http://multimedia.mcb.harvard.edu/ ‘Inner life of a cell’

Studiul DINAMICII MOLECULARE: intelegerea comportamentului unei molecule la nivel atomic

AC

TIV

ITA

TE

A B

IOL

OG

ICA

A

UN

EI P

RO

TE

INE

- Structura 3D

- Flexibilitatea (dinamica ) structurii 3D

+

- Interactiunea cu mediul- apa si/sau lipide

- Interactiunea cu liganzii

- Interactiunea cu alte proteine

Amplitudine

Tipul miscarii Functionalitate Timp

MICA; <1 Å

Fluctuatii atomice; miscarea lanturilor

laterale

Acomodarea liganzilor

fs – ps

MEDIE; 1-5 Å

Miscarea buclelor

Modificarea situsului activ;

specificitatea de legare

ns

MARE; 5-10 Å

Miscarile domeniilor si a subunitatilor

Tranzitii alostericeµs – ms

GLOBALE; > 10 Å

Asocierea subunitatilor,

modificarea plierii

Functionalitatea proteinelor

ms – h

Simulari de dinamica moleculara modelarea miscarilor de amplitudine mica si

medie permite adaugarea solventului si a membranei CHARMM, NAMD, AMBER

Analiza de moduri normale modelarea miscarilor colective (amplitudine

mare) permite studiul sistemelor cu un numar limitat

de atomi CHARMM

http://services.cbu.uib.no/tools/normalmodes

TOPOLOGIA: tipurile de atomi, legaturile formate, sarcinile partiale ale resturilor, specificatiile de legare a resturilor + coordonate interne

PARAMETRII: valori numerice specifice pentru rezolvarea functiei empirice de energie – distante, unghiuri, improprii, diedre si constantele de forta la echilibru V=Vlegatura+Vnelegatura

)](cos1[)(

)()(

02

0

2

02

0

nAk

kllkRV

diedren

improprii

unghiurilegaturillegatura

ijr

ji

ij

ij

ij

ij

jinelegatura r

qq

r

r

r

rij

RV0

6min

12min

4])(2)[(()(

C:/Program Files/University of llinois/VMD/plugins/noarch/tcl/readcharmmpar1.1/par_all27_prot_lipid_na.inp

Determinata experimental Cristalografie de raze X RMN

• lipsa atomilor de H

MINIMIZAREA ENERGIEI

Structurile cu energie mare – stari tranzitionale, instabile

• Modificarea coordonatelor atomilor in sensul descresterii energiei moleculei

•Variatia energiei in functie de coordonatele atomilor = profilul energetic al moleculei

• suprapunerea de atomi nelegati• legaturi si unghiuri deformate

- Adaugarea atomilor din coordonatele interne

- distributia structurilor pe profilul energetic

-Conditia de minim energetic - ∆Energie~ 0

simulari realiste – influenta ‘solventului’

Solvatare:VMD Main – Extensions – Modeling – Add Solvation Box

Utilizarea scripturilor de solvatare VMD Main – Extensions – Tk Console

Modelarea bistraturilor lipidice:VMD Main – Extensions – Modeling – Membrane Builder

apa lipide

C:\MD\ubq

Psf – ul: informatii structurale (legarea atomilor)

‘topologia moleculei’ ubq.psf ( extensia Automatic PSF Builder)

Pdb – ul: coordonatele atomice ale sistemului ubq.pdb

VMD Main – Extensions – Tk ConsoleDirectorul de lucru (cd .. ; dir )source wat_sphere.tclsource wat_box.tcl

In vid C:\MD\ubq: ubq.psf, ubq.pdb

VMD Main – Extensions – Simulation – NAMD Graphical

Interface

Edit – Other simulation parameters - Binary output files

Minimization

Run NAMD

VMD – Extensions – Analysis – NAMD Plot - *.out

*.coor - *_min.pdb

Cuantificarea modificarilor – RMSD (root mean square

deviation): VMD – Extensions – Analysis – RMSD Calculator

Rezultatul: traiectoria de dinamica = set de conformatii *.dcd

C:\MD\ubq: ubq.psf, ubq.pdb

VMD Main – Extensions – Simulation – NAMD Graphical Interface

Edit – Other simulation parameters - Binary output files

Minimization Molecular dynamics

Run NAMD

Fluctuatiile moleculei:

-Dependenta de timp

-Amploarea

pozitie

viteza

VMD Main – Extensions – Simulation – NAMD Graphical Interface – Edit

Ensemble – tipul de dinamica: NVE – Energie constanta

- temperatura (K)

Fixed atoms

Other simulation parametersDCD/XST output frequencyTime Step

Incalzirea moleculei - treptatTemperatura – distributia vitezelorVitezele initiale ale atomilor – ‘arbitrare’

lipsa corelatiilor intre miscarea atomilor legati

Echilibrarea structurii – zeci-sute psCu rescalarea vitezelor in acord cu

temperatura

Fara a rescala vitezele

Structura insuficient minimizataERORI

Simulare OK

Energia cinetica Temperatura

Rezultate de incredere:

- Sistemul de calcul echilibrat-Simulare stabila- Respectarea conditiei de energie constanta

Dinamica ‘utila’

VMD – Extensions –

Analysis – NAMD

Plot - *.out

RMSD: VMD – Extensions – Analysis – RMSD Trajectory Tool

Distante:VMD - Mouse – Label – BondsVMD – Graphics – Labels – Bonds - Graph

UnghiuriVMD - Mouse – Label – AnglesVMD – Graphics – Labels – Angles - Graph

Punti de hidrogenVMD – Extensions – Analysis – Hydrogen bonds

RMSD mediu / aminoacid

VMD Main – Extensions – Tk ConsoleDirectorul de lucru C:\MD\ubq (cd .. ; dir )source residue_rms.tcl (procedura de

calcu a RMSD mediu)set sel_resid [[atomselect top “protein and

apha] get resid]rmsd_residue_over_time top $sel_residresidue_rms.datColoring method - User

http://www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/

Conditii periodice

C:\MD\bsa\ bsa.psf BSA, apa + ioni

bsa.dcd: 20 ps Time step – 2 fs Distanta dintre frame-uri

0.2 ps Temperatura

1000 K – 300 K

RMSD VMD – Extensions – Analysis – NAMD

Energy Interactiunea proteina (selection1) si apa

(selection2) Forta non-bonded

Alte analize ?