Dynamika Molekularna. Inż. Monika Rybicka AKN BioNanopor

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Dynamika Molekularna. Inż. Monika Rybicka AKN BioNanopor"

Filip Małecki
8 lat temu
Przeglądów:

1 Dynamika Molekularna MD Inż. Monika Rybicka AKN BioNanopor

2 Essen 2

3 Essen Prof. Daniel Hoffmann Centrum Biotechnologii Medycznej Bioinfomatyka 3

4 Essen 4

5 Cele/Rezultaty???!!! Jak wykonać Jak przeanalizować Jak wykorzystać w aspekcie kanałów jonowych Proste symulacje peptydów i jonów (tutorials) Dysocjacja wapnia z miejsca wiążącego Umieszczenie kanału jonowego w membranie i relaksacja układu 5

6 Dynamika Molekularna (MD) K + K + K + K + K+ K + K + K + K + K + K + K + K + K + 6

7 Dynamika Molekularna (MD) Cząsteczki traktowane indywidualnie Ruch opisany równaniem Newtona m i masa i-tego atomu r i przemieszczenie i-tego atomu t czas U potencjał Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J (2002) 31:

8 Dynamika Molekularna (MD) Niewiążące oddziaływania między atomami - potencjał Columba i Lennarda-Jonesa (LJ) U potencjał między atomami q ładunek atomu r odległość między atomami ε głębokość potencjału LJ przy minimum σ parametr określający odpychanie i przyciąganie atomów Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J (2002) 31:

9 Narzędzie GROMACS orials Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version

10 Protokół podstawowej symulacji MD 1. Wygenerowanie topologii (topology file) 2. Zdefiniowanie pudełka i roztworu (box and solvate) 3. Dodanie jonów (ions) 4. Minimalizacja energii (energy minimization) 5. Relaksacja (equilibration) 6. Symulacja MD (production MD) Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 10

11 Wygenerowanie topologii (topology file) Struktura molekuły *.pdb Usunięcie wody Wybór force field (L-J i inne parametry) GROMOS AMBER CHARMM Topology_file: *.top nonbonded parameters (atom types and charges) bonded parameters (bonds, angles, and dihedrals) Gromac_file: *.gro 11

12 Minimalizacja energii (energy minimization) Potrzebny plik wsadowy *.mdp Upewnić się, że system jest poprawny i nie eksploduje lub imploduje ;-) -1.5 x E/[kJ/mol] time/[ps] 12

13 Relaksacja (equilibration) Relaksacja rozpuszczalnika (wody) i jonów Position-restrained Potrzebny plik wsadowy *.mdp NVT temperatura const NPT ciśnienie const pressure/[bar] temperature/[k] time/[ps] time/[ps] 13

14 Symulacja MD (production MD) Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 14

15 Analiza symulacji - przykłady Oglądanie trajektorii MD Porównywanie struktur w czasie symulacji Analiza struktury drugorzędowej w czasie symulacji 15

16 Porównywanie struktur Fig. 1. The green is the finally structure and the pink is the original structure. 16

17 Energia potencjalna x Epotential/[kJ/m mol] time/[ps] 17

18 Promień obrotu/skręty (gyration) 0.86 Rg 0.7 RgX Rg/[mn] Rg/[mn] time/[ps] RgY time/[ps] RgZ Rg/[mn] Rg/[mn] time/[ps] time/[ps] 18

19 RMSD RMSD/[nm] time/[ps] RMSD Backbone to Backbone 19

20 RMSF RMSF/[nm] Atom 20

21 RMSF RMS/[nm] residue 21

22 Temperature factor 22

23 Struktura drugorzędowa 23

24 Wiązania wodorowe Number time/[ps] 24

25 Salt bridges Distance/[nm] Distan nce/[nm] Distance/[nm] Distance/[nm] GLU7-30:ASP time/[ps] GLU7-30:CL time/[ps] ASP8-39:CL time/[ps] PRO38-329:CL time/[ps] Distan nce/[nm] Distance/[nm] Distance/[nm] 2 1 GLU7-30:GLU time/[ps] ASP8-39:GLU time/[ps] GLU35-303:PRO time/[ps] PRO38-329:CL Distance/[nm] time/[ps] Distance/[nm] Distan nce/[nm] GLU7-30:PRO time/[ps] ASP8-39:PRO time/[ps] GLU35-303:CL Distance/[nm] Distance/[nm] time/[ps] CL :CL time/[ps] Distance/[nm] Distan nce/[nm] Distance/[nm] 4 2 GLU7-30:CL time/[ps] ASP8-39:CL time/[ps] GLU35-303:CL time/[ps] The distance between negatively charged groups 25

26 Mean [nm] Std [nm] Min [nm] Median [nm] Max [nm] 'PRO38-329:CL ' 'GLU35-303:CL ' 'GLU35-303:CL ' 'CL :CL ' 'GLU7-30:CL ' 'ASP8-39:CL ' 'GLU7-30:CL ' 'PRO38-329:CL ' 'ASP8-39:CL ' 'GLU7-30:PRO38-329' 'GLU7-30:GLU35-303' 'GLU35-303:PRO38-329' 'ASP8-39:GLU35-303' 'ASP8-39:PRO38-329' 'GLU7-30:ASP8-39'

