Úvod do molekulové dynamiky simulace proteinů. Eva Fadrná evaf@chemi.muni.cz



Podobné dokumenty
PLOCHA POTENCIÁLNÍ ENERGIE

Computing structural chemistry and biology

Počítačová chemie. výpočetně náročné simulace chemických a biomolekulárních systémů. Zora Střelcová

KAM SE UBIRA POČÍTAČOVÁ CHEMIE - ZAOSTŘENO NA MODELOVÁNÍ VĚTŠÍCH MOLEKUL

POŽADAVKY KE STÁTNÍ ZÁVĚREČNÉ ZKOUŠCE MAGISTERSKÉ STUDIUM POČÍTAČOVÉ MODELOVÁNÍ VE VĚDĚ A TECHNICE (NAVAZUJÍCÍ STUDIUM I DOBÍHAJÍCÍ 5-LETÉ STUDIUM)

Vedení tepla v MKP. Konstantní tepelné toky. Analogické úlohám statiky v mechanice kontinua

NMR biomakromolekul RCSB PDB. Progr. NMR

Elektrický náboj, Elektrické pole Elektrický potenciál a elektrické napětí Kapacita vodiče

VÝPOČETNÍ CHEMIE V ANALÝZE STRUKTURY

Struktura atomů a molekul

Mezimolekulové interakce

The Economist, reporting on the work of the 1998 Chemistry Nobel Prize Awardees

Pro zředěné roztoky za konstantní teploty T je osmotický tlak úměrný molární koncentraci

FYZIKÁLNÍ CHEMIE I: 2. ČÁST

2. RBF neuronové sítě

Molekulární dynamika vody a alkoholů

Lekce 4 Statistická termodynamika

Elektronický učební text pro podporu výuky klasické mechaniky pro posluchače učitelství I. Mechanika hmotného bodu

Nekovalentní interakce

Nekovalentní interakce

Analýza směsí, kvantitativní NMR spektroskopie a využití NMR spektroskopie ve forenzní analýze

Řešené úlohy ze statistické fyziky a termodynamiky

Projekty do předmětu MF

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. VII. Spektroskopie a fotochemie

Elektřina a magnetismus UF/ Základy elektřiny a magnetismu UF/PA112

Měřicí a řídicí technika Bakalářské studium 2007/2008. odezva. odhad chování procesu. formální matematický vztah s neznámými parametry

Molekulová mechanika. empirické potenciály silová pole. Michal Otyepka, PřF UP Olomouc

ELEKTROSTATICKÉ POLE V LÁTKÁCH

Analýzy vlivu cholesterolu na vlastnosti biomembrán pomocí molekulového modelování

Obr. 141: První tři Bernsteinovy iontové módy. Na vodorovné ose je bezrozměrný vlnový vektor a na svislé ose reálná část bezrozměrné frekvence.

Oddělení fyziky vrstev a povrchů makromolekulárních struktur

(Auto)korelační funkce Statistické vyhodnocování exp. dat M. Čada ~ cada

Základní charakteristika výzkumné činnosti Ústavu fyzikální chemie

MODUL 3. ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

Několik poznámek na téma lineární algebry pro studenty fyzikální chemie

Euklidovský prostor Stručnější verze

Kapacita. Gaussův zákon elektrostatiky

Mechanika s Inventorem

Studie rozložení teplotních polí v dielektricky ohřívaných kaučucích. Bc. Jan Kartousek

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Obsah PŘEDMLUVA 11 ÚVOD 13 1 Základní pojmy a zákony teorie elektromagnetického pole 23

Neuropočítače. podnět. vnímání (senzory)

Elektrotechnická fakulta

Maturitní okruhy Fyzika

Studium enzymatické reakce metodami výpočetní chemie

MATURITNÍ TÉMATA - CHEMIE. Školní rok 2012 / 2013 Třídy 4. a oktáva

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI SKLA

Numerické metody a programování. Lekce 8

Využití strojového učení k identifikaci protein-ligand aktivních míst

Národní centrum pro výzkum biomolekul & MetaCentrum

Počítačové simulace a statistická mechanika

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

I. Statické elektrické pole ve vakuu

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Elektrická impedanční tomografie

Návrhy elektromagnetických zení

Pružnost. Pružné deformace (pružiny, podložky) Tuhost systému (nežádoucí průhyb) Kmitání systému (vlastní frekvence)

MM/PBSA a MM/GBSA analýzy

LBP, HoG Ing. Marek Hrúz Ph.D. Plzeň Katedra kybernetiky 29. října 2015

1. Úvod do genetických algoritmů (GA)

Základy matematické statistiky

O symetrii tokamaku. Vtomto článku opustíme tematiku konkrétních. Jan Mlynář. 50 let UFP AV ČR

Přepočet provozních stavů sítě daných: Výpočet ztrát a kapacitních proudů v síti: Výpočet zkratových poměrů v síti:

Světlo v multimódových optických vláknech

Jak se matematika poučila v biologii

Část 3. Literatura : Otakar Maštovský; HYDROMECHANIKA Jaromír Noskijevič, MECHANIKA TEKUTIN František Šob; HYDROMECHANIKA

Petr Chvosta. vlevo, bude pravděpodobnost toho, že se tyč na počátku intervalu τ B nachází nad vpravo

CHEMICKÁ ENERGETIKA. Celá termodynamika je logicky odvozena ze tří základních principů, které mají axiomatický charakter.

