11

Computersimuleringer afComputersimuleringer afMolekylære SystemerMolekylære Systemer

Ulf Rørbæk PedersenUlf Rørbæk Pedersenwww.urp.dkurp@ruc.dk

Ph.D. studerende vedCenter for glas og tid

Roskilde Universitetscenter (RUC)

22

OversigtOversigt

Hvad er en molekyledynamik-Hvad er en molekyledynamik-simulering?simulering?

Et lille eksempel: Tumling modellenEt lille eksempel: Tumling modellen

Simulering af en cellemembranSimulering af en cellemembran Simulering af glasSimulering af glas

33

Newtons mekanikNewtons mekanik

Bevægelses Bevægelses ligningerneligningerne

F: Kræft [kgF: Kræft [kgm/s]m/s]

a: acceleration [m/sa: acceleration [m/s22]]

v: hastighed [m/s]v: hastighed [m/s]

x: sted [m]x: sted [m]

dtvxd

dtavd

amF

44

Energier og kræfter mellem Energier og kræfter mellem atomeratomer

Model

55

Dynamik: ”Tumling” Dynamik: ”Tumling” molekyletmolekylet

66

””Tumling” dråberTumling” dråber

77

Typiske tal for en MD-Typiske tal for en MD-simuleringsimulering

LængdeskalaLængdeskala: 10: 10-9 -9 m til 10m til 10-7-7 m m TidsskalaTidsskala: 10: 10-15 -15 s til 10s til 10-8 -8 ss Antal atomerAntal atomer: 1 000 til 60 000: 1 000 til 60 000 RegnetidRegnetid: Fra nogle minutter på 1 : Fra nogle minutter på 1

cpu til måneder på 128 cpu’ercpu til måneder på 128 cpu’er

88

Den biologiske membranDen biologiske membran

En cellemembran

99

En model af en En model af en cellemembrancellemembran

1010

En vandkanal i en En vandkanal i en cellemembancellememban

1111

En vandkanal i en En vandkanal i en cellemembancellememban

1212

BedøvelsesmidlerBedøvelsesmidler

1313

Alkohol i en membranAlkohol i en membran

n-hexanol og DMPC

1414

Areal pr. PhospholipidAreal pr. Phospholipid

1515

Voronoi VolumenerVoronoi Volumener

1616

Lateral diffusionLateral diffusion

1

2

222

2

2

½

4

for 2

2

kTmlD

vmkTE

lvDD

DtyxR

tDtx

kin

l

Mobiliteten stiger ved tilsætning af n-hexanol

sm

sm

sm

D

D

D

2

2

2

10

10

10

105

1011

1014

DMPC

DMPC/hex

Hexanol

1717

CaCa2+2+ i membraner i membraner

1818

GlasGlas

1919

Glas er en stivnet væskeGlas er en stivnet væske

2020

Nedkøling af en væske Nedkøling af en væske (toluen)(toluen)

Toluen ved 300 K Nedkøling fra 325 K til 175 K

Bevægelsen af et molekyle i en væske

2121

Massetæthed af toluen som Massetæthed af toluen som funktion af temperaturenfunktion af temperaturen

2222

Toluen ved 175 KToluen ved 175 K

2323

DiffusionDiffusion

T=325 K

2424

OpsummeringOpsummering

MD-simuleringer kan bruges til at MD-simuleringer kan bruges til at undersøger molekylære systemer på undersøger molekylære systemer på nano meter skalaennano meter skalaen

Give en detaljeret indsigt i fysiske Give en detaljeret indsigt i fysiske fænomenerfænomener

Men det er en model af virkelighedenMen det er en model af virkeligheden

2525

Tak for jeres Tak for jeres opmærksomhedopmærksomhed

Ulf Rørbæk Pedersenwww.urp.dk, urp@ruc.dk

2626

Kraftfelt: CHARMM27 med modificerede Kraftfelt: CHARMM27 med modificerede ladninger i DMPC hovedgruppenladninger i DMPC hovedgruppen

MD-simuleringerMD-simuleringer

dtvdx

dtadv

dxm

dEa

ii

ii

iii

Bevægelsesligningerne Bevægelsesligningerne løses inden for løses inden for klassiskmekanikklassiskmekanik

2727

SAXS SAXS

q = |kin - kout|

2828

Strukturelle ændringerStrukturelle ændringer

2929

Perturberet membranPerturberet membran

3030

Hydrofobt match hypotesenHydrofobt match hypotesenGlpFPOPE

3131

Model for tykkelsen af en Model for tykkelsen af en perturberet membranperturberet membran

Membran tykkelseved tilsætning af n-hexanol

Å 84.0

Å 21.0

1

b

t

z

z

3232

Lateralt tryk hypotesenLateralt tryk hypotesen

Robert S. Cantor: Biochemistry 36 (9) 1997 2340-2344Robert S. Cantor: Chemistry and Physics of Lipids 101 (1999) 45–56

h

h

b

tr

zz

z

dzzAzpTk

eKK

K

z

zAzzV

zVzW

)()(

)(

)()(

)()(

1

0

)(

3333

Membran profilMembran profil

0,25

0,27

0,29

0,31

0,33

0,35

0,37

2 4 6 8 10 12

nr. kulstof i acylkæde

ele

ktro

ntæ

the

d [

e/Å

³]

DMPC

DMPC/hex.

Vand

SAXS MD-simuleringer

D15PC/heptanol 32.0 25.0 0

3434

DiffusionDiffusion

3535

OpsummeringOpsummering

Ved tilsætning af n-alkohol til en membran sesVed tilsætning af n-alkohol til en membran ses

større lateral diffusions (n-hexanol)større lateral diffusions (n-hexanol) blødere membran (n-hexanol)blødere membran (n-hexanol) i den inderste del, større uorden af acylkæderne, i den inderste del, større uorden af acylkæderne,

løsere pakningløsere pakning i den yderste del af membranen, større orden af i den yderste del af membranen, større orden af

acylkæderneacylkæderne ændring af den hydrofobe højdeændring af den hydrofobe højde ændring af membranens trykprofilændring af membranens trykprofil

Specialet med mere kan findespå www.urp.dk/speciale

3636

PropmodellenPropmodellen

Betydningen af hydrofobt mishmaching lipider

3737

Figur 3.8Figur 3.8

3838

MD-simuleringerMD-simuleringer

3939

DiverseDiverse

Hexanol: D = 1.4 Å2/ns = 14 x10 m²/s

DMPC/hexanol: D = 1.1 Å2/nsRen DMPC: D = 0.5 Å2/ns

Model af et membranprotein

4141

Model systemModel systemn-hexanol og DMPC