Континуальная модель растворителя: программа DISOLV - алгоритмы, реализация и валидация

Авторы

  • О.Ю. Купервассер
  • С.Н. Жабин
  • Я.Б. Мартынов
  • К.М. Федулов
  • И.В. Офёркин
  • А.В. Сулимов
  • В.Б. Сулимов

Ключевые слова:

модель поляризуемого континуума
модель экранировки проводникового типа
поверхностный вариант обобщенной модели Борна
сольватация
неявная модель растворителя
компьютерная разработка лекарств
поверхность исключенного объема
доступная растворителю поверхность
триангуляция
неполярные взаимодействия
полярные взаимодействия
силовое поле

Аннотация

Рассмотрены несколько неявных (континуальных) моделей растворителя: модель поляризуемого континуума (Polarized Continuum Model, или PCM), поверхностный вариант обобщенной модели Борна (Surface Generalized Born, или S-GB) и модель экранировки проводникового типа (COSMO), а также их программная реализация DISOLV. Приведены методы решения соответствующих уравнений и вычисление градиентов энергии молекулы в растворителе, которые нужны при использовании программы DISOLV для локальной оптимизации энергии молекулы в растворителе. Даны основы алгоритма построения используемых в этих моделях молекулярных поверхностей, краткое описание алгоритмов, метод подбора параметров моделей и результаты тестирования на белках и лигандах при использовании силового поля MMFF94. Представлены результаты валидации программы DISOLV, которые показали не только возможность достижений хорошей точности расчетов при произвольных сдвигах триангуляционной сетки — лучше нескольких десятых ккал/моль при разумных временах для таких больших макромолекул, как белки, но и неплохое совпадение (среднеквадратичное отклонение 0.8 ккал/моль) рассчитанных значений энергии перехода молекулы из газа в воду с экспериментальными значениями для нескольких сотен молекул. Работа выполнена в рамках проведения научно-исследовательских работ по пост-геномным исследованиям и технологиям МГУ им. М.В. Ломоносова и выполнения работ по госконтракту 02.740.11.0388 по теме «Суперкомпьютерные технологии для решения задач обработки, хранения, передачи и защиты информации», а также частично поддержана грантами РФФИ (коды проектов 09-01-12097_офи-м и 10-07-00595-а).

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2011-05-16

Выпуск

Том 12 (2011): Выпуск 2.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

О.Ю. Купервассер

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• старший научный сотрудник

С.Н. Жабин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• младший научный сотрудник

Я.Б. Мартынов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• старший научный сотрудник

К.М. Федулов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• программист

И.В. Офёркин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• программист

А.В. Сулимов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• системный программист

