C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -1-6. 3D vizualizace II
C2150
Zpracování informací a
vizualizace v chemii a
biochemii
Petr Kulhánek
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta,
Masarykova univerzita, Kamenice 5, CZ-62500 Brno
6. lekce (3D vizualizace II)
Revize 1
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -2-6. 3D vizualizace II
Experimentální
struktury
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -3-6. 3D vizualizace II
X-ray strukturní krystalografie
Rentgenové záření dopadající na elektron vyvolává
sekundární sférické vlny z něj vycházející. Tento jev se
nazývá pružný rozptyl.
Pravidelná soustava elektronů vytváří pravidelnou
soustavu sférických vln. Ačkoli se tyto vlny ve většině
směrů vzájemně ruší destruktivní interferencí, v
několika specifických směrech, určených Braggovým
zákonem, se konstruktivně sčítají: Difrakční vzor (krystal enzymu)
http://www.wikipedia.org
 nd =sin2
Nevýhody:
• měřeny vzorek musí být monokrystal
• radiační poškození vzorku
X-ray záření difraktuje na elektronech atomů.
Z měření je tedy možné určit elektronovou hustotu a z ní
vyvodit polohu atomů.
Difrakce (model)
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -4-6. 3D vizualizace II
Zdroje 3D struktur - experiment
Obsahuje struktury malých molekul určených pomocí rentgenové a neutronové
difrakce.
Cambridge Structural Database (CSD)
http://www.ccdc.cam.ac.uk/Solutions/CSDSystem/Pages/CSD.aspx
Obsahuje struktury biomolekulárních systémů uřčených převážně pomocí
rentgenové strukturní analýzy.
Protein Data Bank (PDB)
http://www.pdb.org
Experimentální metoda Proteiny (P) Nucleové kyseliny (NA) P/NA komplexy Jiné Celkově
X-ray 77445 1481 4069 3 82998
NMR 8851 1046 193 7 10097
elektronová mikroskopie 469 45 129 0 643
stav v září 2013
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -5-6. 3D vizualizace II
Experimentální struktury …
➢ Experimentální struktury jsou obvykle zdrojem modelů biomolekulárních struktur nebo
komplikovaných malých molekul.
➢ Vzhledem k nízkému rozlišení a flexibilitě molekul mohou být některé části nerozlišené
(poloha atomů tedy není známá).
➢ Chybějící části je třeba modelovat in silico
➢ atomy vodíku (přiřazení atomů vodíku může být citlivé na pH obzvláště u snadno
ionizovatelných skupin, je možné požít program PROPKA,
https://github.com/jensengroup/propka).
➢ flexibilní proteinové smyčky (je možné dostavět pomocí programu Modeller,
https://salilab.org/modeller/).
➢ Struktury mohou být ovlivněny krystalovým balením.
➢ Je vhodné zkontrolovat zdrojovou elektronovou hustotu, zejména u struktur s nízkým
rozlišením.
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -6-6. 3D vizualizace II
Cambridge Structural
Database
https://www.ccdc.cam.ac.uk/structures/
ConQuest provides advanced 3D searching of structures
in the Cambridge Structural Database.
komerční licence
(CEITEC, Marek Nečas)
Volné vyhledávání struktur podle CCDC nebo CSD identifikátoru:
CIF (Crystallographic Information File) struktury je možné vizualizovat v programu Mercury.
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -7-6. 3D vizualizace II
▪ Spuštění programu Mercury
Program Mercury
$ module add mercury
$ mercury
Mercury offers a comprehensive range of tools for 3D structure visualisation and the
exploration of crystal packing.
https://www.ccdc.cam.ac.uk/Community/csd-community/FreeMercury/
Při prvním spuštění aktivovat komunitní verzi.
