C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -1- 3. Výpočetní chemie vs experiment C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I Petr Kulhánek kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -2Výpočetní chemie vs Experiment C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -3Přehled metod výpočetní chemie Kvantová mechanika Molekulová mechanika Coarse-grained mechanika atomic resolution bead resolution reaktivita pohyb domén, folding atomic resolution bead resolutionatomové rozlišení bead resolution konformační pohyby až 1'000 atomů * až 1'000'000 beads *až 1'000'000 atomů * až 100 ps * až ms *až 1 ms * C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -4Atomové rozlišení výpočetní chemie experiment atomové rozlišení od uvedení kvantové teorie (1925)  zpřesňuje modely  zpřesňuje výpočetní postupy  dosahuje přesnějších výsledků v kratším výpočetním čase atomové rozlišení od zavedení X-ray krystalografie (1923)  zpřesňuje techniky  zpřesňuje rozlišení Experimenty s jednomolekulárním rozlišením. Historickývývoj Anglicky: Single Molecule Experiments C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -5Experimenty s atomovým rozlišením C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -6X-ray krystalografie Difrakce X-ray na krystalické struktuře Difrakční obrazec (krystal enzymu) atomové rozlišení http://www.wikipedia.org Braggova podmínka:  nd sin2 Nevýhoda: vzorek musí být v krystalickém stavu Rentgenové záření difraktuje na elektronech jednotlivých atomů. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -7X-ray krystalografie Přednášky: C8800 Rtg strukturní analýza CB070 Proteinová krystalografie CB080 Proteinová krystalografie - seminář Metoda určuje polohu jednotlivých atomů. V případě nízkého rozlišení nebo vnitřního neuspořádání v základní buňce krystalu mohou být polohy některých atomů neurčeny. Typicky se jedná o atomy vodíků (slabě difraktují), postranní řetěze v biomolekulách nebo v slabě vázaných substrátech. Místo rentgenového záření lze použít i proud neutronů, mluvíme pak o neutronové difrakci. V tomto případě dochází k difrakci na jádrech jednotlivých atomů. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -8Nukleární magnetická rezonance atomové rozlišení  chemický posun  štěpení (J-coupling)  NOE (Nuclear Overhauser Effect) – úměrný vzdálenosti  a další Výhoda: vzorek v roztoku C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -9Nukleární magnetická rezonance NMR spektra Macek, P.; Chmelík, J.; Křížová, I.; Kadeřávek, P.; Padrta, P.; Žídek, L.; Wildová, M.; Hadravová, R.; Chaloupková, R.; Pichová, I.; et al. NMR Structure of the N-Terminal Domain of Capsid Protein from the Mason–Pfizer Monkey Virus. Journal of Molecular Biology 2009, 392, 100–114. molekulárně dynamická simulaceexperimentální data např. některé meziatomové vzdálenosti výsledná struktura je reprezentována několika konformacemi struktura obsahuje atomy vodíku, jejíchž poloha je však dána použitým modelem a ne experimentem natažená struktura C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -10Nukleární magnetická rezonance Přednášky: C9530 Strukturní biochemie C5320 Fyzikálně chemické základy NMR C8950 NMR - Strukturní analýza C8953 NMR - Strukturní analýza – seminář C9550 Kvantová chemie a molekulová spektroskopie C6770 NMR Spectroscopy of Biomolecules C7995 Advanced Methods of Biomolecular NMR C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -11Řádkovací tunelová mikroskopie Anglicky: Scanning Tunneling Microscope http://www.wikipedia.org Princip: Výsledek: C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -12Databáze exp. určených struktur Obsahuje zhruba půl miliónu struktur malých molekul určených pomocí rentgenové a neutronové difrakce. Software pro práci s daty: Mercury http://www.ccdc.cam.ac.uk/Solutions/CSDSystem/Pages/Mercury.aspx Cambridge Structural Database (CSD) http://www.ccdc.cam.ac.uk/Solutions/CSDSystem/Pages/CSD.aspx Obsahuje zhruba 94 tisíc struktur biomolekulárních systémů uřčených převážně pomocí rentgenostrukturní 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 C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -13Experimenty s molekulárním rozlišením Anglicky: Single Molecule Experiments C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -14Mikroskopie atomárních sil Princip: Výsledek: Anglicky: Atomic Force Microscopy (AFM) http://www.wikipedia.org doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.; http://biosensor.chemi.muni.cz/nanobio/ C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -15FRET experimenty FRET: Fluorescenční resonanční přenos energie dva chromofory můžeme určit vzdálenost Anglicky: Fluorescence Resonance Energy Transfer Princip: Výsledek: C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -16Magnetické a optické pinzety Princip: Anglicky: Optical Tweezers Magnetic Tweezers http://www.wikipedia.org C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -17Optické pinzety - použití VU University, Amsterdam C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -18Elektronová kryomikroskopie - cryoEM Pavilon A35/CEITEC Urychlovací napětí: 300 kV Elektronová mikroskopie je forma transmisní elektronové mikroskopie, kde je vzorek studován za nízké teploty (typicky teplota kapalného dusíku). Technika je využívána ve strukturní biologii. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -19Elektronová kryomikroskopie - cryoEM http://proj.ncku.edu.tw/research/commentary/e/20080919/2.html C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -20- Shrnutí Experiment a počítačová chemie by měly být kombinovány tak, aby byl získán ucelený a konzistentní pohled na studovaný systém. výpočetní chemie experiment teorie “rozlišen픓přesnost”