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 Obsah > Požadavky na zpracování výsledků > Tématické okruhy > Dynamika malé organické molekuly ve vakuu > Referenční manuál > AMBER > VMD očítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení [ Požadavky na zpracování výsle Výsledky jednotlivých cvičení budou zpracovány do protokolu, který bude mít následující náležitosti: • Jméno a příjmení, název cvičení a datum • Pro každý tematický okruh: • Stručné shrnutí tématu včetně reakčního schématu, pokud je to vhodné • Použitý software včetně verzí • Výsledky (tabulky a grafy) • Diskuze výsledků dle zadání • Použitá literatura (např. u experimentálních hodnot) Protokol ve formátu pdf je nutné odevzdat do 14.12. 24:00 do odevzdávárny CV3 očítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -3- Úkoly 1) Namodelujte molekulu dle vlastního výběru (např. aktivní molekulu léčiva ibuprofen). 2) Připravte vstupní topologii (parmľ) a souřadnice (rst7) pro molekulárně dynamickou simulaci namodelované molekuly ve vakuu v prostředí AMBER dle postupu uvedeného mze. 3) Proveďte ekvilibraci a následně produkční dynamiku o délce 10 ns při teplotě 300K. 4) Zobrazte získanou trajektorii v programu VMD. Kvalitativně charakterizujte dynamiku molekuly. 5) Vyberte charakteristický geometrický parametr(y) (např. vzdálenost, úhel, dihedrální úhel), které co nejlépe vystihuje pozorované konformační přeměny. Zobrazte průběh vybraného parametru v čase, graf bude součástí protokolu. 6) Proveďte histogramovou analýzu vybraného parametru, výsledný graf bude součástí protokolu. Analýzou histogramu určete počet substavů (konformerů) a odhadněte jejich relativní zastoupení. AMBER http://ambermd.org očítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -5- Mapa postupu, vakuum Q struktura (avogadro/ nemesis) input.mol2 o vizuální kontrola v textovém editoru typy a náboje (antechamber) °»tPut Q output.mol2 chybějící parametry (parmchk) sestavení topologie a výchozích souřadnic (tleap) O O output.parmľ relax03.rst7 ekvilibrace (pequijob, protokol vacOl) ekvilibra ři 300 output.parmľ output.rstľ vizuální kontrola ve VMD Mapa postupu, vakuum,... output.parmľ relax03.rst7 produkční dynamika 10 (sander) output.parmľ p rod. bt raj vizuální kontrola ve VMD analýza trajektorie ve VMD očítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -7- [ 1. Stavba molekuly • molekulu postavíme v programu avogadro/nemesis • geometrii molekuly zoptimalizujeme (za použití silového pole MMFF94) • optimalizovanou geometrii uložíme ve formátu mo!2 (input.mol2) očítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -8- 2. Typy, náboje a parametry FF Typy a náboje jednotlivých atomů určíme programem antechamber (modul amber): . , „ jméno výstupního souboru jméno vstupního souboru . \ formát vstupního souboru \ formát výstupního souboru $ module add amber ▼ \j \ iS $ antechamber -i input.mol2 -fi mol2 -o output.mol2 -fo mol2 \ -rn RES -nc 0 -c bcc \ celkový náboj metoda výpočtu nábojů jméno residua (max .3 znaky) pokračování na dalším řádku jméno vstupního souboru (při zápisu nezadáváme) Chybějící parametry u^íme programem parmchk (modul amber): $ parmchk -i output.mol2 -f mq^2 -o output.frcmod formát vstupního souboru ^ výstupní soubor s chybějícími parametry 3. Sestavení topologie Vytvoříme skript (script.in) pro program tleap. Skript popisuje jakým způsobem se sestaví finální topologie (obsahuje seznam vazeb, úhlů, dihedrálních úhlů a parametry vazebných a nevazebných interakcí) a souřadnice systému. # načteni parametru silového pole (GAFF) source leaprc.gaff # načteni chybějicich parametru loadamberparams output.frcmod # načteni templatu se strukturou LIG = loadmol2 output.mol2 # uloženi topologie a souřadnic saveamberparm LIG output.parm7 output.rst7 Skript vykonáme interpretem tleap: $ module add amber $ tleap -f script.in4:--- projdeme celý výstup vypsaný na obrazovku, zda-li se někde nevyskytla chyba 4. Ekvilibrace 1. Vytvoříme samostatný adresář a zkopírujeme do něj soubory output.parm7 a output.rst7. Adresář nastavíme jako aktuální adresář. 2. V adresáři vytvoříme šablony pro ekvilibrační protokol vacOl. $ module add dynutil $ pequi-prep vacOl 3. Otevřeme soubor pequiJob v textovém editoru a upravíme položky obsahující název topologie a souřadnic. # input topology ------------------------------------------------------------ # file name without path, this file has to be presented in working directory export PEQUI_TOP= " output .parmV # input coordinates --------------------------------------------------------- # file name without path, this file has to be presented in working directory export PEQUI CRD=Moutput.rst7M 4. Úlohu pequiJob zařadíme do dávkového systému. 