Структура и функционирование белков. Применение методов биоинформатики - Джон Ригден 2014

Динамика белков: от структуры к функционированию
Алгоритмы сэмплирования коллективных координат
Алгоритмы сэмплирования коллективных координат

Анализ МД расчетов в терминах коллективных координат (получаемых, например, по методу главных компонент или при анализе нормальных мод) показывает, что только некоторые из общего числа степеней свободы преобладают в молекулярной динамике биомолекул. Поскольку функция белка во многих случаях может быть связанной с этими модами основного подпространства, динамика в этом низкоразмерном пространстве была названа “коллективной динамикой” (essential dynamics, ED) (КД). Она не только помогает в анализе и интерпретации МД траекторий, но также открывает пути к улучшенным алгоритмам сэмплирования, которые проводят поиск в основном подпространстве либо систематическим, либо зондирующим образом (Grubmüller 1995; Amadei et al. 1996).

Первые попытки в этом направлении имели своей целью создание вычислительной схемы, в которой уравнения движения интегрировались бы исключительно вдоль выбранных первичных главных мод, резко уменьшая таким образом число степеней свободы (Amadei et al. 1993). Однако эти попытки оказались затруднительными из-за нетривиальных связей между высоко- и низкоамплитудными модами, несмотря даже на то, что после диагонализации моды стали линейно независимыми (ортогональными). Поэтому вместо них предпочтение было отдано ряду методик, в которых принимается во внимание полноразмерная расчетная система и улучшается движение вдоль выбранных главных мод. Самыми распространенными из этих методик являются конформационное затопление (conformational flooding) (Grubmüller 1995) и КД сэмплирование (Amadei et al. 1996; de Groot et al. 1996a, b). В конформационном затоплении для выбранных главных компонент в расчет потенциальной энергии вводится дополнительный член, который толкает моделируемую систему к перемещению в новые области фазового пространства, в то время как в КД сэмплировании аналогичная цель достигается геометрическими ограничениями для выбранных главных мод. Используя эти методики, можно получить на порядок более эффективное сэмплирование при условии что из традиционного расчета было получено разумное приближение главных мод. Однако из-за используемого пространственного или энергетического искажения системы, ансамбли, получаемые при ОД сэмплировании и конформационном затоплении, не являются каноническими, что ограничивает анализ только структурными вопросами.