O'ziga mos keladigan o'rtacha soha (biologiya) - Self-consistent mean field (biology)

The o'z-o'ziga mos o'rtacha maydon (SCMF) usuli - bu moslashish maydon nazariyasi degani ichida ishlatilgan oqsil tuzilishini bashorat qilish optimalni aniqlash uchun aminokislota yon zanjir qadoqlangan oqsil umurtqasi^[1]. Bu tezroq, ammo unchalik aniq emas o'lik tugatish va, odatda, qiziqish oqsillari juda katta bo'lib, muammo DEE tomonidan boshqarilishi mumkin emas^[2].

Umumiy tamoyillar

Tugalsiz eliminatsiya singari, SCMF usuli ham diskretlash orqali konformatsion makonni o'rganadi dihedral burchaklar har bir yon zanjirning to'plamiga rotamerlar oqsillar ketma-ketligining har bir pozitsiyasi uchun. Usul har bir pozitsiyada har bir mumkin bo'lgan rotamerning nisbiy populyatsiyasining ehtimoliy tavsifini takroriy ravishda ishlab chiqadi va berilgan strukturaning ehtimolligi uning alohida rotamer tarkibiy qismlarining ehtimolligi funktsiyasi sifatida aniqlanadi.

SCMFni samarali amalga oshirish uchun asosiy talablar quyidagilardan iborat:

1. Diskret mustaqil o'zgaruvchilarning aniq belgilangan cheklangan to'plami
2. O'zgaruvchilar to'plamidagi har bir element bilan bog'liq bo'lgan va har ikkala ikkilik element juftligi bilan bog'liq bo'lgan oldindan hisoblangan raqam ("energiya" deb hisoblanadi)
3. Har bir alohida rotamerning boshlang'ich populyatsiyasini tavsiflovchi dastlabki ehtimollik taqsimoti
4. O'rtacha maydon energiyasining funktsiyasi sifatida rotamer energiyalari va ehtimolliklarini yangilash usuli

Jarayon, odatda rotamerlar bo'yicha bir xil ehtimollik taqsimoti bilan boshlanadi, ya'ni agar mavjud bo'lsa ${displaystyle p}$ rotamerlar ${displaystyle kth}$ oqsildagi holat, keyin har qanday individual rotamerning ehtimoli ${displaystyle r_ {k} ^ {A}}$ bu ${displaystyle 1 / p}$. Energiya va ehtimolliklar o'rtasidagi konvertatsiya odatda orqali amalga oshiriladi Boltzmann taqsimoti, bu harorat faktorini kiritadi (shu bilan usulni moslashtiradi) simulyatsiya qilingan tavlanish ). Pastroq haroratlar eritmalarning kichik subpulyatsiyasiga emas, balki bitta eritmaga yaqinlashish ehtimolini oshiradi.

O'rtacha maydon energiyalari

Shaxsiy rotamerning energiyasi ${displaystyle r_ {k}}$ boshqa pozitsiyalarning "o'rtacha maydon" energiyasiga bog'liq - ya'ni har qanday boshqa holatda har bir rotamerning energiya hissasi uning ehtimolligiga mutanosibdir. Uzunlikdagi oqsil uchun ${displaystyle N}$ bilan ${displaystyle p}$ qoldiq boshiga rotamerlar, oqim takrorlanishidagi energiya quyidagi ifoda bilan tavsiflanadi. Aniqlik uchun iteratsiyada o'rtacha maydon energiyasi ekanligini unutmang ${displaystyle i}$ bilan belgilanadi ${displaystyle M_ {i}}$, oldindan hisoblab chiqilgan energiya bilan belgilanadi ${displaystyle E}$, va berilgan rotamerning ehtimolligi bilan belgilanadi ${displaystyle P_ {i} (r_ {k} ^ {A})}$.

