1
C2150: Zpracování informací a vizualizace v chemii
Program VMD
Základy práce s programem VMD
1. Web programu VMD: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
2. Soubory je možné nalézt v adresáři: /home/kulhanek/Documents/C2150/structures
3. Spuštění programu
Spouštíme z terminálu. Nahrajeme příslušný modul: module add vmd a pak spustíme: vmd (bez
ampersandu, protože program lze též ovládat z příkazového řádku). Program lze ovládat jak
zadáváním příkazů v terminálu tak prostřednictvím okna s menu. Některé funkce jsou k dispozici
pouze přes terminál (konzoli).
4. Načtení molekuly
Do svého adresáře si zkopírujte PDB soubor mbco.pdb. Načtěte molekulu Menu: File / New
Molecule stiskněte tlačítko Browse a vyberte soubor s myoglobinem mbco.pdb. Stiskněte tlačítko
Load a v grafickém okně se zobrazí načtená molekula.
5. Manipulace s molekulou – rotace, translace, změna velikosti
Existují tři základní režimy: rotace, translace a změna velikosti (angl. scaling) mezi kterými s
přepíná pomocí kláves r, t a s (aktuální režim poznáme podle vzhledu kurzoru myši). Ovládání
myší je následující:
• režim rotace – levé tlačítko myši slouží k rotaci kolem os ležících v rovině
obrazovky, prostřední tlačítko rotuje kolem předo-zadní osy. Při rychlém pohybu
bude molekula samovolně rotovat
• režim translace – levé tlačíto myši slouží k translaci v rovině obrazovky,
prostřední k translaci dopředu a dozadu
• režim změny velikosti – obě tlačítka myši mění velikost molekuly při pohybu
vlevo a vpravo, při použití prostředního tlačítka je však změna větší. Pro změnu
velikosti lze také použít rotaci kolečkem myši.
Pravé tlačítko myši u těchto režimů funguje stejně jako prostřední.
Stisknutím klávesy = se pozice/orientace/velikost molekuly vrátí do výchozího stavu. Téhož
lze dosáhnout pomocí Menu: Display / Reset View.
Změna centra rotace: stiskneme klávesu c a klikneme myší na atom, který se stane novým
centrem rotace.
6. Výpis informací o atomu
V grafickém okně s molekulou stiskněte klávesu 0 (nula) a klikněte na libovolný atom. Na
obrazovce terminálu se vypíší informace o atomu (a residuu atd.).
7. Výběr atomů
Otevřete okno Menu: Graphics / Representations. V poli Selected Atoms budeme specifikovat které
atomy se mají vybrat. Tyto atomy se pop potvrzení klávesou Enter zobrazí, ostatní zůstanou skryté.
Výběr atomů lze zadávat následovně:
• Podle typu molekuly: protein, water, nucleic. Vyzkoušejte zadat protein .
• Atomy podle jména např. name C , i více atomů, např. name C CA N O . Názvy
atomů odpovídají názvům uvedeným v PDB souboru. Vyzkoušejte zadat name C
CA N O (jedná se o atomy peptidické páteře).
• Podle jména residuí, např. resname HEM .
• Podle pořadí residuí, např. resid 20 zobrazí residuum 20. Lze specifikovat i více
residuí resid 31 35 41 58 nebo rozmezí resid 27 to 32 .
• Lze používat regulární výrazy, např. name “C.*” zobrazí všechny atomy jejichž
jméno začíná na C.
• Můžeme zadat negaci not, např. not protein zobrazí všechny atomy které nejsou
součástí proteinu. Vyzkoušejte zadat not protein .
2
• Lze používat logické výrazy and a or, např. resname HEM and not name "N.*"
zobrazí všechny nedusíkové atomy v hemové skupině.
• Peptidickou páteř lze zobrazit pomocí backbone .