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -8-6. 3D vizualizace II
1. Získejte CIF soubory se strukturami publikovanými v následující publikaci:
2. Struktury zobrazte v programu Mercury.
1. Molekulu zobrazte různým stylem.
2. Zobrazte "Crystal Packing".
3. V programu Mercury zobrazte vámi vybranou strukturu z databáze "Teaching Subset".
Cvičení 1
[1] Man, S.; Kulhanek, P.; Potacek, M.; Necas, M. New Fused Heterocycles by Combined
Intra-Intermolecular Criss-Cross Cycloaddition of Nonsymmetrical Azines. Tetrahedron
Lett. 2002, 43 (36), 6431–6433. https://doi.org/10.1016/S0040-4039(02)01378-3.
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -9-6. 3D vizualizace II
Vizualizace biomolekul
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -10-6. 3D vizualizace II
Vizualizace – biomolekuly
čárový model čárový model
páteř proteinu
cartoon model
povrch biomolekuly
stejná struktura
jiná vizualizace
Různé modely slouží k zvýraznění určité
strukturní informace nebo vnitřní vlastnosti
molekuly či uskupení molekul, které pak
usnadňuje snadnější pochopení studovaného
problému.
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -11-6. 3D vizualizace II
Software
Visual Molecular Dynamics (VMD) PyMOL
https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd
https://en.wikipedia.org/wiki/PyMOL
➢ scriptable (TCL, Python)
➢ advanced rendering
➢ available for MS Windows, Linux, macOS
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_molecular_graphics_systems
Overview of software:
Dále např. Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/)
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -12-6. 3D vizualizace II
▪ VMD
▪ PyMOL
▪ Chimera
Spuštění programů
$ module add vmd
$ vmd
$ module add pymol
$ pymol
$ module add chimera
$ chimera
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -13-6. 3D vizualizace II
▪ VMD
▪ PyMOL
▪ Chimera
Spuštění programů
$ module add vmd
$ vmd
$ module add pymol
$ pymol
$ module add chimera
$ chimera
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -14-6. 3D vizualizace II
VMD
Representation
posun v čase u trajektorií
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -15-6. 3D vizualizace II
VMD program - vizualizace
1 2
3
4
5
Create/Delete representation
Representation List
dvojklik - aktivace/deaktivace
Selection
jaká část struktury má být zobrazena)
Coloring method a drawing method
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -16-6. 3D vizualizace II
Program VMD – změna modelů
Selekce (volba, maska) části molekuly:
water – zvolí všechny molekuly vody
resname X – zvolí residuum s názvem X
resid X – zvolí residuum s číslem X
not hydrogen – nezobrazuj atomy vodíků
nucleic – nezobrazuj atomy vodíků
not water – nezobrazí molekuly vody
Příklady:
resid 1 to 7
resid 8 9 10
residuum muže být aminokyselina, nukleotid, ligand, či část
ligandu
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -17-6. 3D vizualizace II
1. Kolik struktur je v současné době deponovaných v PDB databázi? Zjištění srovnejte s
rokem 2013 (tabulka na straně 4).
2. Z PDB databáze stáhněte strukturu 2AOQ. Jaké biomolekuly struktura obsahuje? Jaká
je jejich funkce?
3. Strukturu 2AOQ zobrazte v programu VMD. Použijte různé vizualizační styly. Zobrazte
protein a molekulu DNA různým stylem.
4. Obsahuje struktura 2AOQ atomy vodíku? Pozorování zdůvodněte.
Cvičení 2
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -18-6. 3D vizualizace II
Endonukleáza MutH
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -19-6. 3D vizualizace II
Endonukleáza MutH
Hybridní QM/MM přístup
aktivní centrum
(QM)
zbytek
(MM)
C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii a biochemii -20-6. 3D vizualizace II
Cvičení 3
• Lokalizujte aktivní místo enzymu. Jakou roli mají hořečnaté kationty?
• Jakou reakci enzym katalyzuje?
• Lokalizujte štěpenou molekulu DNA.
• Ve struktuře DNA nalezněte GC páry.
• Změřte vzdálenost atakujícího atomu kyslíku k atomu fosforu a zobrazte její časový
vývoj.
• Co se stane s odstupující alkoxy skupinou?
$ ~kulhanek/start-vmd-2
V terminálu zadejte následující příkaz: