开发用于色氨酸和酪氨酸自由基态的CHARMM力场参数

《Journal of Chemical Theory and Computation》：Developing CHARMM Force Field Parameters for the Radical States of Tryptophan and Tyrosine

　　

氨基酸自由基在诸多生理过程中发挥基础性作用，其涉及范围从DNA修复与合成到呼吸作用及磁感应。特别是，色氨酸和酪氨酸的自由基态常作为电子传递过程中的关键中间体。重要的是，自由基态可具有足够长的寿命，从而触发蛋白质中构象变化，这对生物分子信号传导具有重要意义。分子动力学（MD）模拟为研究酪氨酸和色氨酸氧化对蛋白质构象动力学的影响以及揭示其生物学作用的分子机制提供了理想手段。然而，MD模拟的可靠应用需要一套全面的分子力学参数来描述自由基态的氨基酸残基。在此，研究人员在CHARMM力场框架内开发了一套完整的酪氨酸和色氨酸残基自由基态的分子力学参数。这些参数针对大量量子力学数据进行优化，能够稳健地描述酪氨酸和色氨酸自由基态的分子内能量学、与水相互作用及静电性质。通过对模型蛋白系统（包括α3W蛋白、β-发夹maquette以及鸟类隐花色素）的模拟，对参数进行了测试和验证。模拟结果证明了酪氨酸和色氨酸氧化对侧链动力学、构象变化以及蛋白质一般生物物理性质的影响。研究人员期望所提出的力场参数集可用于涉及酪氨酸和色氨酸残基氧化的各种生物过程的计算研究。

论文解读：酪氨酸与色氨酸自由基态CHARMM力场参数开发及其在蛋白质动力学模拟中的应用

氨基酸自由基在多种生理过程中扮演核心角色，包括DNA生物合成与修复、光合作用以及磁感应。色氨酸（TRP）和酪氨酸（TYR）作为芳香族氨基酸，其自由基态常作为电子转移（ET）及质子耦合电子转移（PCET）过程的关键中间体，并能形成延长链以支持多步电子转移，这对于长距离ET/PCET至关重要。此类自由基链在核糖核苷酸还原酶介导的DNA合成与修复、光裂合酶功能以及隐花色素介导的磁感应中尤为关键。此外，TYR和TRP自由基可具有从毫秒至小时级别的寿命，足以诱导蛋白质构象变化，进而影响生物分子信号传导。分子动力学（MD）模拟为研究氨基酸氧化对蛋白质构象动力学的影响提供了强有力工具，但可靠应用MD需要全面且经过充分优化的分子力学（MM）参数。此前，针对中性自由基态TYR与阳离子自由基态TRP的参数开发仅局限于原子部分电荷优化，缺乏对成键参数及二面角参数的优化；同时，中性自由基态TRP与阳离子自由基态TYR尚无可用MM参数。因此，亟需在CHARMM力场框架内建立一套完整的自由基态参数。

研究人员以3-甲基吲哚（3MI）和4-甲基苯酚（4MP）为模型化合物，系统开发了TYR和TRP在中性及阳离子自由基态下的全套MM参数。参数优化以大量量子力学（QM）计算数据为目标：部分电荷的优化复现了模型化合物与水分子的相互作用能、平衡距离、偶极矩及静电势；成键与键角参数通过拟合QM势能面（PES）获得；刚性二面角参数针对3MI和4MP的平面结构进行了优化；柔性二面角参数（χ1和χ2）则利用二肽模型在多种主链构象（α-螺旋、β-折叠、胶原螺旋、左手α-螺旋）下进行多构象拟合。最终参数在多个模型蛋白体系中得到验证，包括β-发夹maquette肽A、α3W蛋白以及鸟类隐花色素ClCry4。