• Je možné specifikovat atomy v udané vzdálenosti od jiných atomů within
<distance> of <selection> , např. atomy ve vzdálenosti 6 Angstrom od hemu:
within 6 of resname HEM .
• Podle hodnoty souřadnic x, y, z, např. x > 1 and x < 5 .
• Pro konstrukci složitějších výrazů použijeme záložku Selection.
• Pro zobrazení všech atomů zadáme all .
8. Popisky atomů, měření
Vybereme Menu: Mouse / Label / Atoms a klikáme na jednotlivé atomy. Chceme-li popisky schovat,
opět klikneme na daný atom. Pro měření vzdáleností mezi atomy, úhlů a dihedrálních úhlů
vybereme v menu Bonds, Angles, Dihedrals a pak klikáme postupně na 2, 3 nebo 4 atomy. (Pro
testování je vhodné zobrazit pouze několik residuí, např. resid 1 to 4 ). Namísto menu lze použít
klávesy 1, 2, 3, 4.
Další operace s popisky je možné dělat v okně Menu: Graphics / Labels . Zde je možné jednotlivé
popisky zobrazit nebo skrýt nebo vymazat. Pro označení více položek použijte <Shift>. Na záložce
Picked Atom se zobrazí informace o atomu (resp o atomu na který bylo kliknuto jak poslední při
specifikaci vybraného popisku).
9. Nastavení grafické reprezentace molekuly
Budeme pracovat v Menu: Graphics / Representations . Jednotlivé části struktury
myoglobinu zobrazíme pomoci různých grafických reprezentací.
• Peptidickou páteř proteinu zobrazíme reprezenatcí cartoon:
• Nejdříve zobrazíme pouze atomy peptidické páteře: do políčka Selected
Atoms napište backbone a stiskněte tlačítko Apply (nebo klávesu Enter).
• Pátěř proteinu zobrazíme reprezenatcí cartoon a obarvíme podle typu
sekundární struktury: v položce Drawing Method vyberte NewCartoon a
v položce Coloring Method vyberte Secondary Structure.
• Vytvoříme novou reprezentaci – stiskněte tlačítko Create Rep
• Molekulu hemu zobrazíme reprezentací licorice: do políčka Selected Atoms
napište resname HEM a v položce Coloring Method vyberte Type a v položce
Drawing Method vyberte Licorice. Opět vytvořte novou reprezentaci stisknutím
tlačítka Create Rep .
• Iont SO4 a molekulu CO zobrazíme pomocí vdW koulí: do políčka Selected
Atoms napište resname SO4 CO, v položce Coloring Method ponechte Type a v
Drawing Method vyberte VDW. Opět vytvořte novou reprezentaci stisknutím
tlačítka Create Rep
• Histidiny 64 a 93 zobrazíme pomocí CPK: do políčka Selected Atoms napíšte
resid 93 64, v položce Coloring Method ponechte Type a v Drawing Method
vyberte CPK.
• Zobrazení povrchů – v Drawing method vybereme QuickSurf (alternativně Surf,
MSMS). Můžeme nastavit Material na Transparent. Povrch vyčleňte jako
samostatnou reprezentaci (stisknutím tlačítka Create Rep). Povrch pak můžeme
zobrazit jako průsvitný (Material: Transparent) a skrze něj budeme vidět
reprezentace schované pod povrchem.Zkuste např. zobrazit povrch residuí v
okolí hemu do 6 Angstrom (protein and within 6 of resname HEM). Pro nastavení
jednotné barvy povrchu vyberte Coloring Method položku Color ID a vyberte
požadovanou barvu.
• Skrytí/zobrazení reprezentace – dvojkliknutím levým tlačítkem myši na jméno
reprezentace v seznamu reprezentací je lze skrýt nebo opět zobrazit.
•
3
10. Ukládání zobrazeného stavu molekul
• Zobrazený stav uložte pomocí Menu: File / Save Visualization State a
specifikujte jméno souboru (dejte mu koncovku .vmd). Takto uložený grafický
stav můžete kdykoliv znovu načíst pomocí Menu: File / Load Visualization State.
