AutoDock 系列软件简介

AutoDock 是一款用于分子对接的免费开源软件套件，广泛应用于药物设计和结构生物学领域,它主要包括两个核心程序：

1. AutoDock4: 一个经典的对接引擎，使用拉马克遗传算法，计算速度较慢,但结果有时更稳定。
2. AutoDock Vina: 目前最主流的对接引擎，使用改进的优化算法。速度极快，精度高，是本教程的重点。

工作流程： 我们将使用图形界面工具 AutoDock Tools (ADT) 来准备输入文件，然后使用命令行工具 Vina 来执行计算,最后用可视化软件来分析结果。

教程目标

我们将完成一个完整的对接任务：将一个已知的小分子药物 阿司匹林 对接到其靶点蛋白 环氧合酶-2 (COX-2, PDB ID: 5IKR) 的活性口袋中。

第一部分：准备工作

在开始之前,请确保你已经安装了以下软件：

1. AutoDock Tools (ADT): 下载地址 (选择对应你操作系统的版本，如 Windows, Linux, macOS)，安装后启动,界面是一个独立的窗口。
2. AutoDock Vina: 下载地址 (下载 vina 或 vina.exe 可执行文件)。无需安装，只需将下载的可执行文件放在一个固定的路径下（C:\vina）,并记住这个路径。
3. PyMOL 或 ChimeraX: 用于查看和分析结果。
   • PyMOL: 下载地址 (免费版足够使用)。
   • ChimeraX: 下载地址 (完全免费，功能强大)。
4. 一个文本编辑器: 如 Notepad++, VS Code, Sublime Text 等。

第二部分：获取和准备蛋白质

步骤 1: 下载蛋白质结构文件

1. 访问蛋白质数据库 RCSB PDB: https://www.rcsb.org/
2. 在搜索框中输入 PDB ID: 5IKR，然后点击 "Download Files"。
3. 下载 5IKR.pdb 文件,这个文件包含了蛋白质的原子坐标。

步骤 2: 清理蛋白质结构

PDB 文件中可能包含水分子、其他配体、离子等，这些通常需要移除,只保留我们感兴趣的蛋白质部分。

1. 使用 PyMOL 清理 (推荐):

   • 打开 PyMOL，加载 5IKR.pdb 文件。

   • 在命令行窗口输入以下命令：

     # 移除所有水分子 (HOH)
     remove resn HOH
     # 移除所有其他配体和非标准残基
     # 5IKR 中的配体是 ITS (Ibuprofen Trisalate)，我们也要移除它
     remove resn ITS
     # 移除所有离子
     remove elem Na,Cl,K
     # 保存清理后的蛋白质文件
     save 5IKR_clean.pdb, chain A

   • 现在你得到了一个干净的蛋白质文件 5IKR_clean.pdb。

     
     （图片来源网络，侵删）

2. 使用 ChimeraX 清理:

   • 打开 ChimeraX，输入 open 5IKR.pdb。

   • 在命令行输入：

     # 移除水、离子和其他配体
     delete ~water ~ion ~het
     # 保存文件
     save 5IKR_clean.pdb

步骤 3: 在 AutoDock Tools 中准备蛋白质

1. 打开 AutoDock Tools (ADT)。
2. 点击菜单栏的 File -> Open，选择刚刚保存的 5IKR_clean.pdb 文件。
3. 加氢: 蛋白质在晶体结构中通常缺少氢原子，而对接需要氢原子来形成氢键。
   • 点击菜单栏的 Edit -> Hydrogens -> Add Polar Hydrogens,这会添加极性氢原子。
   • 再次点击 Edit -> Hydrogens -> Add Non-Polar Hydrogens，这会添加非极性氢原子（如与碳相连的氢）。
4. 计算电荷: AutoDock 依赖于原子电荷来计算能量。
   • 点击菜单栏的 Grid -> Macromolecule -> Choose...，在弹出的窗口中，确保 5IKR_clean 被选中，然后点击 Select。
   • ADT 会自动为蛋白质中的原子分配 Gasteiger 电荷，这个过程是自动完成的,你无需额外操作。
5. 保存为 PDBQT 文件: 这是 AutoDock 专用的格式，包含了原子坐标、电荷和类型信息。
   • 点击菜单栏的 File -> Save As，将文件名设为 5IKR_protein.pdbqt,然后保存。

