histogram analysis method,加权柱状图分析法，目的是把有偏采样的统计结果转换为无偏采样的统计结果，基本思路为首先把体系沿反应坐标(z)按照一定间隔大小产生数个构象，每一个构象对应一个窗口i，并在每个伞形取样窗口中加上偏置势wi(z)(一般采用简谐弹簧势能)，以克服某些能量不利的构象取样不足的问题，然后对每个伞形取样窗口进行独立的偏置模拟，组合每个取样窗口中伞形柱状图，来表示在偏置势能作用下构象沿反应坐标上的概率分布。
24.伞形取样计算平均力势的基本原理为：
[0025][0026]
本发明的优点及有益效果如下：
[0027]
(1)本发明对视紫红质光循环有着重要作用的发色团小分子异构化模型设置了更为合理的模拟体系，相比于之前的模拟体系，设置了单独的发色团力场以及二面角固定的方式进行能量最小化分子动力学模型。
[0028]
(2)在平衡轨迹分析过程中，对视紫红质开放程度很重要的水分子分析和氢键分析通过amber的cpptraj模块完成，另外，实现了视紫红质离子通道水分子数量的统计方法利用vmd的tcl脚本实现。
[0029]
(3)建立了自由能计算的模型体系。使用恒速拉伸的拉伸分子动力学以及伞形取样的方式结合计算自由能。充分改善了经典分子动力学采样不足的缺点，通过了解渗透过程中需要克服的能量，有助于了解视紫红质的离子传导性。
附图说明
[0030]
图1是本发明提供优选实施例图1为本发明发色团小分子c12-c13＝c14-c15二面角改变模型；
[0031]
图2为本发明发色团小分子去质子化模型力场关键代码；
[0032]
图3为本发明蛋白质单聚体周期性盒子模型；
[0033]
图4为本发明固定发色团小分子c12-c13＝c14-c15进行能量最小化的关键代码；
[0034]
图5为本发明聚类分析模型；
[0035]
图6为本发明氢键分析模型；
[0036]
图7为本发明水分布分析模型；
[0037]
图8为本发明水分子数量分析模型；
[0038]
图9为本发明自由能计算分析模型；
[0039]
图10为本发明基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法流程图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
[0041]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0042]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟系统，包括以下步骤：
[0043]
步骤一、使用高斯软件对发色团c12-c13＝c14-c15二面角进行扭转并进行角度调整；以pdb数据库下载的蛋白质多聚体文件通过手动的方式删除多余以变成单聚体晶体，保留单链氨基酸残基，删除其他所有小分子以及其他结构。利用高斯软件加载单聚体pdb文件。选择发色团小分子异构化的结构c12-c13＝c14-c15二面角双键以20
°
旋转进行异构化，并在每个扭转的平衡模拟中保持固定，直到c12-c13＝c14-c15二面角达到大约0
°
。
[0044]
步骤二、将单聚体蛋白在charmm-gui软件嵌入细胞膜环境嵌入，添加缺失的氢原子以及残基；在charmm-gui平台将单聚体嵌入有popc,tip,以及0.15mol
·
l-1的nacl膜的大小包覆单聚体的周期性盒子中，将整个单聚体加载于charmm36m的力场。
[0045]
1.对发色团需要异构化的模拟体系，在能量优化的过程中，保持单聚体固定以及发色团的c12-c13＝c14-c15二面角固定，对体系进行能量最小化。在二面角达到异构化角度完成所需角度0
°
，再将c12-c13＝c14-c15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟。
[0046]
2.对发色团需要设置为去质子化的模拟体系，加载将去质子化发色团置于单独的力场，这样可以保证发色团小分子不会在charmm36m的力场中分子断裂。
[0047]