• Aby tato funkcionalita fungovala správně, musí být VMD spuštěno ze stejného
adresáře jako předtím a zdrojové soubry (PDB) musí být dostupné v původních
adresářích. V případě problémů s nalezením souboru je potřeba editovat uložený
soubor a zkontrolovat cesty k souborům na řádcích s příkazy mol new, mol
addfile a mol load.
11. Rendering obrázku
Vybereme Menu: File / Render a v položce Render the current scene using vyberte Snapshot a
zadejte vhodné jméno souboru s koncovkou .tga a potvrdíme tlačítkem Start Rendering. Soubor si
můžete prohlédnout například pomocí programu GIMP (spustíte z příkazového řádku příkazem
gimp).
Alternativně můžete v Render the current scene using vybrat Tachyon a ve Filename zadáte vhodné
jméno souboru (bez koncovky .tga). Vygenerují se dva soubory, soubor s obrázkem bude mít
koncovku .tga .
12. Hlavní okno – seznam molekul
obsahuje možnost práce s více molekulami. Při dvojkliknutí na písmena T A D F můžeme:
• T – specifikuje výchozí molekulu an kterou se budou aplikovat zadávané příkazy.
Pouze jedna molekula může být takto označena.
• A – specifikuje, že molekula je aktivní, tj. budou na ni aplikovány některé příkazy
(např. animace)
• D – specifikuje, zdali bude molekula zobrazena/skryta v grafickém okně
• F – specifikuje, zda-li bude molekula zafixována, tj. nebude reagovat na rotace a
translace
• Dvokliknutím na název molekuly můžeme změnit její jméno.
Vymažte načtenou molekulu (klikněte pravým tlačítkem myši na molekulu v seznamu a
vyberte Delete Molecule). Poté znovu načtěte soubor mbco.pdb a potom soubor star.pdb
(star.pdb), který obsahuje také strukturu myoglobinu ale s molekulou CO v jiné
pozici.Vyzkoušejte si schovávání a zobrazeni jednotlivých molekul. V okně Menu:
Graphics / Representations nastavte různou barvu pro jednotlivé struktury. Pro obě
molekuly zobrazke pouze hem, CO a residua 64 93 (resname HEM CO or resid 64 93).
Prozkoumejte rozdíly mezi oběma strukturami. Zkuste změnit polohu jedné struktury
vůči druhé (pomocí písmena F v seznamu molekul) – původní polohu molekul lze
obnovit klávesou = (resp. Menu: Display / Reset View).
4
Pokročilá práce s programem VMD
1. Zobrazení vodíkových vazeb
• Načtěte strukturu Dhla_CBT.pdb
• Otevřete okno Menu: Graphics / Representations. Vytvořte novou reprezentaci
(tlačítkem Create Rep) a u ní nastavte Drawing Method na HBonds. Tloušťku čáry
Line Thickness je vhodné nastavit na vyšší hodnotu (např. 5). Je-li Coloring Method
nastaveno na Name, zobrazí ze modře vodíkové vazby, jejichž donorem je N a
červeně je-li donorem O. Vazby jsou lépe viditelné pokud se nastaví na barvu
oranžovou (Coloring Method: ColorID, barva č. 3). Pro lepší přehlednost je možné
zobrazit první grafickou reprezentaci jako NewCartoon.
• Je možné nastavit kritéria pro detekci vodíkových vazeb: Distance Cutoff –
maximální vzdálenost D-A (zkuste ji zvýšit na 3.4), Angle Cutoff – maximální úhel
D-H-A
2. Zobrazení sekvence
• Vyberte Menu: Extensions / Analysis / Sequence Viewer. V zobrazeném okně
můžeme klikat na jednotlivá residua, která se zvýrazní.
