Dynamika Molekularna. Inż. Monika Rybicka AKN BioNanopor

Podobne dokumenty
SYMULACJA DYNAMIKI MOLEKULARNEJ

Usunięcie wody krystalizacyjnej i uzupełnienie brakujących elementów

KLASYCZNA DYNAMIKA MOLEKULARNA

Bioinformatyka wykład 3.I.2008

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Bioinformatyka wykład 11, 11.I.2011 Białkowa bioinformatyka strukturalna c.d.

MultiSETTER: web server for multiple RNA structure comparison. Sandra Sobierajska Uniwersytet Jagielloński

Bioinformatyka wykład 10

Bioinformatyka wykład 8, 27.XI.2012

Analiza strukturalna materiałów Ćwiczenie 1

Komputerowe wspomaganie projektowania leków

- parametry geometryczne badanego związku: współrzędne i typy atomów, ich masy, ładunki, prędkości początkowe itp. (w NAMD plik.

Skrypt do laboratorium z przedmiotu: Nanomateriały funkcjonalne

Badanie długości czynników sieciujących metodami symulacji komputerowych

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

RMSD - Ocena jakości wybranych molekularnych struktur przestrzennych

Symulacja grafenu na powierzchni miedzi. w pakiecie oprogramowania LAMMPS

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Elektrofizjologia neuronu

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Teoria VSEPR. Jak przewidywac strukturę cząsteczki?

PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład 2

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Metody dokowania ligandów

Oddziaływanie leków z celami molekularnymi i projektowanie leków

Ocena jakości modeli strukturalnych białek w oparciu o podobieństwo strukturalne i semantyczny opis funkcji w ontologii GO

Wstęp do sieci neuronowych, wykład 15, Neuron Hodgkina-Huxleya

Model Poissona-Nernsta-Plancka w predykcji struktury kanałów białkowych

Reakcje chemiczne w roztworach micelarnych. Część 2: symulacja komputerowa procesu micelizacji

Budowa i zróżnicowanie neuronów - elektrofizjologia neuronu

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej jedną z dwóch metod (teorii): metoda wiązań walencyjnych (VB)

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej metodę (teorię): metoda wiązań walencyjnych (VB)

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

Program do wizualizacji struktur cząsteczek białek i kwasów nukleinowych.

Dokowanie molekularne. Andrzej Bąk

Podstawy projektowania leków wykład 12

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Dokowanie molekularne. Andrzej Bąk Instytut Chemii UŚ chemoinformatyka wykład 1

Recenzja rozprawy doktorskiej mgr. Tomasza Makarewicza, pt.

Teoria Orbitali Molekularnych. tworzenie wiązań chemicznych

Atomy wieloelektronowe

SG-MICRO... SPRĘŻYNY GAZOWE P.103

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas I LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Kacper Kulczycki. Dynamika molekularna atomów oddziałujących siłami van der Waalsa

ROZWIAZANIE PROBLEMU USTALONEGO PRZEPLYWU CIEPLA W SYSTEMIE ADINA 900 Nodes Version 8.2






Żwirki i Wigury 93, Warszawa TEL.: , FAX: , E- MAIL: Dr hab. Joanna T

CATALOGUE CARD LEO S L XL / BMS KARTA KATALOGOWA LEO S L XL / BMS

Zasady obsadzania poziomów

Bioinformatyka wykład 9

Część A wprowadzenie do programu Mercury

BADANIA SYMULACYJNE PROCESU HAMOWANIA SAMOCHODU OSOBOWEGO W PROGRAMIE PC-CRASH

Electromagnetism Q =) E I =) B E B. ! Q! I B t =) E E t =) B. 05/06/2018 Physics 0

Epigenetyczne modyfikacje RNA: zastosowanie symulacji dynamiki molekularnej do badania ich wpływu na strukturę i stabilność RNA.

Analiza stateczności ścianki szczelnej z zastosowaniem Metody Różnic Skończonych

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

WYKAZ PRÓB / SUMMARY OF TESTS. mgr ing. Janusz Bandel

SPITSBERGEN HORNSUND

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Wiązania kowalencyjne

SPITSBERGEN HORNSUND

Zadanie ChemCad - Batch Reaktor

Wpływ heterocyklicznego ugrupowania na natywną konformację naturalnych peptydów

Radialna funkcja korelacji g(r)

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Problemy i rozwiązania

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

były jedynie sekwencje aminokwasowe, a także wykorzystał go do oszacowania aktywności przeciwdrobnoustrojowej wybranych bakteriocyn.

Wykład 3. Makrocząsteczki w roztworze i w stanie skondensowanym.