步骤三、平衡态分子动力学模拟；平衡步骤的第一阶段在nvt系综下进行，即系统温度、体积和粒子数保持不变。在nvt系综下对体系进行缓慢升温，通常在所需温度下，所有原子的初始速度可以在麦克斯韦-玻尔兹曼分布中随机分配。最后，让蛋白体系在具有恒定的温度、压力和粒子数的npt系综下跑足够长时间的动力学是蛋白结构趋于稳定，此过程将调整体系的压强进而使体系密度收敛。完成这些平衡步骤后，系统就可以进行实际的模拟。
[0048]
步骤四、对分子动力学轨迹进行分析，通过amber的cpptraj模块和vmd的tcl文件
进行对应的分析。系统中的原子根据初始速度在一个时间步长内移动，然后将原子的新坐标记录在轨迹文件中；一个时间步长后原子继续移动，然后再重新计算原子的势能和速度并记录在轨迹文件中；并重复这一过程，直到整个模拟完成。在蛋白质运动轨迹趋于平稳后，利用平稳后的运动轨迹提取数据用于分析蛋白质的分子机制。利用amber的cpptraj功能模块可用于分析视紫红质的代表性结构特征以及分析离子通道内水分子分布和氢键情况。利用vmd软件可以计算离子通道内水分子数量间接反映离子通道螺旋水和程度。
[0049]
步骤五、计算自由能模拟。经典分子动力学容易导致采样陷入构象空间中的能量极小值，难以实现离子跨膜传导这一过程。为了改善经典分子动力学模拟与现实生物过程时间尺度有巨大的差异，导致空间采样不充分的问题。拉伸分子动力学和伞形取样结合计算自由能的方式可很好的解决这一问题。为了更好的研究离子跨膜传导的热力学性质，恒速拉伸的方法可更好的研究蛋白质内部结构变化。伞形取样模拟能够在一组伞形采样窗口中找到平衡态，并通过沿反应坐标重新加权常数偏置势阱获得相对准确的pmf曲线。这为后续光遗传学基因改造提供了很好的理论基础。
[0050]
首先，在pdb数据库下载名为6edq的二聚体晶体，只留下单聚体结构，使用高斯软件对小分子c12-c13＝c14-c15二面角扭转20
°
。
[0051]
图1、发色团小分子结构模型。初始角度为-179.84252,每次转动c12-c13＝c14-c15角度20
°
。
[0052]
将转动后的单聚体在membrane builder进行结构优化，包括添加氨基酸残基的侧链、氢原子、分配质子化状态以及优化氨基酸的侧链等。最后，我们将优化后的结构嵌入磷脂双分子层(popc)中，并将体系置于tip3p溶剂模型的正方体的周期性盒子中，加入抗衡离子(0.15mol
·
l-1的nacl)保持体系的电中性。将整个单聚体加载于charmm36m的力场。可在这个环节发色团小分子席夫碱去质子化以及其他酸碱性氨基酸的质子化状态，加载去质子化席夫碱单独的力场力场prm文件和rtf文件。关键代码见图2：
[0053]
图2、小分子去质子化力场关键代码。a、prm文件关键代码(去质子化视黄醛的拓扑文件)。b、rtf文件关键代码(视黄醛相关参数)。
[0054]
在将发色团小分子结构和所需力场文件加载好后，其周期性盒子模型如图3：在得到初始模型体系后，在模拟参数设置中，pme(particle mesh ewald)算法用来处理长程静电作用，短程非键相互作用的截断值设置为shake算法用来限制与所有的氢原子相连的共价键的振动，步长设置为2fs。固定c12-c13＝c14-c15二面角采用最陡下降法对体系进行能量最小化，随后在nvt系综中对体系进行升温，使得体系温度从0k升高到310k，在加热过程中使用langevin piston算法将压力保持在1bar.固定c12-c13＝c14-c15二面角的关键代码如图4：
[0055]
随后采用npt系综，在恒温恒压条件下对体系不加任何限制进行了分子动力学模拟。其中模拟过程中使用langevin动力学保证全部模拟中的温度都恒定在310k，阻尼系数取为1ps-1。体系压强采用nose-hoover langevin piston方法保证1个大气压的恒定压力，衰减周期取为25fs，阻尼周期取为50fs。取得蛋白质较为平稳的轨迹文件，通过amber软件的cpptraj模块进行聚类分析。以gtacr1的发色团小分子异构化前后聚类对比，如图5：
[0056]
视紫红质的离子开发程度和氢键网络以及螺旋水化程度关系很大，因此，了解视紫红质的离子通道氢键网络以及水分子分布很重要，图6为利用cpptraj进行的水密度分
析，图7为氢键数量分析。通过离子通道氢键数量和水分子的分布可以见解了解离子通道的开放程度。
[0057]
虽然水分子分布对于离子通道的开放程度有着一定的影响，但能够计算出离子通道内的水分子数量也可以侧面反映离子通道开放程度以及水化程度。利用脚本计算离子通道两侧氨基酸范围内的水分子数量，如图8：