• Více residuí najednou lze označit přidžením <Shift> a klikáním na jednotlivá
residua. Tažením myší lze označit více residuí. Označení residua zrušíme pravým
tlačítkem myši.
• Označená residua se zobrazí též v seznamu reprezentací, kde můžeme nastavit
odlišný způsob zobrazení případně je skrýt/zobrazit (dvojkliknutím v seznamu
rprezentací).
• Vpravo dole je vysvětleno barevné kódování. Zkratky znamenají: T – ohyb (turn), E
– beta list (extended conformation), B – isolated bridge, H – alfa helix , G – 3-10
helix, I – pi-helix, C – neuspořádaný úsek (coil).
3. Ramachandranův diagram
• Vyberte Menu: Extensions / Analysis / Ramachandran Plot. V seznamu Molecule
vyberte první molekulu.
• Klikáním na jednotlivé body v grafu se nalevo zobrazí příslušná informace o residuu.
• Chceme-li zobrazit v grafu jen některá residua, zadáme výběr do políčka Selection
(např. resid 1 to 100).
• Také lze zobrazit 3D-histogram pomocí příslušných tlačítek (histogram se zobrazí v
grafickém okně kde se zobrazují struktury). Histogram zobrazuje četnost výskytu
residuí v různých oblastech grafu.
4. Vytváření animací
• Vyberte Menu: Extensions / Visualization / Movie Maker .
• Pomocí tlačítka Set working directory vyberte složku kam se bude ukládat vytvořený
video soubor a v poli Name of movie uveďte jméno vytvářeného souboru. Nastavte
Movie duration na vhodný počet sekund (4-10). Stiskněte tlačítko Make Movie.
Generování souboru může trvat až desítky sekund. Po celou dobu generování videa
musí být okno se strukturou zobrazené a viditelné.
• Vytvořený videosoubor (zpravidla s koncovkou .mpg) lze přehrát přehrávačem totem
nebo mplayer (spouští se mplayer jmeno_souboru).
• Vyzkoušejte možnosti nastavení v menu Movie Settings. Vyzkoušejte Rotation about
Y axis.
5. Práce s trajektoriemi
5
• Vyberte Menu: File / New Molecule, tlačítkem Browse vyberte soubor alanin.psf a
stiskněte tlačítko Load. Potom stejným způsobem načtěte soubor s trajektorií
alanin.dcd. Po načtení se spustí animace. Znovu ji můžeme spustit pomocí tlačítek v
dolní části okna s načtenými strukturami – vyzkoušejte funkci těchto tlačítek a
dalších nastavení animace.
• Načteme trajektorii simulace polyalaninu ve vakuu. Budeme potřebovat základní
soubor popisující molekulu alanin.psf a soubor s trajektorií alanin.dcd (obsahuje
souřadnice atomů v jednotlivých bodech trajektorie).
• Zobrazte Ramachandrův diagram (Menu: Extensions / Analysis / Ramachandran
Plot), vyberte molekulu alanin.psf v seznamu molekul. Po spuštění animace se graf
bude aktualizovat pro každý snímek trajektorie. Kliknutím na bod v grafu se pomocí
nevyplněných čtverečků zobrazí pozice danéh residua v rámci ostatních snímků
trajektorie (na tyto čtverečky také můžeme klikat a zobrazí se nám příslušný snímek).
• Vyzkoušejte si vytvoření souboru s animací trajektorie – viz, předchozí bod
Vytváření animací. V menu Movie Settings vyberte trajectory.
• Vyzkoušejte načíst oba soubory jestě jednou, první soubor ale načtěte jako novou
molekulu a k ní načtěte alanin.dcd. Druhou molekulu obarvěte odlišnou bavou.
Vyzkoušejte si v seznamu molekul, jak můžete deaktivovat (dvojklikněte na
písmenko A) jednotlivé molekuly, které pak nebudou animovány