Universal Implementation of a Residue-Specific Force Field Based on CMAP Potentials and Free Energy Decomposition

二面角 力场(虚构) 分子动力学 折叠(DSP实现) 化学 化学物理 计算机科学 生物系统 计算化学 分子 机械工程 氢键 有机化学 人工智能 工程类 生物
作者
Wei Kang,Fan Jiang,Yun‐Dong Wu
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 4474-4486 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.8b00285
摘要

The coupling between neighboring backbone ϕ and ψ dihedral angles (torsions) has been well appreciated in protein force field development, as in correction map (CMAP) potentials. However, although preferences of backbone torsions are significantly affected by side-chain conformation, there has been no easy way to optimize this coupling. Herein, we prove that the three-dimensional (3D) free energy hypersurface of joint (ϕ, ψ, χ1) torsions can be decomposed into three separated 2D surfaces. Thus, each of the 2D torsional surfaces can be efficiently and automatically optimized using a CMAP potential. This strategy is then used to reparameterize an AMBER force field such that the resulting χ1-dependent backbone conformational preference can agree excellently with the reference protein coil library statistics. In various validation simulations (including the folding of seven peptides/proteins, backbone dynamics of three folded proteins, and two intrinsically disordered peptides), the new RSFF2C (residue-specific force field with CMAP potentials) force field gives similar or better performance compared with RSFF2. This strategy can be used to implement our RSFF force fields into a variety of molecular dynamics packages easily.
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