Post on 14-Feb-2021
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BIOCH 590: Biomacromolecules, Part I Spring 2009
Copyright: Jianhan Chen
Main References: 1. Chapter 3 of van Holde 2. Second half of Chapter 9 of Tinoco (pages 493-516)
8)
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Secondary
Structure
Stability per
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Model Reference
State
Antiparallel
!-sheet
-2.8 [Ac-ala-NHMe]2 Infinite
separation
Ala-gly
Type II turn
-0.6 Ac-ala-gly-NHMe Extended
Amide
H-bond
-0.3 [formamide]2 Infinite
separation
1st helical
H-bond
-0.2 Ac-(ala)3-NHMe extended
2nd helical
H-bond
-0.4/-1.0 Ac-(ala)4-NHMe extended
Ala-gly
Type I turn
2.6 Ac-ala-gly-NHMe extended
Pro-gly
Type I turn
2.6 Ac-pro-gly-NHMe extended
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Small barrier and minimum associated with “naked” hydrogen bond, much more significant for beta-sheet model
Tobias and Brooks CPL (1990)
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10 conformations per residue, 10-11 (10 ps) per state
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A quantitative model of proteins need to be able to predict several kcal/mol differences in (free) energy!
This small energies result from a summation of many atom pairs (106-108)! Plus, entropic effects.
This is extremely difficult, if ever possible!
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PDB: 3doa 44 residues
http://www.predictioncenter.org/casp8/results.cgi
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The Energy Landscape Theory (arguably the prevailing theory)
Diffusion and collision Karplus and Weaver, Biopolymers., 18, 1421 (‘77).
Folding via modular assembly Ptitsyn and Rashin, Biophys. Chem., 3, 1 (‘75).
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A pioneering ball and stick atomic model set, 1860s
Sampling
The process of finding the optimal assembly of the basic model units.
Force Field
A set of basic model units and associated rules.
http://www.sesame.org.jo/publication/NSLS.aspx Ethanol 8n)
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increasing details and predicting power increasing difficulty and computational cost
minimalist
models
all-atom / simplified potentials
all-atom / molecular mechanics
coarse-grained models
quantum mechanics
polar hydrophobic
Minimalist models All-atom models
Provide the ultimate details necessary for understanding most biophysical processes.
Lattice models
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Classical Energy Functions
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“Force Field”
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Molecular Dynamics (MD) Monte Carlo (MC)
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excerpted from: top_all22_prot.inp
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! !! for 2-butene, yin/adm jr., 12/95!…!DIHEDRALS!C CT1 NH1 C 0.2000 1 180.00 ! ALLOW PEP! ! ala dipeptide update for new C VDW Rmin, adm jr., 3/3/93c!C CT2 NH1 C 0.2000 1 180.00 ! ALLOW PEP! ! ala dipeptide update for new C VDW Rmin, adm jr., 3/3/93c!…!NONBONDED nbxmod 5 atom cdiel shift vatom vdistance vswitch -!cutnb 13.0 ctofnb 12.0 ctonnb 10.0 eps 1.0 e14fac 1.0 wmin 1.5 ! !adm jr., 5/08/91, suggested cutoff scheme!C 0.000000 -0.110000 2.000000 ! ALLOW PEP POL ARO! ! NMA pure solvent, adm jr., 3/3/93!CA 0.000000 -0.070000 1.992400 ! ALLOW ARO! ! benzene (JES)!
excerpted from: par_all22_prot.inp
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Channel-forming peptides in a fully solvated membrane bilayer;
Channel: 1795 atoms; All: 26254 atoms
Simulated Time
1 ns (10-9 s) (500,000 MD steps)
CPU Time
~200 hours (106 s)
Wall Time
~1 days (105 s) / 8 CPUs
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Simulation time should exceed the time scale of interest by ~10-fold !
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200 residues)
Protein Folding, Conformational Transitions
Internal Dynamics
Bond Vibrations
Peptides (~10 residues)
Small Proteins (
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Shaw JCC (2005)
van Gunsteren Angew Chem Int Ed (2006)
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Explicit solvent Protein: 56 residues (855 atoms)
Solvent: 5411 waters (16233 atoms)
Implicit solvent Hybrid macroscopic (solvent) /
microscopic (solute)
5"'(.$9
_c)
REP1!
REP2!
REP3!
REP4!
300 K
355 K
420 K
500 K
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REP2!
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REP3!
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REP2!
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REP1!
REP4!
?
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b+I'+%$/)3'26#1+7)W$%I+1t&$.)
Exchange criteria
Sugita and Okamoto, CPL (1999); MMTSB Tool Set: http://mmtsb.scripps.edu!
Protein Energy Surface
*
MD/MC
Replica Exchange (REX)
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>!?)3,(&%,&($)?$T+$2$+,)
=%C)`1'+I'+)5I$+) _k)
Initial Model from CNS
REX/GB Refinement
Refined Model
1 day later
PDB: 1XJH
1 month later
Chen et. al., JACS (2004); Chen et al., J. Biomol NMR (2004).!
:&+%-"+'#)!"-"+.)"H)?1K"."2$)
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W'2')$,)'#L);("%)>',)R%'/)3%1@)"##$rDpr)=8OODCL)
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http://brooks.chem.lsa.umich.edu/
\I',)/")S$)+$$/),")%"+.1/$({)
=%C)`1'+I'+)5I$+) _r) see also, Bionanotechnology D.S. Goodsell 2004 Wiley
500 Å