В.Б. Сулимов

ООО «Димонта»
ул. Нагорная, 15-8, 117186, Москва
• заведующий лабораторией

Библиографические ссылки

  1. Садовничий В.А., Сулимов В.Б. Суперкомпьютерные технологии в медицине // Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности / Под ред. В.А. Садовничего, Г.И. Савина, Вл.В. Воеводина. М: Изд-во Моск. ун-та, 2009. 16-23.
  2. Романов А.Н., Кондакова О.А., Григорьев Ф.В., Сулимов A.В., Лущекина С.В., Мартынов Я.Б., Сулимов В.Б. Компьютерный дизайн лекарственных средств: программа докинга SOL // Вычислительные методы и программирование. 2008. 9, N 2. 64-84.
  3. Tomasi J., Persico M. Molecular interactions in solution: an overview of method based on continuous distributions of the solvent // Chem. Rev. 1994. 94. 2027-2094.
  4. Cramer C., Truhlar D. Implicit solvation models: equilibria, structure, spectra, and dynamics // Chem. Rev. 1999. 99. 2161-2200.
  5. Onufriev A. Continuum electrostatics solvent modeling with the generalized Born model // Modeling Solvent Environments. Applications to Simulations of Biomolecules.
  6. Купервассер О.Ю., Жабин С.Н., Сулимов В.Б. DISOLV. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ N 2010612994. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам 6 мая 2010 года.
  7. Купервассер О.Ю., Жабин С.Н., Сулимов В.Б. Континуальные модели растворителя. Подсчет свободной энергии растворения // Сб. материалов II Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях». 27-29 мая 2009. М.: МИФИ, 2009. 230.
  8. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., et al. Gaussian 03 (Revision B. 03) // Gaussian Inc. Pittsburgh, 2003.
  9. General Atomic and Molecular Electronic Structure System, GAMESS User’s Guide // Department of Chemistry Iowa State University. Ames, 2010 (http://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/documentation.html).
  10. Werner H.J., Knowles P.J. MolPro Users Manual Version 2010.1 Patchlevel 14 // University College Cardiff Consultants Limited (http://www.molpro.net/info/current/doc/manual/node1.html).
  11. Stewart J.P. MOPAC Manual (Seventh Edition) // January 1993 (nova.colombo58.unimi.it/manual/pdf/Mopac7.pdf).
  12. Im W., Beglov D., Roux B. Continuum solvation model: computation of electrostatic forces from numerical solutions to the Poisson-Boltzmann equation // Comp. Phys. Commun. 1998. 111. 59-75.
  13. Rocchia W., Sridharan S., Nicholls A., Alexov E., Chiabrera A., Honig B. Rapid grid-based construction of the molecular surface and the use of induced surface charge to calculate reaction field energies: applications to the molecular systems and geometric objects // J. Comp. Chem. 2002. 23, N 1. 128-137.
  14. Baker N.A., Sept D., Joseph S., Holst M.J., McCammon J.A. Electrostatics of nanosystems: application to microtubules and the ribosome // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. 98. 10037-10041.
  15. Halgren T.A. Merck molecular force field // J. Comput. Chem. 1996. Т. 5&;6. 490-519; 520-552; 553-586; 587-615; 616-641.
  16. Connolly M.L. Solvent-accessible surfaces of proteins and nucleic acids // Science. 1983. 221, N 4612. 709-713.
  17. Scharlin P., Battino R., Silla E., Tunon I., Pascual-Ahuir J.L. Solubility of gases in water: correlation between solubility and the number of water molecules in the first solvation shell // Pure &; App. Chem. 1998. 70, N 10. 1895-1904.
  18. Жабин С.Н., Сулимов В.Б. TAGSS. Свидетельство N 2006613753 о государственной регистрации программ для ЭВМ. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам 27 октября 2006.
  19. Жабин С.Н., Сулимов В.Б. Программа построения доступной растворителю поверхности для произвольных органических молекул и интерактивный просмотр положений лигандов в активных центрах белков // Сб. материалов XIII Российского национального конгресса «Человек и лекарство». 3-7 апреля 2006. М., 2006. 15.
  20. Жабин С.Н., Сулимов В.Б. Программа для визуализации и редактирования молекул «MOLRED» // Сб. материалов II Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях». 27-29 мая 2009. М.: МИФИ, 2009. 166.
  21. Pomelli S., Tomasi J. A new formulation of the PCM solvation method: PCM-QINTn Christian // Theor. Chem. Acc. 1997. 96. 39-43.
  22. Totrov M., Abagyan R. Rapid boundary element solvation electrostatics calculations in folding simulations: successful folding of a 23-residue peptide // Biopolymers (Peptide Science). 2001. 60. 124-133.
  23. Klamt A., Schuurmann G. COSMO: a new approah to dielectric screening in solvent with explicit expressions for the screening energy and its gradient // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1993. 2. 799-805.
  24. Romanov A.N., Jabin S.N., Martynov Y.B., Sulimov A.V., Grigoriev F.V., et al. Surface generalized Born method: a simple, fast and precise implicit solvent model beyond the Coulomb approximation // J. Phys. Chem. Sect A. 2004. 108. 9323-9327.
  25. Bordner A.J., Cavasotto C.N., Abagyan R.A. Accurate transferable model for water, n-Octanol, and n-Hexadecane solvation free energies // J. Phys. Chem. B. 2002. 106. 11009-11015.
  26. Vorobjev Y.N., Hermans J. SIMS: computation of a smooth invariant molecular surface // Biophys. J. Volume. 1997. 73. 722-732.
  27. Васильев Ф.П. Методы оптимизации. М.: Факториал Пресс, 2002.
  28. Onufriev A., Case D.A., Bashford D. Effective Born radii in the generalized Born approximation: the importance of being perfect // J. Comput. Chem. 2002. 23. 1297-1304.
  29. Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I.N., Bourne P.E. The protein data bank // Nucleic Acids Research. 2000. 28. 235-242 (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do).
  30. Word J.M., Lovell S.C., Richardson J.S., Richardson D.C. Asparagine and glutamine: using hydrogen atom contacts in the choice of side-chain amide orientation // J. Mol. Biol. 1999. 285. 1735-1747.
  31. Жабин С.Н., Сулимов В.Б. Реализация интерактивности в молекулярном редакторе MOLRED // Научная визуализация. 2010. 2, N 1. 59-81.
  32. Перечень 20 комплексов, использовавшихся при валидации. PDB entries: 1a28, 1Abe, 1ANE, 1ART, 1bcj, 1bky, 1d4i, 1d4j, 1y20, 1yc1, 1ydk, 1z95, 1zhy, 2q89, 2r3d, 2r5p, 2v8q, 3b50, 3bgq, 3bgz.
  33. Chudinov G.E., Napolov D.V., Basilevsky M.V. Quantum-chemical calculations of the hydration energies of organic cations and anions in the framework of a continuum solvent approximation // Chem. Phys. 1992. 160. 41-54.
  34. Jorgensen W.L., Ulmschneider J.P., Tirado-Rivers J. Free energies of hydration from a generalized Born model and an all-atom force field // J. Phys. Chem. B. 2004. 108. 16264-16270.