Empirical force fields for biological macromolecules: Overview and issues

Journal of Computational Chemistry - Tập 25 Số 13 - Trang 1584-1604 - 2004
Alexander D. MacKerell1
1Department of Pharmaceutical Sciences, School of Pharmacy, University of Maryland, 20 Penn Street, Baltimore, Maryland 21201, USA. [email protected]

Tóm tắt

AbstractEmpirical force field‐based studies of biological macromolecules are becoming a common tool for investigating their structure–activity relationships at an atomic level of detail. Such studies facilitate interpretation of experimental data and allow for information not readily accessible to experimental methods to be obtained. A large part of the success of empirical force field‐based methods is the quality of the force fields combined with the algorithmic advances that allow for more accurate reproduction of experimental observables. Presented is an overview of the issues associated with the development and application of empirical force fields to biomolecular systems. This is followed by a summary of the force fields commonly applied to the different classes of biomolecules; proteins, nucleic acids, lipids, and carbohydrates. In addition, issues associated with computational studies on “heterogeneous” biomolecular systems and the transferability of force fields to a wide range of organic molecules of pharmacological interest are discussed. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 25: 1584–1604, 2004

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

10.1038/347631a0

Becker O. M., 2001, Computational Biochemistry and Biophysics, 512, 10.1201/9780203903827

10.1007/s11910-001-0068-9

10.1002/andp.19213690304

Darden T., 2001, Computational Biochemistry and Biophysics, 91

10.1063/1.466711

10.1063/1.1336570

10.1002/(SICI)1096-987X(19971115)18:14<1785::AID-JCC7>3.0.CO;2-G

10.1063/1.463137

10.1063/1.470648

10.1063/1.467468

10.1021/jp992433y

10.1063/1.476737

10.1002/jcc.540040211

MacKerell A. D., 1998, Encyclopedia of Computational Chemistry, 271

Burkert U., 1982

10.1021/ja00124a002

van Gunsteren W. F., 1987, GROMOS. Groningen Molecular Simulation Program Package

10.1021/ja00214a001

10.1002/jcc.540120208

10.1002/jcc.1131

10.1021/jp980939v

10.1063/1.468848

10.1002/(SICI)1096-987X(199604)17:5/6<490::AID-JCC1>3.0.CO;2-P

10.1002/bip.10254

10.1021/j100389a010

10.1021/ja00051a040

10.1002/(SICI)1096-987X(19960715)17:9<1132::AID-JCC5>3.0.CO;2-T

10.1021/ja036959e

10.1002/jcc.20065

10.1139/v85-334

10.1002/(SICI)1096-987X(199604)17:5/6<520::AID-JCC2>3.0.CO;2-W

10.1021/ja00046a032

Reiher W. E.Theoretical Studies of Hydrogen Bonding. Ph.D. Harvard University 1985.