第三部分：准备小分子配体

我们将使用阿司匹林（Aspirin）作为配体，你可以从 PDB 文件中提取,也可以从化学数据库下载。

步骤 1: 获取配体结构

1. 从 PDB 文件中提取
   • 在 PyMOL 中，加载 5IKR.pdb。
   • 在命令行输入：select ligand, resn ITS (ITS 是阿司匹林的类似物，结构非常相似)。
   • 输入 save aspirin.pdb, ligand,得到配体文件。
2. 从在线数据库下载
   • 访问 PubChem: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
   • 搜索 "Aspirin"，找到其 CID (2244)，点击 "Download"，选择 "3D Structure (SDF)" 格式并下载。

步骤 2: 在 AutoDock Tools 中准备配体

1. 在 ADT 中，点击 File -> Open，选择你得到的配体文件（如 aspirin.pdb 或从 PubChem 下载的 SDF 文件）。
2. 设置键的旋转自由度: ADT 需要知道哪些键可以旋转，从而在对接过程中进行构象搜索。
   • 点击工具栏上的 Torsion Tree 按钮（看起来像一个小树）。
   • ADT 会自动检测可旋转的键（通常是单键）,并用绿色高亮显示。
   • 检查一下，确保所有合理的旋转键都被标记了，阿司匹林只有一个可旋转的键（酯键）,应该只有一个绿色标记。
3. 计算电荷和原子类型:
   • 点击菜单栏的 Ligand -> Choose...，选中你的配体，点击 Select。
   • ADT 会自动分配电荷和原子类型。
4. 保存为 PDBQT 文件:
   • 点击 File -> Save As，将文件名设为 aspirin_ligand.pdbqt,然后保存。

第四部分：定义对接网格

网格定义了在蛋白质表面哪个区域进行搜索,一个合适的网格区域可以大大节省计算时间。

步骤 1: 确定活性位点

1. 根据已知信息
   • 对于 5IKR，我们知道阿司匹林结合在 COX-2 的活性口袋，通过 PyMOL 观察蛋白质结构,可以大致定位口袋中心。
2. 使用 ADT 的中心点功能
   • 在 ADT 中，确保你的蛋白质 5IKR_protein.pdbqt 已经打开。
   • 点击菜单栏的 Grid -> Grid Box...。
   • 在弹出的窗口中，你可以通过在 PyMOL 视图中点击一个原子来设置中心点坐标。
   • 中心: 输入你选择的中心坐标，x: -12.5, y: 10.0, z: -10.0 (这是一个针对 5IKR 的示例坐标)。
   • 大小: 定义搜索空间的尺寸，对于小分子对接，20 x 20 x 20 Å 通常足够，如果配体较大，可以适当增加到 25 x 25 x 25 Å 或更大。

步骤 2: 生成网格文件

1. 在 Grid 菜单中，点击 Output -> Gpf...。
2. 选择要保存的文件名，5IKR_receptor.gpf (Grid Parameter File)。
3. 然后点击 Output -> Dpf...，保存为 5IKR_receptor.dpf (Docking Parameter File)。
4. 点击 Output -> Grid...，保存为 5IKR_receptor.gridpt (Grid Data File)。

注意: gpf 和 dpf 文件是文本文件，你可以用记事本打开查看参数。gridpt 是二进制文件，供 Vina 使用。

第五部分：运行 AutoDock Vina

现在我们准备好了一切,可以开始运行对接计算了。

步骤 1: 准备配置文件

我们需要一个文本文件来告诉 Vina 所有参数。

1. 用记事本创建一个新文件，命名为 config.txt。

2. receptor = 5IKR_protein.pdbqt
   ligand = aspirin_ligand.pdbqt
   center_x = -12.5
   center_y = 10.0
   center_z = -10.0
   size_x = 20
   size_y = 20
   size_z = 20
   exhaustiveness = 8  # 搜索强度，值越高越准越慢，推荐 4-16
   num_modes = 9      # 生成多少个构象，推荐 9-20
   energy_range = 3    # 能量范围 (kcal/mol)
   out = output.pdbqt  # 输出文件名