[0058]
将经典分子动力学的代表性构象作为拉伸分子动力学的初始构象，在模拟中人为地给cl-施加一个假想的外力，使得该离子能够沿着通道移动，然后获得在整个拉伸过程中关于原子坐标的详细信息，并通过分析结构和能量的变化等方面来获得有关离子跨膜传导的这一过程的重要信息.在牵拉的过程中，使用硬弹簧使得smd原子以恒定速度被牵拉。为了避免在smd模拟中蛋白的平动和转动，在蛋白七个螺旋外围的氨基酸残基加了一个的哈密顿限制。伞形采样模拟所用的反应坐标与smd模拟所用的反应坐标相同，即沿通道轴的z距离，为了获得精细的结构信息，反应坐标空间每隔划分一个窗口。利用smd轨迹提取每个窗口中心附近的结构，来作为每个独立窗口的初始构象，然后在z方向上将离子约束在窗口中心。最后，利用加权直方图分析方法(wham)构建基于这些伞形采样仿真轨迹的pmf，如图9。
[0059]
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
[0060]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0061]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、使用高斯软件对单聚体pdb文件发色团小分子c12-c13＝c14-c15二面角进行扭转并进行角度调整；步骤二、将发色团小分子二面角扭转后的单聚体蛋白在charmm-gui软件嵌入细胞膜环境嵌入，对发色团小分子进行单独的力场设置，进行分子动力学模拟体系准备；步骤三、使用namd软件进行平衡态分子动力学模拟，提取出蛋白质结构代表构象进一步扭转小分子c12-c13＝c14-c15二面角，固定c12-c13＝c14-c15二面角再次进行分子动力学模拟直至二面角键角扭转完成，在不固定小分子二面角的情况下进行分子动力学模拟；步骤四、将分子动力学模拟后的轨迹进行分析，通过amber的cpptraj模块和vmd的tcl文件进行对应的分析；步骤五、提取出分子动力学轨迹代表构象并使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能。2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤一、使用高斯软件对发色团c12-c13＝c14-c15二面角进行扭转并进行角度调整，具体包括：以pdb数据库下载的蛋白质多聚体文件通过手动的方式删除其他多聚体仅留下单聚体晶体，保留单链氨基酸残基，删除其他所有结晶水分子，利用高斯软件加载单聚体pdb文件；选择发色团小分子异构化的结构c12-c13＝c14-c15二面角双键以20
°
旋转进行异构化，并在每个扭转的平衡模拟中保持固定，直到c12-c13＝c14-c15二面角达到大约0
°
。3.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤二、将单聚体蛋白在charmm-gui软件嵌入细胞膜环境嵌入，添加缺失的氢原子以及残基；在charmm-gui平台将单聚体嵌入有popc,tip,以及0.15mol
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l-1的nacl膜的包覆单聚体的周期性盒子中，将整个单聚体加载于charmm36m的力场。4.根据权利要求3所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤二对发色团需要异构化的模拟体系，在能量优化的过程中，保持单聚体固定以及发色团的c12-c13＝c14-c15二面角固定，对体系进行能量最小化；在二面角达到异构化角度完成所需角度0
°
