Download - D iszkrét molekuladinamika és alkalmazásai
Diszkrét molekuladinamikaés alkalmazásai
Gyimesi Gergely
2007. május 10.
Ding F, Dokholyan NV: Simple but predictive protein models. Trends Biotechnol. 2005 Sep;23(9):450-5.
Szimulációs módszerek alkalmazhatósági tartományai
Szimulációs módszerek
Newton egyenletek
Folytonos potenciálfüggvények
Numerikus integrálás
F ma2
2
d rU m
dt
pl. Lennard-Jones 6 12
( ) 4
U rr r
kisebbnek kell lennie, mint a leggyorsabb mozgás ideje a
rendszerben
(különben jelentős numerikus hibák)
tipikusan ~ 1 fs
Hagyományos Diszkrét molekuladinamika
Lépcsős potenciálfüggvények
U
r2r1r
minr
trajektória
ütközési események ballisztikus szakaszok
0( )r t r v t 0,F v const
egyszerű analitikus megoldás
Eseményvezérelt szimuláció
időlépés:
A
B
Ur
1U
2U
1
Diszkrét molekuladinamika
Rugalmas ütközések
belépés
kilépés
visszapattanás
belső visszapattanás
i i j jm v m v
k kE U E
U
rU
2
impulzus
energia
i j
j i
v m r
v m r
22
2
4
2
i j
m Ub s b
m m
m
megoldható
i
j
1s
1s
1s
1s
1 2
2
m mm
A mi DMD implementációnk
7400 sornyi C programkód és Python/Perl segédszkriptek
Az irodalomban fellelhető legújabb optimalizálási technikák
beépítve
Párhuzamosításra kész
Szimulációs rendszer
Polialanin 16-mer α–β átmenete
Szimulációs rendszer
Polialanin 16-mer
Szimulációs rendszer
Másodlagos szerkezeti elemek fluktuációja T=330K-en
Szimulációs rendszer
Másodlagos szerkezeti elemek előfordulása a hőmérséklet függvényében
Szimulációs rendszer
Polialanin 8-mer oligomerizáció – kezdeti állapot
Szimulációs rendszer
Polialanin 8-mer oligomerizáció I.
Szimulációs rendszer
Polialanin 8-mer oligomerizáció II.
Simulation system
Polyalanine 8-mer oligomerization III.
Nehézatom modell
Durva felbontású modell
gerincatomok: N, C, O, Cα
oldallánc atomok: Cβ, Cγ,
Cγ2 β-elágazóaknál(Thr, Ile, Leu)
Cδ nagyméretűeknél(Arg, Lys, Trp)
Ding F, Buldyrev SV, Dokholyan NV: Folding Trp-cage to NMR resolution native structure using a coarse-grained protein model. Biophys J. 2005 Jan;88(1):147-55.
oldallánc atom típusok:
H – hidrofóbA – amfipatikusAR – aromásP – polárosPC – pozitív töltöttNC – negatív töltött
Nehézatom modell
Hidrogénkötés
N és O atomok között
csak akkor jöhet létre, ha mind a négy távolságkényszer teljesül
orientációfüggés modellezésére távolságkényszerek
minden i és i+3 aminosav között megengedett
oldallánc-gerinc hidrogénkötés is lehetséges (donor és akceptor atomok)
U
rminr
U
r2r1r
minrij
U
rminr maxr
kötések hard-core taszítás nemkötő kölcsönhatások
2%
Nehézatom modell
Problémák az irodalomban leírt modellel:
hiányzó paraméterek, pl. O és Cβ atomokra (főleg hard-core sugarak)
kérdéses az 1-4 párok kezelése
Hard-core sugarak szerepe:
megszabják a Ramachandran-térben elérhető tartományokat
befolyásolják a másodlagos szerkezeti elemek (főleg hélixek) kialakulási valószínűségét
Javasolt megoldás:
lokális (1-4) és nemlokális atomi hard-core sugarak
N, N2, O, O2, C, C2, Cβ, Cβ2
Kérdés: hogyan lehet ezeket a paramétereket beállítani?
Nehézatom modell
Paraméterek beállítása – szempontok
a Ramachandran-térben bejárt terület megegyezzen az ismert megengedett területekkel
stabil α-hélixek tudjanak létrejönni
Az egyes tiltott tartományokat mely atomok ütközése hozza létre?
( (Ala)3 tesztrendszer )
Tiltott tartományok méretének beállítása az atomi sugarak
segítségével
Paraméterkészlet
(Ala)16-ban milyen típusú hélixek jönnek létre?
N 1.46 ÅN2 1.37 Å
O 1.35 ÅO2 1.20 Å
C 1.41 ÅC2 1.40 Å
Cβ 1.65 ÅCβ2 1.50 Å
Nehézatom modell
Paraméterek beállítása
nemlokális lokális
Nehézatom modell
Trp-cage
1.05
0.60
1.80
1.50
2.70
5.00
2.50
HH
HA
AR
AR PRO
SB
MMHB
SMHB
1 /kcal mol
Natív szerkezetet egyelőre nem sikerült létrehozni
Problémák:
310 hélix kialakulása túl gyakori
elképzelhető, hogy a hidrofób kölcsönhatások súlya túl kicsi a hidrogénkötésekéhez képest
Lehetséges továbbhaladási irányok:
energetikai paraméterek újrakalibrálása
kiterjedt konformációs vizsgálat széles hőmérséklettartományban