C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -1- C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení Petr Kulhánek, Jakub Štěpán kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -2- Obsah  Linux • terminály, textové editory, midnight commander, moduly, souborový systém klastru WOLF  Programy pro MM I • vmd, pdb formát, xyz formát  Programy pro MM II • openbabel  Programy pro MM III • nemesis, avogadro  Linux • vzdálené přihlašování C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -3- Linux C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -4Příkazová řádka [kulhanek@wolf ~]$ jméno uživatele jméno počítače aktuální adresář (~ znamená domovský adresář /home/vas_login) Prompt - typ uživatele / výzvy ($ běžný uživatel, # super uživatel, další možné %, >) místo pro příkaz Příkaz se vykoná zmáčknutím klávesy Enter. Kopírování textu: Ne pomocí Ctrl+C! Pro kopírování textu z terminálu stačí text označit, pro následné vložení stiskněte kolečko myši. Automatické doplňování: zmáčknutím klávesy Tab (tabulátor) se interpret příkazové řádky snaží dokončit rozepsané slovo. Doplňují se jména příkazů, cesty a jména souborů (pokud jeden stisk nic nevyvolá, existuje více možností doplnění, opakovaný stisk vylistuje možnosti). Historie: pomocí kurzorových šipek nahoru a dolů lze procházet seznamem již zadaných příkazů. Příkaz z historie lze znovu použít nebo upravit a upravený použít. Historie je přístupná i příkazem history. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -5- Terminály Příkazová řádka je přístupná přímo z textových terminálů. V grafickém prostředí X11 je nutné spustit vhodnou aplikaci emulující textový terminál. xterm konsole jednoduché, standard na všech UNIXových systémech jednoduché přitom značně konfigurovatelné Výchozím adresářem je: /home/vas_login C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -6Midnight Commander http://www.midnight-commander.org/Souborový manažer, který pracuje v terminálu. Spuštění: $ mc funkční klávesy F1, F2, F3, ... Tab označení více souborů - Insert Skrytí obou panelů: Ctrl+O Lze použít myš. šipka nahoru šipka dolů C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -7Textové editory Rozšířená funkcionalita: kate Spuštění: $ kwrite Spuštění: $ gedit C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -8Vědecko-technické aplikace Přehled dostupných aplikací: $ module $ module versions nemesis Přehled dostupných verzí aplikace: Aktivace aplikace: $ module add nemesis Spuštění aplikace z modulu nemesis $ nemesis Vědeckotechnické aplikace, které jsou instalovány v několika verzích (verze aplikace, typ kompilace, paralelní verze), jsou dostupné ve formě modulů. Před použitím aplikace je nutné příslušný modul aktivovat. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -9Souborový systém na klastru WOLF wolf01 /scratch wolf02 /scratch wolf03 /scratch wolf04 /scratch /home ........ Sdílený obsah na všech uzlech klastru WOLF. Data jsou zálohována. Kapacita na uživatele omezena na 1,5GB kvótou. Rozdílný obsah na každém uzlu. Data na svaku /scratch se nezálohují a mohou být kdykoliv smazána bez předchozího upozornění. Kapacita není omezena kvótou na uživatele. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -10Programy pro molekulové modelovaní I C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -11- Přehled Nemesis https://lcc.ncbr.muni.cz/whitezone/development/nemesis/ Program pro stavbu a vizualizaci molekul. Alfa verze pro Linux. Testovací verze pro MS Windows na vyžádání. Avogadro http://avogadro.openmolecules.net/wiki/Main_Page Program pro stavbu a vizualizaci molekul. Volně dostupný pro MS Windows a Linux. Přehled funkcionality: https://www.youtube.com/watch?v=xdmLoBlLmqs VMD http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ Program pro vizualizaci molekul. Po bezplatné registraci dostupný pro MS Windows a Linux. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -12Spuštění programů Nemesis $ module add nemesis $ nemesis Avogadro $ module add avogadro $ avogadro VMD $ module add vmd $ vmd C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -13Program VMD Representation Program slouží k vizualizaci (bio)molekul a k analýze výsledků molekulárně dynamických simulací. Program je volně dostupný (vyžaduje registraci) a je dostupný i pro operační systém MS Windows. http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ posouvání mezi snímky C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -14Program VMD Selekce (volba) části molekuly: protein – zvolí všechny aminokyseliny water – zvolí všechny molekuly vody chain X – zvolí řetězec X resname X – zvolí residuum s názvem X resid X – zvolí residuum s číslem X Příklady: chain A chain A B C resname ASP GLU resid 1 resid 1 to 100 Bližší informace: C2150 Zpracování informací a vizualizace v chemii C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -15PDB Databáze www.pdb.org Obsahuje struktury biomolekul určené metodami rentgenové strukturní analýzy, nukleární magnetické rezonance, teoretické modely. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -16Cvičení VMD - I • Najděte protein s PDB kódem 1UZV . Kterou metodou byla struktura určena? Jakého rozlišení bylo dosáhnuto? Uložte strukturu ve formátu pdb do vašeho domovského adresáře. • Zobrazte strukturu 1UZV v programu VMD. • Zvýrazněte jednotlivé monomerní jednotky komplexu (model: surf, selekce: chain A, chain B, ...) • Zobrazte sekundární strukturu komplexu (NewCartoon, Color: Secondary Structure). Který strukturní element ve struktuře převládá? • Zobrazte navázaný ligand (resname FUC). Kolik ligandů je v komplexu obsaženo? • Zobrazte vápenaté ionty (resname CA). Kolik iontů je v komplexu obsaženo? C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -17Cvičení VMD - II • Najděte protein s PDB kódem 2KRC. Kterou metodou byla struktura určena? Uložte strukturu ve formátu pdb do vašeho domovského adresáře. • Zobrazte strukturu 2KRC v programu VMD. • Zobrazte sekundární strukturu komplexu (NewCartoon, Color: Secondary Structure). Který strukturní element ve struktuře převládá? • Kolik modelů bylo publikováno? Kvalitativně určete jak se od sebe modely liší. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -18Cvičení XYZ formát 1. V textovém editoru vytvořte soubor popisující model vody s následujícími parametry. Délka vazeb O-H bude 1 Å. Vazebný úhel H-O-H bude 90 ̊. Uložte jej do domovského adresáře jako water.xyz 2. Vytvořený soubor načtěte do programu VMD. 3. Ověřte skutečnou délku vazeb a velikost úhlu H-O-H. (VMD Main >Mouse->Label, správa popisků v VMD Main >Graphics>Labels) 4. Molekulu vody zobrazte v následujících modelech: Lines, CPK, Licorice, VDW. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -19Programy pro molekulové modelovaní II C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -20- OpenBabel Konverze programem openbabel: $ module add openbabel $ babel input.xyz output.mol2 alternativně $ babel ixyz input.txt –omol2 output.out Seznam podporovaných formátů: $ babel -L formats http://openbabel.org/wiki/Main_Page Open Babel is a chemical toolbox designed to speak the many languages of chemical data. It's an open, collaborative project allowing anyone to search, convert, analyze, or store data from molecular modeling, chemistry, solid-state materials, biochemistry, or related areas. Nápověda: $ babel -H velké H C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -21- Cvičení 1. Aktivujte modul openbabel. 2. Vypište formáty, které instalovaná verze open babelu podporuje. 3. Zkonvertujte soubor water.xyz do formátu Sybyl Mol2 format a uložte jej pod názvem water.mol2 4. Otevřete soubor water.mol2 v textovém editoru a diskutujte význam jeho částí. 5. Zkonvertujte soubor water.xyz do formátu InChI a uložte jej po názvem water.txt 6. Otevřete soubor water.txt v textovém editoru a diskutujte význam jeho částí. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -22Programy pro molekulové modelovaní III C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -23- Avogadro Ke stavbě 3D struktury molekul můžete použít program Avogadro. Jedná se o volně šiřitelný program, který lze používat jak pod operačním systémem MS Windows tak i pod Linuxovými klony (např. Ubuntu). aktivuje editaci C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -24- Avogadro Při stavbě molekuly nejsou délky vazeb, úhly a další parametry molekuly optimální. Je to dáno způsobem, jakým se v programu Avogadro, struktury editují. Draft struktury je proto nutné před dalším použitím upravit pomocí optimalizace geometrie. zobrazí rozšířenénastavení