Obliczenia chemiczne. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Technical Data. SPMT / 4 Axle Module - Transporter

KARTOTEKA TESTU I SCHEMAT OCENIANIA - gimnazjum - etap wojewódzki. Rodzaj/forma zadania. Max liczba pkt. zamknięte 1 1 p. poprawna odpowiedź

BARIERA ANTYKONDENSACYJNA

MentorGraphics ModelSim

Tworzenie prostej etykiety i synchronizacja etykiet z wagą. AXIS Sp. z o.o. Kod produktu:

Rzędy wiązań chemicznych

Kryteria oceniania z chemii kl VII

Projektowanie systemów zrobotyzowanych

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Algorytm grupowania danych typu kwantyzacji wektorów

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Rodzaj/forma zadania. Max liczba pkt. zamknięte 1 1 p. poprawna odpowiedź. zamknięte 1 1 p. poprawne odpowiedzi. zamknięte 1 1 p. poprawne odpowiedzi

Charakterystyka struktury kryształu na podstawie pliku CIF (Crystallographic Information File)

Technika jonowego rozpylenia

TM2AMI4LT MODUŁ ANALOGOWY 4 WE, NAP. PRAD. PT. NI.

SPITSBERGEN HORNSUND

Gazy. Ciśnienie F S. p = 1 atm = Pa 1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr. - Uniformly fills any container. - Mixes completely with any other gas

Struktura biomakromolekuł chemia biologiczna III rok

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Bioinformatyka II Modelowanie struktury białek

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

Bioinformatyka wykład 8

Stopień ochrony IP: Całkowity pobór (W): Napięcie / Częstotliwość: Gwarancja (Lat): Możliwość przedłużenia gwarancji (Lat): Sztuk na pudełko:

Transkrypt:

Dynamika Molekularna MD Inż. Monika Rybicka AKN BioNanopor

Essen 2

Essen Prof. Daniel Hoffmann Centrum Biotechnologii Medycznej Bioinfomatyka 3

Essen 4

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

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

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: 283 293 7

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 4.5.4 Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J (2002) 31: 283 293 8

Narzędzie GROMACS www.gromacs.org http://www.gromacs.org/documentation/tut orials Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4 www.pdb.org 9

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 http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

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

Minimalizacja energii (energy minimization) Potrzebny plik wsadowy *.mdp Upewnić się, że system jest poprawny i nie eksploduje lub imploduje ;-) -1.5 x 105-2 E/[kJ/mol] -2.5-3 0 50 100 150 200 250 300 350 400 time/[ps] 12

Relaksacja (equilibration) Relaksacja rozpuszczalnika (wody) i jonów Position-restrained Potrzebny plik wsadowy *.mdp NVT temperatura const NPT ciśnienie const 4000 320 3000 300 2000 280 pressure/[bar] 1000 0-1000 temperature/[k] 260 240-2000 220-3000 200-4000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time/[ps] 180 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time/[ps] 13

Symulacja MD (production MD) Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 14 http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

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

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

Energia potencjalna -1.66 x 105-1.665-1.67 Epotential/[kJ/m mol] -1.675-1.68-1.685-1.69-1.695 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 time/[ps] 17

Promień obrotu/skręty (gyration) 0.86 Rg 0.7 RgX 0.84 0.65 Rg/[mn] 0.82 0.8 Rg/[mn] 0.6 0.55 0.78 0 100 200 300 400 500 time/[ps] RgY 0.8 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] RgZ 0.76 0.75 0.74 Rg/[mn] 0.7 0.65 Rg/[mn] 0.72 0.7 0 100 200 300 400 500 time/[ps] 0.68 0 100 200 300 400 500 time/[ps] 18

RMSD 0.25 0.2 RMSD/[nm] 0.15 0.1 0.05 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 time/[ps] RMSD Backbone to Backbone 19

RMSF 0.35 0.3 0.25 RMSF/[nm] 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Atom 20

RMSF 0.25 0.2 RMS/[nm] 0.15 0.1 0.05 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 residue 21

Temperature factor 22

Struktura drugorzędowa 23

Wiązania wodorowe 20 18 16 Number 14 12 10 8 6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 time/[ps] 24

Salt bridges Distance/[nm] Distan nce/[nm] Distance/[nm] Distance/[nm] 1 0.5 GLU7-30:ASP8-39 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU7-30:CL3526-10791 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:CL3526-10791 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] PRO38-329:CL3525-10790 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] Distan nce/[nm] Distance/[nm] Distance/[nm] 2 1 GLU7-30:GLU35-303 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:GLU35-303 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU35-303:PRO38-329 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] PRO38-329:CL3526-10791 3 Distance/[nm] 2 1 0 100 200 300 400 500 time/[ps] Distance/[nm] Distan nce/[nm] 2 1.5 GLU7-30:PRO38-329 1 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:PRO38-329 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU35-303:CL3525-10790 4 Distance/[nm] Distance/[nm] 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] CL3525-10790:CL3526-10791 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] Distance/[nm] Distan nce/[nm] Distance/[nm] 4 2 GLU7-30:CL3525-10790 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:CL3525-10790 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU35-303:CL3526-10791 3 2 1 0 100 200 300 400 500 time/[ps] The distance between negatively charged groups 25