主要技术方法包括：基于B3LYP/6-31G*水平的密度泛函理论（DFT）计算QM参考数据，部分能量扫描辅以MP2方法验证；采用约束优化损失函数策略，同时拟合水相互作用能、距离、偶极矩、静电势及总电荷；通过蒙特卡洛模拟退火算法进行多主链构象的柔性二面角参数拟合；使用GROMACS和NAMD软件执行MD模拟，蛋白质体系分别来源于AlphaFold预测（肽A）、NMR结构（α3W，PDB ID 1LQ7）和X射线晶体结构（ClCry4，PDB ID 6PU0）。

研究结果分述如下：

电荷优化：针对3MI和4MP自由基态，优化后的部分电荷能较好重现QM水相互作用能（中性化合物RMSD低于热动能k_BT，阳离子化合物接近k_BT）和最优距离（中性化合物RMSD<0.1 ?）。偶极矩和静电势的复现也达到合理精度。结果显示，电荷分布能够正确描述自由基侧链与水的相互作用，为后续动力学模拟奠定了基础。

成键、键角及刚性二面角参数优化：PES分析表明，3MI氧化后重原子间键的能量学变化显著，且中性与阳离子自由基态变化趋势相似；而键角变形能则主要受去质子化影响，氧化对其影响较小。4MP中CZ–OH键在中性自由基态显著收缩。DFT与MP2结果差异极小，证实了B3LYP方法的适用性。新引入的原子类型集中于自旋密度较高区域。优化后参数使MM与QM PES的RMSD普遍低于1 kJ/mol，最大误差低于k_BT，明显优于未调整的标准CHARMM参数。

柔性二面角参数优化：在四种主链构象下同时拟合χ1和χ2旋转PES。对于中性自由基态TRP和TYR，优化参数使RMSD降低约一半，能正确捕捉局部极小值位置、相对能量及能垒，尤其重现了α-螺旋构象下χ2能景的平坦化。阳离子自由基态TRP参数改善较温和，χ1描述较好，χ2精度稍差。阳离子TYR参数优化总体RMSD有所改善，但在胶原和左手螺旋构象下仍存在描述不足。分析表明，阳离子自由基态二肽主链携带显著正电荷且分布随构象变化，这限制了固定电荷MM框架下的拟合精度。尽管如此，除阳离子TYR外，新参数对侧链旋转动力学的描述均优于未调整参数。

测试模拟：肽A模拟显示，Y5氧化为中性自由基态后，β-发夹结构部分去稳定，β-链残基数减少，但未完全失去二级结构，与实验观测的氢键部分丢失一致。α3W模拟中，W34处于阳离子自由基态时，χ2旋转导致其与E15的相互作用几何显著改变，并引发整体折叠变化；静电分析表明K38附近静电势升高并非直接来自W34正电荷，而是侧链重取向破坏了相邻酸性残基对K38的屏蔽。中性自由基态下W34去质子化后疏水性增强，侧链埋入蛋白内部，溶剂可及表面积从11 ?2降至3 ?2，揭示氧化诱导的去质子化可驱动侧链重取向并影响水合状态。ClCry4模拟中，TrpC和TrpD在阳离子自由基态的摆动运动与侧链二面角Λ分布与此前研究一致，仅摆动尺度参数略高约0.8°，表明亚微秒时间尺度内色氨酸侧链动力学主要由蛋白环境决定，对成键参数变化不敏感。

讨论与结论：本研究填补了CHARMM力场中TYR和TRP自由基态参数的空白，提供了涵盖部分电荷、成键、键角及二面角的完整参数集。参数经QM数据和多种模型蛋白验证，能够描述自由基态特有的分子内能量学、静电性质和水相互作用。模拟证明，TYR和TRP氧化可导致二级结构去稳定、三级结构改变及侧链重取向，这些效应与生物分子信号传导和PCET机制密切相关。在磁感应研究方面，新参数支持对隐花色素中自由基对动力学的精细模拟。研究人员强调，该参数集为在原子分辨率下研究TYR和TRP自由基的生物学作用开辟了途径，但同时也提醒，阳离子TYR自由基态参数在长时程模拟中需谨慎使用。总体而言，这套参数有望广泛应用于涉及氨基酸氧化的各类生物过程计算研究。