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

ELEKTROMAGNETISMUS ELEKTRO MAGNETISMUS

Národní gridová infrastruktura MetaCentrum & související služby pro akademickou obec

FYZIKA I KOMBINOVANÉ STUDIUM, FBI. Radim Uhlář

Breviář fyzikální chemie

CREATION OF THE STABLE ELASTIC LOOP

Metropolis Hastings MC: Nesymetrická matice α + 1/21

I Mechanika a molekulová fyzika

Podle skupenského stavu stýkajících se objemových fází: kapalina / plyn (l/g) - povrch kapalina / kapalina (l/l) tuhá látka / plyn (s/g) - povrch

Rotující kotouče Drahomír Rychecký Drahomír Rychecký Rotující kotouče

Matematické symboly a značky

Počítačové modelování interakcí molekul s minerálními povrchy

Název: Měření rychlosti zvuku různými metodami

Zpracování informací a vizualizace v chemii (C2150) 1. Úvod, databáze molekul

Osvětlování a stínování

Některé zákony rozdělení pravděpodobnosti. 1. Binomické rozdělení

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Mechanika - kinematika

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

PRINCIPY ZAŘÍZENÍ PRO FYZIKÁLNÍ TECHNOLOGIE (FSI-TPZ-A)

Základy rádiové navigace

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

Měření kinematické a dynamické viskozity kapalin

Základní spádové metody

Využití metod strojového učení v bioinformatice David Hoksza

Základy magnetohydrodynamiky. aneb MHD v jedné přednášce?! To si snad děláte legraci!

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P01 KINEMATIKA HMOTNÉHO BODU

Plastická deformace a pevnost

Neideální plyny. Z e dr dr dr. Integrace přes hybnosti. Neideální chování

Experimentální metody EVF II.: Mikrovlnná

Matematicko-fyzikální model vozidla

Fyzika biopolymerů. Struktura a vlastnosti vody, vodíková vazba

Transkript:

Úvod do molekulové dynamiky simulace proteinů Eva Fadrná evaf@chemi.muni.cz

Molekulová mechanika = metoda silového pole = force field Energie vypočtená řešením Schrodingerovy rovnice Energie vypočtená z_empirických konstant pnutí pružin a z_atomových nábojů

AMBER software Assisted Model Building with Energy Refinement http://amber.scripps.edu/ Amber 9 50 modulů stavba modelu, MD, free energy, TI, analýza, sander, gibbs, XleaP, mmpbsa, nmode, ptraj, Tutoriály: simulace DNA, simulace HIV-I, streptavidin-biotin komplex, Fees: Academic/non-profit/government: $400

Rovnice silového pole energie pnutí vazeb energie rotace vazeb (torze) energie deformace vazebných úhlů vdw energie elektrostatická energie nevazebné interakce

Parametry silového pole AMBER - parm94.dat (W. Cornell et all. 1995) definice atomových typů vazby úhly torze vdw poloměry

Hyperplocha potenciální energie = Potential Energy (hyper)surface (PES) Globální minimum tranzitní stav Lokální minimum Energie = funkce struktury Energie reakční bariéra Vzdálenost atomů A a B

1D plocha: E = f(torze) Hyperplocha potenciální energie (PES) 17 Energie 16 15-180 -60 60 úhel 180

Dimethylfosfát Energie = f (souřadnice) x... 1. souřadnice (torze) y... 2. souřadnice (torze) z... energie

Minimum funkce z Funkce 2 proměnných: 1. derivace v bodě x i = 0 2. derivace v bodě x i > 0 x i y x Funkce více proměnných: gradient v bodě x i... vektor 1. derivací Hessian v bodě x i... matice 2. parc. derivací

Minimalizace na PES Spádové metody: metoda největšího spádu (steepest descent) směr negativního gradientu v bodě x i iterativní proces: startovní bod směr pohybu? prohledání regionu konvergenční kritéria? nový bod Energie konvergence? minimum strukturní parametr

Konvergenční kritéria Rozdíl mezi 2 po sobě následujícími kroky: Energie rozdíl energie rozdíl ve struktuře strukturní parametr