Mean [nm] Std [nm] Min [nm] Median [nm] Max [nm] 'PRO38-329:CL3525-10790' 2.60 0.42 1.52 2.72 3.18 'GLU35-303:CL3525-10790' 2.45 0.31 1.58 2.49 3.04 'GLU35-303:CL3526-10791' 2.45 0.19 1.84 2.47 2.83 'CL3525-10790:CL3526-10791' 2.36 0.57 0.69 2.46 3.25 'GLU7-30:CL3525-10790' 2.35 0.30 1.57 2.34 3.01 'ASP8-39:CL3525-10790' 2.28 0.47 1.02 2.31 3.20 'GLU7-30:CL3526-10791' 1.83 0.28 0.95 1.83 2.62 'PRO38-329:CL3526-10791' 1.69 0.27 1.09 1.70 2.73 'ASP8-39:CL3526-10791' 1.64 0.23 0.90 1.68 2.15 'GLU7-30:PRO38-329' 1.45 0.10 1.21 1.44 1.78 'GLU7-30:GLU35-303' 1.13 0.12 0.83 1.11 1.52 'GLU35-303:PRO38-329' 1.13 0.14 0.75 1.15 1.41 'ASP8-39:GLU35-303' 0.96 0.14 0.65 0.96 1.28 'ASP8-39:PRO38-329' 0.96 0.07 0.68 0.96 1.14 'GLU7-30:ASP8-39' 0.53 0.10 0.35 0.52 0.82 26

Klastrowanie struktur The Backbone RMSD matrix 27

Dysocjacja wapnia ID: 3ICB 28

Parametry GROMACS 4.5.4 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 13545 Total charge of the protein (e) -3 CA 15 CL 23 C CaCl Force field Water model 0.150 M Neutral the system Gromos43a1 spce 29

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

Trajektoria 31

CA DISSOCIATION 2.2 2 1.8 1.6 distance/[nm m] 1.4 1.2 1 0.8 6.5 ns 20.5 ns 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 time/[ps] x 10 4 Distance between Ca ions and the surface of the protein: blue - Ca76, green: Ca77. 32

CA DISSOCIATION 2.5 2 distance/r RMSD/[nm] 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 time/[ps] x 10 4 Comparison the distance between the Ca76 and the surface of the protein and RMSD of the protein 33

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] 1 0-0.35 6685 25000 2 0.35-0.6 15686 0 3 0.6-0.85 951 0 4 0.85-1.1 427 0 5 1.1-1.35 393 0 6 1.35-1.6 493 0 7 1.6-1.85 325 0 8 1.85-2.1 40 0 9 2.1-2.4 0 0 10 >2.4 0 0 34

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

CA DISSOCIATION Waterboxplot for Ca77. 36

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

CA DISSOCIATION 7 6 I shell 5 tim me [ns] 4 3 2 1 0 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

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] 1 0-0.35 0.0689 10-5 ±0.0165 10-5 0.1117 10-5 ±0.0754 10-5 2 0.35-0.6 0.1628 10-5 ±0.0358 10-5 - - >0.6 1.1705 10-5 ±0.2314 10-5 - Diffusion coefficient of the protein 0.0884 10-5 cm 2 /s ± 0.0854 10-5 cm 2 /s 39

Membrana i kanał jonowy Zmodyfikowany algorytm z tutoriala Lemkul J. GROMACS Tutorial KALP15 in DPPC. http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmxtutorials/membrane_protein/index.html 40

Membrana i kanał jonowy 1. Biało z bazy OPM (http://opm.phar.umich.edu/server.php) 2. Usunięcie HETATM i wody 3. Uzupełnienie brakujących atomów (PDB2PQR - http://kryptonite.nbcr.net/pdb2pqr/) 4. Zmiana formatu z *.pqr do *.pdb 5. Wygenerowanie pliku *.gro oraz *.top 41

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

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

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

Membrana i kanał jonowy 45

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

Membrana i kanał jonowy 47

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

NPT trajektoria 49

NPT trajektoria 50

Dziękuję za uwagę 51

energy_minimization.mdp powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 52 http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

NVT.mdp powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 53 http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

RMSD powrót Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4 54