pro zvolený režim změna grafické vizualizace C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -25- Avogadro Program používá pro optimalizace geometrie metody molekulové mechaniky (MM). Pro její správnou funkci musíte ve struktuře správně uvést řády vazeb. Protože MM je empirickou metodou, musíte zvolit i typ parametrizace. V našem případě budeme používat silové pole MMFF94. zapíná/vypíná optimalizaci geometrie C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -26- Nemesis vrstvy grafické modely stavba/editace molekuly měření Nastavení silového pole pro optimalizaci: menu Geometry-> Optimizer Setup optimalizace geometrie C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -27- Nemesis Myš: Levé tlačítko selekce Prostřední tlačítko rotace Levé tlačítko posun Kolečko zoom Modifikátory: Shift XZ -> Y pohyby Ctrl přepíná mezi sekundárním a primární m manipulátorem C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -28Cvičení I 1. Načtete do programu Avogadro molekulu ze souboru water.xyz 2. Proveďte optimalizaci její geometrie. Jaké je optimální délka vazby a vazebný úhel? 3. Zobrazte molekulu v různých grafických reprezentacích. 4. Načtete do programu Nemesis molekulu ze souboru water.xyz (Import Structure -> OpenBabel) 5. Zobrazte molekulu v různých grafických reprezentacích. 6. Proveďte optimalizaci její geometrie. Jaké je optimální délka vazby a vazebný úhel? Srovnejte s výsledky získanými v programu Avogadro. Vysvětlete případné rozdíly. C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -29Cvičení II 1. V programu Nemesis nakreslete strukturní vzorec molekuly benzoové v projektu Sketch Structure 2. Převeďte molekulu do 3D reprezentace. Ohodnoťte kvalitu převodu. 3. V programu Nemesis nakreslete strukturní vzorec molekuly cyklohexanu v projektu Sketch Structure. 4. Převeďte molekulu do 3D reprezentace. Ohodnoťte kvalitu převodu. 5. V projektu Sketch Structure programu Nemesis vložte molekulu fullerenu C60 ve formátu SMILES (View->Insert->SMILES...). 6. Převeďte molekulu do 3D reprezentace. Ohodnoťte kvalitu převodu. 7. Úlohu s molekulou C60 zopakujte v programu Avogadro. Jakým způsobem lze získat lepší model? C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -30Vzdálené přihlašování  Příkaz ssh  Autorizace pomocí ssh klíčů C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -31Vzdálené přihlášení Existuje několik možností vzdáleného přihlášení (rsh, XDMCP, apod.) avšak nejpoužívanějším a nejbezpečnějším je použití příkazu ssh (secure shell). $ ssh [user@]hostname [command] Příklady použití: Syntaxe: jméno uživatele; pokud není uvedeno, použije se jméno přihlášeného uživatele jméno počítače příkaz, který se má vykonat; pokud není uveden, zpřístupní se příkazová řádka [] - možno vynechat $ ssh wolf.wolf.inet Ukončení přihlášení: $ exit C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -32Přihlašování bez hesla v rámci klastru [kulhanek@wolf01 ~]$ cd .ssh [kulhanek@wolf01 .ssh]$ ssh-keygen Generating public/private rsa key pair. Enter file in which to save the key (/home/kulhanek/.ssh/id_rsa): Enter passphrase (empty for no passphrase): Enter same passphrase again: Your identification has been saved in /home/kulhanek/.ssh/id_rsa. Your public key has been saved in /home/kulhanek/.ssh/id_rsa.pub. The key fingerprint is: e9:07:0b:fc:17:23:b3:c5:1a:8a:0c:1a:98:8f:fe:28 kulhanek@wolf01.wolf.inet Nic se nezadává! 2. Vložení veřejného klíče do seznamu autorizovaných klíčů: [kulhanek@wolf01 .ssh]$ cat id_rsa.pub >> authorized_keys Výhody:  nemusí se neustále zadávat heslo  bezpečnější použití příkazů ssh a scp ve skriptech  urychlení práce Nevýhody:  v případě kompromitace jednoho počítače, jsou kompromitovány všechny počítače se vzájemně autorizovanými veřejnými klíči. Podrobnější popis: man ssh 1. Vytvoření dvojice veřejného a soukromého klíče: C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -33- Cvičení 1. Přihlaste se příkazem ssh na uzel wolf.wolf.inet 2. Příkazem who zjistěte, kdo je na uzlu přihlášen. 3. Odhlaste se příkazem exit. 4. Aktivujte si přihlašování bez hesla v rámci klastru WOLF. 5. Ověřte funkčnost přihlašování bez hesla. Přihlaste se na uzel wolf.wolf.inet pomocí příkazu ssh. Pro další cvičení je nutné mít aktivované přihlašovaní bez hesla v rámci klastru WOLF.