10.1021/ja00315a051

MacKerell A. D., 2001, Computational Biochemistry and Biophysics, 7

10.1021/j100398a015

10.1021/j100179a013

10.1002/jcc.540130806

10.1021/ja9621760

10.1021/jp9717655

10.1021/j100100a043

10.1002/(SICI)1096-987X(199802)19:3<334::AID-JCC7>3.0.CO;2-U

10.1021/ja984106u

10.1002/jcc.1166

10.1063/1.1674031

Hagler A. T., 1989, Computer Simulation of Biomolecular Systems, 149

10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2<86::AID-JCC2>3.0.CO;2-G

10.1063/1.1587119

10.1063/1.1598191

10.1016/S0959-440X(00)00196-2

10.1016/S0065-3233(03)66002-X

Rick S. W., 2002, Rev Comp Chem, 18, 89

10.1021/ja00181a017

10.1063/1.455722

10.1021/j100153a066

10.1021/j100066a043

10.1021/jp9731258

10.1016/0167-7322(95)00842-7

10.1021/ja952535b

10.1063/1.476900

10.1016/S0009-2614(99)01396-2

10.1002/(SICI)1521-3765(20000317)6:6<1035::AID-CHEM1035>3.0.CO;2-G

10.1021/jp010390r

10.1002/jcc.10355

10.1021/jp984498r

10.1016/S0022-2860(00)00641-4

10.1103/PhysRev.112.90

10.1080/00268978000101531

10.1021/jp961076d

10.1021/jp003843l

10.1063/1.1589749

10.1021/jp993687m

10.1063/1.1376165

10.1021/jp027815

10.1021/ja037005r

10.1021/la00028a008

10.1021/j100044a039

10.1021/j100016a067

10.1002/(SICI)1096-987X(199603)17:4<386::AID-JCC1>3.0.CO;2-Q

10.1002/jcc.1065

10.1021/ja00119a037

10.1021/jp991824

10.1002/jcc.10125

10.1002/jcc.20077

Anisimov V. M., 2004, Biophys J, 86, 415a

10.1063/1.479167

10.1021/ja00214a001

10.1063/1.1681229

10.1002/(SICI)1096-987X(199710)18:13<1632::AID-JCC5>3.0.CO;2-S

10.1063/1.481505

10.1063/1.1329346

10.1021/j100142a004

10.1126/science.3892686

10.1016/S0065-3233(08)60376-9

10.1063/1.445869

10.1021/j100308a038

10.1021/jp964020s

10.1021/jp9614658

10.1002/jcc.10235

10.1021/cr00101a005

10.1021/j100108a002

10.1016/j.sbi.2004.03.009

10.1002/pro.5560010204

10.1002/prot.340040104

10.1021/jp970736r

10.1021/jp025852v

10.1021/ja00172a038

10.1021/jp9521621

10.1021/jp982007x

10.1021/jp994072s

10.1002/jcc.1031

10.1002/jcc.10272

10.1021/jp961992r

10.1002/jcc.10045

10.1002/jcc.10400

10.1021/jp9705075

10.1002/(SICI)1097-0134(19990501)35:2<133::AID-PROT1>3.0.CO;2-N

10.1021/ar000033j

10.1002/jcc.10009

10.1016/S0022-2836(03)00610-7

10.1021/jm030489h

10.1002/jcc.540150702

Allen M. P., 1987, Computer Simulation of Liquids

10.1021/jp030458y

10.1051/jcp/1991882419

10.1063/1.463935

10.1063/1.468354

10.1063/1.464397

10.1063/1.454897

10.1016/0010-4655(96)00016-1

10.1016/0010-4655(96)00043-4

10.1063/1.470721

10.1016/S0006-3495(97)78884-2

10.1002/1097-0282(2000)56:4<232::AID-BIP10037>3.0.CO;2-H

10.1016/0009-2614(82)80028-6

10.1063/1.445724

10.1038/35102067

10.1073/pnas.0135427100

10.1021/ja00504a009

10.1021/cr00023a008

10.1021/ja962310g

10.1021/ja034034t

10.1002/1097-0282(2001)61:1<61::AID-BIP10047>3.0.CO;2-1

10.1080/07391102.2004.10506947

10.1021/jp973084f

10.1021/jp9818683

10.1016/S0006-3495(99)77472-2

10.1021/jp992716q

10.1016/S0006-3495(92)81649-1

10.1002/(SICI)1096-987X(19991115)20:14<1495::AID-JCC3>3.0.CO;2-3

10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2<132::AID-JCC5>3.0.CO;2-P

10.1021/ci034148o

10.1002/jcc.540050204

10.1002/jcc.540080616

10.1002/(SICI)1096-987X(19990415)20:5<483::AID-JCC2>3.0.CO;2-4

10.1002/jcc.540130609

10.1002/(SICI)1096-987X(199602)17:3<367::AID-JCC11>3.0.CO;2-H

10.1021/jp0143138

10.1002/jcc.540161106

10.1021/jp973084f

10.1021/ja00334a030

10.1021/ja00153a017

10.1021/jp9521971

10.1007/978-1-4684-8580-6_2

10.1038/267585a0

10.1021/jp003919d

10.1002/jcc.10083

10.1016/S0022-2836(63)80023-6

10.1021/ja00016a010

10.1002/jcc.10032

10.1021/jp013952f

10.1002/pro.5560060807

Dunbrack R. L. Jr.Culledpdb: Non‐redundant set of protein sidechains from the PDB;http://www.fccc.edu/research/labs/dunbrack/culledpdb.html ed. Philadelphia 2002.

10.1002/prot.1114

10.1002/prot.10279

10.1021/jp027293y

10.1021/bi0155605

10.1002/jcc.10052

10.1002/jcc.10328

Deng Y.;Roux B.Submitted.

10.1073/pnas.042496899

10.1002/jcc.10184

10.1002/jcc.10349

10.1002/1097-0282(2000)56:4<275::AID-BIP10024>3.0.CO;2-E

van Gunsteren W. F., 1996, Biomolecular Simulation: The GROMOS96 Manual and User Guide

10.1063/1.472061

10.1021/ja9537944

10.1002/jcc.1078

10.1002/jcc.1137

10.1063/1.1480013

10.1002/jcc.10321

10.1002/prot.10001

10.1002/(SICI)1096-987X(199905)20:7<730::AID-JCC8>3.0.CO;2-T

10.1016/0022-2836(80)90363-0

10.1002/bip.360230807

Levitt M., 1990, ENCAD—Energy Calculations and Dynamics

10.1016/0010-4655(95)00049-L

McQuarrie D. A., 1976, Statistical Mechanics

10.1021/j100609a005

10.1021/j100589a006

10.1021/j100234a011

10.1021/j100194a068

10.1002/(SICI)1096-987X(199705)18:7<849::AID-JCC1>3.0.CO;2-R

10.1021/jp026108d

10.1021/jp030691w

10.1006/jmbi.1996.0704

10.1021/jp9919157

10.1002/jcc.1080

10.1002/prot.1087

10.1002/prot.10498

10.1016/S0959-440X(02)00346-9

10.1002/prot.10053

MacKerell A. D., 2001, Computational Biochemistry and Biophysics, 441

10.1101/SQB.1983.047.01.030

10.1080/07391102.1983.10507437

10.1073/pnas.82.3.755

10.1016/S0006-3495(90)82397-3

10.1002/jcc.540020311

10.1002/jcc.540070502

van Gunsteren W. F., 1986, GROMOS 86: Groningen Molecular Simulation Program Package