5. Produkční dynamika 1. Vytvoříme samostatný adresář a zkopírujeme do něj soubory output.parmľ a relax03.rst7 (výsledek z ekvilibrace). Adresář nastavíme jako aktuální adresář. 2. Do adresáře zkopírujeme obsah adresáře /home/kulhanek/Vibuch/2011/prod-vac 3. Pokud používáme jiné názvy souborů, je nutné provést editaci skriptu prodJob . 4. Úlohu prodJob zařadíme do dávkového systému. Cílem produkční dynamiky je vytvořit trajektorii, která slouží k výpočtu vlastností systému. Výslednou trajektorii si zobrazíme v programu VMD: $ vmd -parm7 output.parm7 -netcdf prod.btraj očítačová c h emie a molekulové modelování I - cvičení 5. Produkční dynamika t... # production dynamics at 300 K kontrolní soubor prod.in určuje za jakých podmínek produkční dynamika probíhá Sccntrl imin=0, nstlim=10000000, dt=0.001, irest=l, ntx=5, velikost integračního kroku (v ps) celkový počet kroků ntpr=1000, ntwx=1000, ntwr=1000, ioutfm=l, ntf=2, ntb=0, cut=999, ig=-i, nastavení Langevinova termostatu temp0=300.0, ntt=3, gamma_ln=2.0, teplota v K ntc=2, &end význam ostatních parametrů lze nalézt v manuálu programu sander očítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení -14- Cvičení 1) Načtěte topologii a poté trajektorii do programu VMD (do stejné molekuly) 2) Zobrazte každý 10 snímek trajektorie. Co pozorujete? 3) Odstraňte rotačně translační pohyby dle postupu uvedeného níže. 4) Zobrazte každý 10 snímek trajektorie. Vysvětlete rozdílný výsledek oproti bodu 2. Analýza trajektorií □ Graphical Representations Selected Molecule 0: s witch, p arm 7 Create Rep Style Color Delete Rep Selection Selected Atoms not water Draw style I Selections ^r^ectory^J'enodic AUpdate Selection Every Frame o Update Color Every Frame Color Scale Data Range: 0.00 ID.OO Set I Autoscale Draw Multiple Frames: (now, b:e, b:s:e) pothing Window Size: ► I »I začátek konec každý desátý snímek # - □ VMD Main Extensions File Molecule Graphics Display Mouse Help ID T A D F Molecule Atoms Frames Vol 0 TAD switch,parrn7 20654 1500 0 ^|^|| zoom □ j Loop t| Tlspeed 1 počet snímků v trajektorii Posuv mezi snímky trajektorie VMD 1.9.1 OpenGL Display VMD 1.9.1 OpenGL Display před a po odstranění translačně rotačních pohybů 7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení Odstranění TR pohybů File Molecule Graphics Display Mouse Extensions Help ID T A D F Molecule Atoms Frames |(ol T A D F ZFPř.pdb iD [Loop zi step_(|rF(| * - □ VMD Main! File Molecule Graphic Display Mouse Help ID T A D F Molecule Ô T A D F chorismate.pdbl i]it \ zoom T |Loop ▼] step^pTjJ Analyze FEP Simulation ARBS Electrostatics Collective variable analysis (PLUMED; Contact Map Heat Mapper Hydrogen Bonds Implicit Ligand Sampling IR Spectral Density Calculator MultiSeq NAMD Energy NAMD Plot NetworkView Normal Mode Wizard PME Electrostatics PropKa Radial Pair Distribution Function g(r) Ramachandran Plot RMSD Calculator RMSD Trajectory Tool RMSD Visualizer Tool Salt Bridges I Symmetry Tool I Sequence Viewer I Timeline I VolMap Tool Při vyhodnocování průběhu trajektorií je vhodné odstranit translačně-rotační (TR) pohyb celé soustavy. Usnadní se tak vizuální analýza pohybů. Změnit na „all" (všechny atomy), nebo na část molekuly, kterou u které chceme provést superimpozici Odstraní translačně-rotační pohyb zvolených atomů RMSD Trajectory File Opf\ns Help Left RMSD Selection Modifiers— r Backbone r Trace I? noh History eference rnol— <• Top r Average c Selected Equivalent Atoms— r On/Off r byre; Weights— r On/Off Mol: ref I Field: user Trajectory— 17 On/Off Frame ref:[Ö~ T All T Skip Start: 0 Steps: 1 r Time Start: 0.0 T Plot r Save: |tři mol avg sd chorisrnate.pdb Overall: Erase all Erase selected Add all Add active 7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení Měření File Molecule Graphics Display MoiWi^^Extensions Help ID T A D F Molecu'i Atoms Frarne^^iiDl O TAD ZFPZ.rJb 309Z 1 0 ■ - Labels Show Hide Delete IIE140:NEZ Picked Atom\ Graph | ?) Molecule: XYZ: ResNarne: ResID: Name: Type: J: receptor.pdb 10.446 £5.999 16243 ARG Chain: SegNarne: Index: Value: X 137 CZ 2122 CZ 8.714 □ VMD Main Molecule Graphics Display IBBBi Extensions Help ID T A^^H*4i£cule <§) Rotate Mode C Translate Mode C Scale Mode R T S ol 1 T A D receptoi ,h-lhi