，再将c12-c13＝c14-c15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟；对于发色团设置为去质子化的模拟体系，加载将去质子化发色团置于单独的力场，这样可以保证发色团小分子不会在charmm36m的力场中分子断裂。5.根据权利要求4所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述再将c12-c13＝c14-c15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟，在能量最小化过程中将蛋白质固定，只允许水分子运动，使体系中的溶剂得到优化；平衡态动力模拟则是在正则系综nvt下模拟，通过调整原子的速度来保持系统动能恒定，把温度t弛豫到稳态，再转等温等压npt进行预平衡，通过调整系统的体积来保持压强恒定，从而把压强p弛豫到稳态。之后系统就可以进行实际的模拟。6.根据权利要求5所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤三、使用namd软件进行平衡态分子动力学模拟，具体包括；平衡步骤的第一阶段在正则系综nvt下进行，即系统温度、体积和粒子数保持不变，在nvt系综下对体系进行缓慢升温，在所需温度下，所有原子的初始速度在麦克斯韦-玻尔兹曼分布中随机分配；最后，
让蛋白体系在具有恒定的温度、压力和粒子数的等温等压npt下跑足够长时间的动力学是蛋白结构趋于稳定，此过程将调整体系的压强进而使体系密度收敛。7.根据权利要求5所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤四、对分子动力学轨迹进行分析，通过amber的cpptraj模块和vmd的tcl文件进行对应的分析，具体包括：系统中的原子根据初始速度在一个时间步长内移动，然后将原子的新坐标记录在轨迹文件中；一个时间步长后原子继续移动，然后再重新计算原子的势能和速度并记录在轨迹文件中；并重复这一过程，直到整个模拟完成；在蛋白质运动轨迹趋于平稳后，利用平稳后的运动轨迹提取数据用于分析蛋白质的分子机制；利用amber的cpptraj功能模块分析视紫红质的代表性结构特征以及分析离子通道内水分子分布和氢键情况；利用vmd软件计算离子通道内水分子数量间接反映离子通道螺旋水和程度。8.根据权利要求7所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤5步骤五、使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能，具体包括：将平衡态得到聚类代表构象作为模型，通过恒速拉伸离子从离子通道一侧向另一侧的方法在拉伸完毕后使用伞形取样的方式计算自由能；在smd的研究方法中，被牵拉的原子是通过一个假想的弹簧和一个假想原子连接起来的，其所受的拉力大小由弹簧的形变和弹簧系数决定，其满足胡克定律：f(t)＝2k(vt-x(t))k是弹簧的弹性系数，v是牵拉原子的速度，x(t)是在t时刻被牵拉原子的位置；伞形取样采用wham加权柱状图分析法，目的是把有偏采样的统计结果转换为无偏采样的统计结果，基本思路为首先把体系沿反应坐标(z)按照一定间隔大小产生数个构象，每一个构象对应一个窗口i，并在每个伞形取样窗口中加上偏置势w
i
(z)，以克服某些能量不利的构象取样不足的问题，然后对每个伞形取样窗口进行独立的偏置模拟，组合每个取样窗口中伞形柱状图，来表示在偏置势能作用下构象沿反应坐标上的概率分布；伞形取样计算平均力势的基本原理为：

技术总结
本发明请求保护一种分子动力学视紫红质蛋白光循环模拟研究方法，以单聚体进行模拟研究，属于神经科学领域和分子动力学领域。具体步骤如下：(1)使用高斯软件对发色团C12-C13＝C14-C15二面角进行扭转并进行角度调整；(2)将单聚体蛋白在CHARMM-GUI软件嵌入细胞膜环境嵌入，对发色团小分子进行单独的力场设置(3)使用NAMD软件进行平衡态分子动力学模拟(4)对分子动力学轨迹进行分析，通过AMBER的cpptraj模块和VMD的tcl文件进行对应的分析。(5)使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能。该发明方法利用分子动力学研究视紫红质在光循环过程中的结构变化进一步实现光循环的仿真，对视紫红质在神经科学领域中的临床应用，脑功能研究以及工程学材料设计有着重要作用。脑功能研究以及工程学材料设计有着重要作用。脑功能研究以及工程学材料设计有着重要作用。


技术研发人员：袁帅 刘春艳 辛奇 徐涛 张文英
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25