10.1021/ja00122a034

10.1021/ja00119a045

10.1021/ja00113a004

10.1063/1.471341

10.1021/jp9622795

10.1016/S0006-3495(00)76405-8

10.1002/1097-0282(2000)56:4<257::AID-BIP10029>3.0.CO;2-W

10.1002/(SICI)1096-987X(20000130)21:2<105::AID-JCC3>3.0.CO;2-P

10.1080/07391102.1999.10508297

10.1080/07391102.1998.10508265

10.1002/jcc.540130714

10.1017/S0033583500002031

10.1017/S003358350000202X

10.1016/S0959-440X(00)00076-2

10.1021/ja974316r

10.1006/jmbi.1999.3075

10.1016/S0959-440X(99)80040-2

10.1006/jmbi.2000.4167

10.1021/ja010341s

Calladine C. R., 1997, Understanding DNA: The Molecule and How it Works

10.1016/S0959-440X(97)80050-4

10.1016/S0022-2836(02)00194-8

10.1016/S0006-3495(01)75705-0

10.1093/nar/gkg941

10.1021/jp952950q

10.1093/nar/gkg880

10.1016/S0006-3495(00)76376-4

10.1016/S0006-3495(03)74766-3

10.1021/jp970199a

10.1002/jcc.10352

Evanseck J. D.;Karplus M.Unpublished work.1994.

10.1021/ja9641665

10.1021/ja00008a002

10.1002/(SICI)1096-987X(199706)18:8<1043::AID-JCC8>3.0.CO;2-T

10.1002/jcc.10173

10.1111/j.1749-6632.1972.tb54814.x

10.1021/ar010167c

10.1021/ar0100529

10.1002/(SICI)1096-987X(19980415)19:5<535::AID-JCC6>3.0.CO;2-N

10.1021/jp983219x

10.1016/S0006-3495(99)77082-7

10.1016/0009-2614(75)85513-8

10.1016/S0006-3495(97)78845-3

10.1021/jp0348981

10.1016/S0006-3495(03)75094-2

10.1016/S0006-3495(00)76719-1

10.1016/S0006-3495(97)78259-6

10.1021/ja0118340

10.1126/science.8211140

10.1021/j100007a011

10.1073/pnas.91.24.11631

10.1016/S1359-0294(97)80004-0

10.1021/jp960413f

10.1021/jp011637n

10.1021/ja0352092

Abeygunawardana C., 2000, Anal Biochem, 297, 266

Frasch C., 1983, 115

10.1006/biol.1999.0238

10.1021/ja00374a033

10.1021/ar50051a003

10.1016/S0008-6215(00)85747-X

10.1002/jcc.10268

10.1002/jcc.10271

10.1002/jcc.10269

10.1002/jcc.10270

10.1080/08927029308022160

10.1107/S0108768194011262

10.1016/0008-6215(88)80078-8

10.1002/jcc.540141104

Palma R., 2000, Glycosyl Hydrolases in Biomass Conversion, 112, 10.1021/bk-2001-0769.ch007

10.1002/jcc.10119

10.1002/(SICI)1096-987X(199603)17:4<450::AID-JCC6>3.0.CO;2-T

10.1002/jcc.540160106

10.1021/jp984217f

10.1002/(SICI)1096-987X(199606)17:8<1068::AID-JCC14>3.0.CO;2-A

10.1021/bi00491a003

10.1021/jp9826221

10.1016/S0166-1280(96)04949-4

10.1002/jcc.540150910

10.1021/j100011a061

10.1016/S0166-1280(00)00487-5

10.1002/jcc.1072

10.1073/pnas.191362798

10.1016/S0008-6215(00)00042-2

10.1016/S0008-6215(00)00043-4

10.1021/ja972457n

10.1021/ja9529652

10.1016/S0166-1280(97)00002-X

10.1002/(SICI)1096-987X(199712)18:16<1955::AID-JCC1>3.0.CO;2-L

10.1002/jcc.10139

Rao V. S. R., 1998, Conformation of Carbohydrates

10.1016/S0065-3233(03)66003-1

10.1021/ja00512a001

10.1021/ja00085a036

10.1021/jp980939v

10.1021/ja00205a001

10.1021/jp9624257

10.1002/1096-987X(200009)21:12<1049::AID-JCC3>3.0.CO;2-F

10.1002/jcc.1079

Yin D.Parametrization for Empirical Force Field Calculations & A Theoretical Study of Membrane Permeability of Pyridine Derivatives. Ph.D. University of Maryland 1997.

10.1021/jp981200o

10.1002/jcc.1092

10.1021/j100197a027

10.1246/bcsj.46.384

10.1107/S0108270193010832