27 Klastrowanie struktur The Backbone RMSD matrix 27

28 Dysocjacja wapnia ID: 3ICB 28

29 Parametry GROMACS Protein ID 3ICB X-ray crystallography at 0.23 nm Time of simulation (ns) 25 Time step (fs) 2 Time step for coordinates saving (ps) 1 Number of the water molecules Total charge of the protein (e) -3 CA 15 CL 23 C CaCl Force field Water model M Neutral the system Gromos43a1 spce 29

30 Parametry The steps in the simulation: Energy minimization Relaxation of the water (position restraints) 20 ps MD equilibration 200 ps MD 25 ns The simulation was run: NPT conditions, using Berendsen s coupling algorithm (P=1 bar, τ p =0.5 ps, T=300 K, τ T =0.1 ps) VDW and short range electrostatic forces - cutoff of 1.2 nm PBC - PME method 30

31 Trajektoria 31

32 CA DISSOCIATION distance/[nm m] ns 20.5 ns time/[ps] x 10 4 Distance between Ca ions and the surface of the protein: blue - Ca76, green: Ca77. 32

33 CA DISSOCIATION distance/r RMSD/[nm] time/[ps] x 10 4 Comparison the distance between the Ca76 and the surface of the protein and RMSD of the protein 33

34 CA DISSOCIATION Shell distance between Ca and Residence time for Residence time for Nr shell the surface of the protein [nm] Ca76 [ps] Ca77 [ps] >

35 CA DISSOCIATION Water coordination number for Ca77 (cutoff 0.3 nm). 35

36 CA DISSOCIATION Waterboxplot for Ca77. 36

37 CA DISSOCIATION 6.5 ns 1.2 ns Water coordination number for Ca76 (cutoff 0.3 nm). 37

38 CA DISSOCIATION 7 6 I shell 5 tim me [ns] GLU 17 O 179 GLU 17 OE1 176 GLU 17 OE2 177 GLU 27 OE1 270 GLU 27 OE2 271 GLN 22 O 223 GLU 60 OE2 588 ALA 14 O 150 ASP 19 O 193 GLU 60 OE1 587 Residence time of the Ca76 near the amino acids: distance between Ca76 and the atom is less than 0.35 nm. 38

39 CA DISSOCIATION Nr shell Shell distance between Ca and the surface of the protein [nm] Diffusion coefficient Ca76 [cm 2 /s] Diffusion coefficient Ca77 [cm 2 /s] ± ± ± > ± Diffusion coefficient of the protein cm 2 /s ± cm 2 /s 39

40 Membrana i kanał jonowy Zmodyfikowany algorytm z tutoriala Lemkul J. GROMACS Tutorial KALP15 in DPPC. 40

41 Membrana i kanał jonowy 1. Biało z bazy OPM ( 2. Usunięcie HETATM i wody 3. Uzupełnienie brakujących atomów (PDB2PQR Zmiana formatu z *.pqr do *.pdb 5. Wygenerowanie pliku *.gro oraz *.top 41

42 Membrana i kanał jonowy 6. Pobranie plików dla lipidów - dppc128.pdb - dppc.itp - lipid.itp - topol_dppc.top 7. Modyfikacja lub pobranie gotowego ff uwzględniającego lipidy 8. Dołączenie nowego ff i dppc.itp do topol.top 9. Wygenerowanie pliku *.gro dla lipidów - wybór odpowiednich rozmiarów box (box lipid =box protein ) 42

43 Membrana i kanał jonowy 10. Usunięcie periodyczności box lipid 11. Ustawienie środka box lipid i box protein pod kątem późniejszego włożenia białka w błonę 12. Scalenie plików *.gro dla lipidów i białka 13. Manualne operacje na nowopowstałym system.gro (usunięcie nagłówków, itp.) 14. Przenumerowanie atomów (nr_atom_update.py) 15. Manualne operacje na nowopowstałym out.gro (dodanie nagłówków, itp.) 43

44 Membrana i kanał jonowy 15. Dodanie silnego position-restrain dla białka 16. Rozsunięcie lipidów i usunięcie wychodzących poza box - inflategro.pl 17. Modyfikacja topol.top o usunięte lipidy 18. Minimalizacja energii 44

45 Membrana i kanał jonowy 45

46 Membrana i kanał jonowy 19. Ściskanie lipidów wokół białka i minimalizacja energii w pętli, aż uzyskana zostanie odpowiednia powierzchnia dla lipidów: dla DPPC area per lipid=71 Å 2 - inflategro.pl - petla1.pl 46

47 Membrana i kanał jonowy 47

48 Membrana i kanał jonowy 19. Dodanie rozpuszczalnika 20. Dodanie jonów 21. Minimalizacja energii 22. Relaksacja wody i jonów (PR): NVT i NPT - dłuższe niż w prostej symulacji 19. Pre-symulacja MD trudno zrelaksować tak duży system 20. Symulacja MD 48

49 NPT trajektoria 49

50 NPT trajektoria 50

51 Dziękuję za uwagę 51

52 energy_minimization.mdp powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 52

53 NVT.mdp powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 53

54 RMSD powrót Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version

Podobne dokumenty

SYMULACJA DYNAMIKI MOLEKULARNEJ

SYMULACJA DYNAMIKI MOLEKULARNEJ ionized.psf min2.coor xyz.xsc par_all27_na.prm dyn2.conf NAMD dyn2.coor dyn2.xsc dyn2.vel dyn2.out dyn2.dcd dyn2.restart.coor dyn2.restart.xsc dyn2.restart.vel dyn2.restart.coor.old