${displaystyle M_ {i} (r_ {k} ^ {A}) = E_ {k} (r_ {k} ^ {A}) + sum _ {x = 1} ^ {N} sum _ {y = 1} ^ {p} P_ {i-1} (r_ {x} ^ {y}) E_ {xy} (r_ {k} ^ {A}, r_ {x} ^ {y})}$

Ushbu o'rtacha kuch energiyalari Boltsman qonuni orqali ehtimollarni yangilash uchun ishlatiladi:

${displaystyle P_ {i} (r_ {k} ^ {A}) = chap (exp chap (- {frac {M_ {i} (r_ {k} ^ {A})} {kT}} ight) ight) chap (sum _ {y = 1} ^ {p} exp chap (- {frac {M_ {i} (r_ {k} ^ {y})} {kT}} ight) ight) ^ {- 1}}$

qayerda ${displaystyle k}$ bo'ladi Boltsman doimiy va ${displaystyle T}$ harorat omili.

Tizim energiyasi

SCMF usulini amalga oshirishda tizim energiyasini hisoblash talab etilmasa ham, yaqinlashayotgan natijalarning umumiy energiyasini bilish foydalidir. Tizim energiyasi ${displaystyle M_ {sys}}$ ikki sumdan iborat:

${displaystyle M_ {sys} = M_ {single} + M_ {pair}}$

qo'shimchalar quyidagicha aniqlanadi:

${displaystyle M_ {single} = sum _ {x = 1} ^ {N} sum _ {y = 1} ^ {p} P (r_ {x} ^ {y}) E_ {x} (r_ {x} ^) {y})}$

${displaystyle M_ {juftlik} = sum _ {x = 1} ^ {N} sum _ {y = 1} ^ {p} sum _ {a = x + 1} ^ {N} sum _ {b = 1} ^ {p} chap (P (r_ {x} ^ {y}) P (r_ {a} ^ {b}) E_ {xy} (r_ {x} ^ {y}, r_ {a} ^ {b}) yaxshi)}$

Yaqinlashish

SCMF usuli uchun mukammal yaqinlashish har bir pozitsiyada aynan bitta rotamer uchun 1 ehtimolini keltirib chiqaradi ${displaystyle k}$ oqsilda va har bir pozitsiyada boshqa rotamerlar uchun nol ehtimoli. Noyob echimga yaqinlashish har bir pozitsiyada aynan bitta rotamer uchun 1 ga yaqin ehtimolliklarni talab qiladi. Amalda, ayniqsa yuqori harorat ishlatilganda, algoritm o'rniga har bir pozitsiyada ozgina katta ehtimoli bor rotamerlar aniqlanadi, natijada konformatsiyalarning nisbiy energiyasini sanab chiqishga imkon beradi (olingan energiya asosida emas, balki oldindan hisoblangan energiya asosida) o'rtacha maydon yaqinlashishi). Konvergentsiyani yaxshilashning usullaridan biri bu avvalgi yuqori haroratli ishdan hisoblangan ehtimolliklar yordamida yana past haroratda ishlashdir.

Aniqlik

Tugallanmagan eliminatsiyadan farqli o'laroq, SCMF optimal echimga yaqinlashishiga kafolat bermaydi. Biroq, bu Montero Karlo tahliliga tayanadigan alternativalardan farqli o'laroq, deterministik (har doimgidek, bir xil boshlang'ich shartlar berilganida bir xil echimga yaqinlashadi). Optimal echimni topishga kafolatlangan DEE bilan taqqoslaganda, SCMF tezroq, ammo umuman unchalik aniq emas; oqsilning yadrosidagi to'g'ri yon zanjir konformatsiyalarini aniqlashda sirtning to'g'ri konformatsiyalarini aniqlashga qaraganda ancha yaxshi^[3]. Geometrik qadoqlash cheklovlari sirtda kamroq cheklovlarga ega va shuning uchun konformatsion qidiruv uchun kamroq chegaralar beradi.

Adabiyotlar

1. ^ Koehl P, Delarue M. (1994). Protein yon zanjirlarining konformatsiyasini prognoz qilish va ularning konformatsion entropiyasini baholash uchun o'zaro mos keladigan o'rtacha maydon nazariyasini qo'llash. J Mol Biol 239(2):249-75.
2. ^ Voigt, CA, Gordon, JB, Mayo SL. (2000). Savdo tezligi uchun aniqlik: oqsillar ketma-ketligini loyihalashda qidirish algoritmlarini miqdoriy taqqoslash. J Mol Biol 299(3):789-803.