Metody minimalizace derivační: metoda největšího spádu konjugované gradienty Newton-Raphsonova metoda daleko od minima blízko minima pro malé molekuly nederivační: simplexová metoda

Problém lokálních minim sedlový bod Globální minimum Energie Lokální minima PES

Hledání minim na PES lokální metody = minimalizace (hledání lokálních minim) globální metody = hledání všech lokálních minim + globální minimum systematické prohledávání (grid) MD a odvozené techniky (simulované žíhání, LES, FEP) Monte Carlo CICADA

Restraints X Constraints (restraint = omezení, nátlak; constraint = donucení, přesné vymezení) restraints = měkké vazné podmínky zvýšení silové konstanty K constraints = tvrdé vazné podmínky silová konstanta K r 0 r 0

Dlouhodosahové elektrostatické interakce Systém N-částic: nejnáročnější část minimalizace = výpočet dlouhodosahových interakcí (Coulomb síly) N 2 výpočtů elektrostatická energie

Nevazebné interakce vdw elektrostat

Dielektrický model solventu E(r) = 1 q i q j 4πε 0 r vakuum ε =ε 0 ε r prostředí o relativní permitivitě ε r

Explicitní solvent sledování specifických interakcí s molekulami H 2 O značná výpočetní náročnost peptid (330 atomů) + 2400 molekul H 2 O

Periodic Boundary Conditions (PBC) Hraniční podmínky

Výpočet elektrostatických interakcí v PBC odříznutí interakcí o vzdálenosti > cutoff původní funkce funkce při použití cutoffu Energie problém vyšších cutoffů vzdálenost

Ewaldova sumace Periodický box E(r) = 1 q i q j 4πε 0 r E(r) = n=0 1 q i q j 4πε 0 r+ n n... násobek délky hrany boxu L Ewald (1921): reálný prostor reciproký prostor E = f (L) E = f (1/L)

Particle Mesh bodové náboje model kontinuálního solventu Poissonova rovnice: 2 φ = ρ (x) elektrický potenciál nábojová hustota umístění nábojů na mřížku výpočet E pomocí P. rovnice interpolace E mezi body mřížky

Particle Mesh Ewald (PME) explicitní solvent cutoff dielektrikum

Molekulová dynamika

Historie molekulové dynamiky 1. MD simulace: 1957 hard-sphere model kolize pevných částic pohybujících se konstantní rychlostí, sledování srážek částic Energie E(vzdálenost) = pro vzdál. < σ 0 pro vzdál. > σ vzdálenost

1976 - dark ages před. r. 1995: Historie MD MD simulace nukleových kyselin (vysoce nabité systémy, nutno správně pracovat s dlouhodosahovými elektrostatickými interakcemi) - nestabilní (zkroucení duplexu, zlomení párů bazí). Nedostatek výpočetní síly: Pro výpočet dlouhodosahových elektrostatických interakcí je užíván cutoff - useknutí interakcí - nestabilita. Neužívá se PME (známo od r. 1993) Pomalý vývoj silových polí - nemožnost kvalitních QM výpočtů Krátké simulace < 200ps

Historie MD 1995-1998 - zvýšená počítačová síla (superpočítače) korektní zacházení s dlouhodosahovými nevazebnými interakcemi (elektrostatika, vdw) - PME kvalitní QM výpočty na vyšší úrovni silové pole 2. generace - např. AMBER parm94.dat (W. Cornell) stabilní trajektorie přesná interpretace krystalových struktur Př.: MD simulace nukleových kyselin - DNA (duplex,..., kvadruplex), RNA (hairpin, ribozymy), modifikovaná DNA, RNA, protein/na interakce

Historie MD 1998 - přesná interpretace struktur + G Př.: MD simulace nukleových kyselin + výpočty volné energie komplexů molekul. Omezení: nedostatky silových polí nezahrnutí polarizace

Molekulová dynamika integrace Newtonových pohybových rovnic t F i = m i a i stav 1 stav 2 r i 1 r i 1a r i r i 2b r i 2a r i 2 r i 1b Termodynamika: Kinetika: jaké stavy jsou možné? jak (a jak rychle) stavy interkonvertují?