   • exhaustiveness: 最重要的参数之一，控制搜索的彻底程度，8 是一个不错的起点，如果电脑性能好，可以设为 16。
   • num_modes: 你希望 Vina 返回多少个结合最好的构象。

步骤 2: 执行对接

1. 打开命令行工具（在 Windows 上是 "CMD" 或 "PowerShell"，在 macOS/Linux 上是 "Terminal"）。

2. 使用 cd 命令切换到你存放所有文件的目录（cd C:\my_docking_project）。

3. 运行 Vina 程序，假设你的 vina.exe 在 C:\vina 目录下：

   # Windows
   C:\vina\vina.exe --config config.txt
   # macOS / Linux (假设 vina 可执行文件在当前目录)
   ./vina --config config.txt

4. 程序开始运行，你会看到进度条，运行时间取决于 exhaustiveness 和你的电脑性能,通常需要几分钟到半小时。

5. 运行结束后，目录下会生成一个新的文件 output.pdbqt，里面包含了对接后的 9 个构象。

第六部分：分析结果

对接完成后,分析结果是最关键的一步。

步骤 1: 查看对接构象

1. 使用 PyMOL:

   • 打开 PyMOL，首先加载原始的蛋白质 5IKR_clean.pdb。
   • 然后点击 File -> Open，加载对接结果文件 output.pdbqt。
   • 你会看到蛋白质上叠加了 9 个阿司匹林分子，它们按照结合能从低到高排列（第一个结合最好）。
   • 你可以使用 PyMOL 的选择工具来分别查看每个构象，并测量它们与关键氨基酸残基的距离,分析氢键等相互作用。

2. 使用 ChimeraX:

   • 打开 ChimeraX，输入 open 5IKR_clean.pdb。
   • 输入 open output.pdbqt。
   • ChimeraX 会自动将对接结果以不同颜色显示，你可以使用命令 show as sticks 来更好地观察相互作用。

步骤 2: 理解输出文件

打开 output.pdbqt 文件,你会看到文件末尾有一段总结信息：

...
REMARK Vina finished
REMARK Results for 5IKR_protein.pdbqt and aspirin_ligand.pdbqt
...
REMARK  1     -7.3       0.000      -12.5       10.0      -10.0
REMARK  2     -7.1       0.000      -12.5       10.0      -10.0
...

• REMARK 1: 第一个数字是 结合能，单位是 kcal/mol。这个值越低（负得越多），代表结合越稳定。
• REMARK 2: 后面的三个数字是该构象下配体质心的坐标。

通过比较不同配体的结合能,你可以判断哪个配体与靶点蛋白的结合能力更强。

总结与进阶

恭喜你！你已经完成了一次完整的 AutoDock Vina 分子对接流程。

关键要点回顾:

1. 准备: 获取 PDB 文件，用 PyMOL/ChimeraX 清理。
2. 加氢和电荷: 在 ADT 中为蛋白质和配体加氢并分配电荷，保存为 .pdbqt。
3. 定义网格: 在 ADT 中设置网格的中心和大小，生成 .gridpt 文件。
4. 运行对接: 编写 config.txt，在命令行运行 Vina。
5. 分析结果: 用 PyMOL/ChimeraX 查看 .pdbqt 输出文件,分析结合能和相互作用。

进阶方向:

• 虚拟筛选: 如果你有一系列配体，可以编写一个脚本来批量准备和运行对接,以找到潜在的活性化合物。
• 柔性对接: 本教程是半柔性对接（蛋白质刚性，配体柔性），要进行柔性对接（蛋白质侧链也可移动），需要使用 AutoDock4,过程更复杂。
• 分子动力学: 对接结果是一个静态的快照，你可以将最佳构象导入 GROMACS 或 AMBER 等软件进行分子动力学模拟,以评估结合的稳定性和动力学行为。

希望这份详细的教程能帮助你顺利入门 AutoDock！如果在操作中遇到问题,请仔细检查每一步的文件格式和参数设置。