Molekulová dynamika de dr i F i = m i a i dv i dt de dr i = m i d 2 r i dt 2 dr i dt

Molekulová dynamika t < 0.5 ; 2 fs > stav 1 stav 2 r i 1 r i 2 t MD trajektorie

Molekulová dynamika leap-frog algoritmus t t+ t t r(t) r(t+ t) r(t+ t) = r(t) + t. v(t + 1/2 t) v(t-1/2 t) v(t+1/2 t) v(t+1/2 t) = v(t-1/2 t) + t. a(t) a(t)

Časový krok v MD příliš malý - MD pokrývá jen omezenou část konformačního prostoru příliš velký - nestabilita trajektorie, vysoká E Správný časový krok t : 1/10 nejkratšího vibračního pohybu Př.: C H vazba vibruje s periodou 10fs integrační krok t = 1 fs Př.: constraints na vazby obsahující H (SHAKE algoritmus) integrační krok t = 2 fs

Počáteční konfigurace pro MD z experimentu (strukturní databáze ) úprava (dostavění) struktury přiřazení počátečních rychlostí - náhodně podle Maxwell - Boltzman distribuce (Gaussova distribuce) relaxace dostavěných částí Generátor (pseudo)náhodných čísel: produkuje čísla <0, 1 > rovnoměrně přepočet na čísla odpovídající gaussovské distribuci

Algoritmus MD Síla působící na částici = vektorový součet interakcí s ostatními částicemi zrychlení F = m. a rychlost pozice v čase t + t

Algoritmus MD Síla působící na částici = vektorový součet interakcí s ostatními částicemi Aplikace termostatu: přeškálování rychlostí vzhledem k tepelné lázni nová pozice v čase t + t

Termostat napodobuje působení teploty na systém - působení makroskopických vibračních modů na dynamiku jednotlivých atomů = násobení každé rychlosti atomu faktorem, který tvoří požadovanou teplotu (každý krok nebo periodicky každých X kroků)

Moduly AMBERu stavba systému Xleap výpočty volné energie GIBBS simulace MD sander vizualizace VMD, Chimera, GRASP, RasMol, MOLMOL, analýza ptraj (anal, carnal) MM-PBSA Delphi, CMIP

Příprava systému - XLeap PDB souřadnice struktury - soubor.pdb Přidání solventu Přidání iontů XLeap databáze parametrů souřadnice - soubor.crd topologie + PARAMETRY soubor.top sander

Příprava systému - XLeap

SANDER modul soubor.in minimalizace nebo dynamika? soubor.crd soubor.top SANDER soubor.out human readable soubor.traj soubor.rst soubor.pdb soubor.ene

Vstup/výstupní soubory vystupni_soubor.out vstupni_soubor.in

Postup MD volba vstupní struktury (např. z RTG), úprava (doplnění chybějících residuí, vodíků) - Xleap optimalizace doplněných částí - sander přidání iontů (neutralizace systému), solvatace - přidání molekul vody (solvatační box) - Xleap ekvilibrace systému - minimalizace vody a iontů - sander krátká MD vody a iontů - sander postupné uvolňování proteinu (= snižování restrains) - sander zahřívání na simulační teplotu - sander produkční MD - sander

Ekvilibrace systému Minimalizace a dynamika solventu a iontů constraints na molekulu peptidu

Několikastupňová minimalizace s postupným uvolňováním peptidu restraints na molekulu peptidu (25 kcal/mol/a, 20, 15, 10, 5, 0)

Zahřívání systému Teplota 0 ps 2 ps Čas 20 ps Zahřívání 100 K 300 K během 20 ps start produkční fáze MD

Kontrola ekvilibrace

Produkční fáze MD 1 krok MD = 0.002 ps = 2 fs Frekvence ukládání snímků = 500 kroků 0ps 1ps 2ps... Čas 2ns 500 kroků 500 kroků... 1 snímek 1 snímek... MD trajektorie = soubor snímků

Molekulová dynamika termostat

Výpočet MD

1600 ps 1800 ps Trajektorie - snímky 0ps 200 ps 400 ps 600 ps 800 ps 1000 ps 1200 ps 1400 ps

MD trajektorie

Analýza - modul PTRAJ soubor.in autor T. E. Cheatham III. trajektorie = soubor snímků soubor.top PTRAJ modifikovaná trajektorie (imaging, center, strip, closest, ) jednotl. snímky vzdálenosti, úhly, torze, rmsd gridy, b-faktory

Průměrná struktura z poslední fáze MD (např. 0.5 ns)...

Analýza trajektorie celková energie potenciální energie kinetická energie

RMS RMS odchylka (root-mean-square deviation)

Geometrické parametry vzdálenosti torzní úhly

Změny ve struktuře

Vody a ionty

Elektrostat. potenciál

Vyhodnocení dat srovnání s experimentem mutace klíčových míst ve struktuře a následná MD termodynamická analýza vývoj lepšího modelu

Simulované žíhání Energie zahřátí na vysokou teplotu pomalé ochlazování snímky Quenched dynamics minimalizace nalezená minima Energie

Vázaná MD = MD s užitím restraints Restraints (vazné podmínky)... získány z NMR přiřazení signálů MD + restraints NMR vzdálenosti 3D struktura

Problémy simulací Energie? časová škála: cíl: µs - ms realita: ps - ns kvalita reprezentace: cíl: komplexní systém realita: molekulová mechanika

SGI Power Challenge SGI Onyx vt 100 PC clusters SGI Origin2000