Dynamika Molekularna MD

(1)

Dynamika Molekularna MD

MD

Inż. Monika Rybicka

AKN BioNanopor

(2)

Essen

2

(3)

Essen

Prof. Daniel Hoffmann

Centrum Biotechnologii

Medycznej Bioinfomatyka Bioinfomatyka

3

(4)

Essen

4

(5)

Cele/Rezultaty

??? !!!

Jak wykonać Proste symulacje peptydów i jonów (tutorials)

(tutorials)

Jak przeanalizować Dysocjacja wapnia z miejsca wiążącego Jak wykorzystać w aspekcie kanałów

jonowych

Umieszczenie kanału jonowego w membranie i relaksacja układu

5

(6)

Dynamika Molekularna (MD)

K⁺ K⁺

K⁺

K⁺ K⁺

6

K⁺

K⁺ K⁺

K⁺

K⁺ K⁺

K⁺

(7)

Dynamika Molekularna (MD)

• Cząsteczki traktowane indywidualnie

• Ruch opisany równaniem Newtona

7

m_i – masa i-tego atomu

r_i – przemieszczenie i-tego atomu t – czas

U – potencjał

Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J (2002) 31: 283–293

(8)

Dynamika Molekularna (MD)

• Niewiążące oddziaływania między atomami - potencjał Columba i Lennarda-Jonesa (LJ)

8

U – potencjał między atomami q – ładunek atomu

r – odległość między atomami

ε – głębokość potencjału LJ przy minimum

σ – parametr określający odpychanie i przyciąganie atomów

Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J (2002) 31: 283–293

Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4

(9)

Narzędzie

• GROMACS

• www.gromacs.org

• http://www.gromacs.org/Documentation/Tut

• http://www.gromacs.org/Documentation/Tut orials

• Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4

• www.pdb.org

9

(10)

Protokół podstawowej symulacji MD

1. Wygenerowanie topologii (topology file)

2. Zdefiniowanie „pudełka” i roztworu (box and solvate)

3. Dodanie jonów (ions) 3. Dodanie jonów (ions)

4. Minimalizacja energii (energy minimization) 5. Relaksacja (equilibration)

6. Symulacja MD (production MD)

Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 10

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

(11)

Wygenerowanie topologii (topology file)

• Struktura molekuły *.pdb

• Usunięcie wody

• Wybór force field (L-J i inne parametry)

– GROMOS – GROMOS – AMBER – CHARMM

• Topology_file: *.top

– nonbonded parameters (atom types and charges) – bonded parameters (bonds, angles, and dihedrals)

• Gromac_file: *.gro

11

(12)

Minimalizacja energii (energy minimization)

• Potrzebny plik wsadowy *.mdp

• Upewnić się, że system jest poprawny

• i nie eksploduje lub imploduje ;-)

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400

-3 -2.5 -2

-1.5 x 10⁵

time/[ps]

E/[kJ/mol]

(13)

Relaksacja (equilibration)

• Relaksacja rozpuszczalnika (wody) i jonów

• Position-restrained

• Potrzebny plik wsadowy *.mdp

– NVT – temperatura const – NVT – temperatura const – NPT – ciśnienie const

13

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

time/[ps]

pressure/[bar]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

180 200 220 240 260 280 300 320

time/[ps]

temperature/[K]

(14)

Symulacja MD (production MD)

Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 14

(15)

Analiza symulacji - przykłady

• Oglądanie trajektorii MD

• Porównywanie struktur w czasie symulacji

• Analiza struktury drugorzędowej w czasie symulacji

symulacji

• …

15

(16)

Porównywanie struktur

16

Fig. 1. The green is the finally structure and the pink is the original structure.

(17)

Energia potencjalna

-1.67 -1.665

-1.66x 10⁵

Epotential/[kJ/mol]

17

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-1.695 -1.69 -1.685 -1.68 -1.675

time/[ps]

Epotential/[kJ/mol]

(18)

Promień obrotu/skręty (gyration)

0.78 0.8 0.82 0.84 0.86

Rg/[mn]

Rg

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7

Rg/[mn]

RgX

18

0 100 200 300 400 500

0.78

time/[ps]

0 100 200 300 400 500

0.5

time/[ps]

0 100 200 300 400 500

0.65 0.7 0.75 0.8

time/[ps]

Rg/[mn]

RgY

0 100 200 300 400 500

0.68 0.7 0.72 0.74 0.76

time/[ps]

Rg/[mn]

RgZ

(19)

RMSD

0.15 0.2 0.25

19

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 0.05 0.1 0.15

time/[ps]

RMSD/[nm]

RMSD Backbone to Backbone

(20)

RMSF

0.25 0.3 0.35

20

0 50 100 150 200 250 300 350

0 0.05 0.1 0.15 0.2

Atom

RMSF/[nm]

(21)

RMSF

0.15 0.2 0.25

21

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 0.05 0.1 0.15

residue

RMS/[nm]

(22)

Temperature factor

22

(23)

Struktura drugorzędowa

23

(24)

Wiązania wodorowe

16 18 20

24

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

6 8 10 12 14

time/[ps]

Number

(25)

Salt bridges

0 100 200 300 400 500

0 0.5 1

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU7-30:ASP8-39

0 100 200 300 400 500

0 1 2

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU7-30:GLU35-303

0 100 200 300 400 500

1 1.5 2

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU7-30:PRO38-329

0 100 200 300 400 500

0 2 4

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU7-30:CL3525-10790

2 4

Distance/[nm]

GLU7-30:CL3526-10791

1 1.5

Distance/[nm]

ASP8-39:GLU35-303

1 1.5

Distance/[nm]

ASP8-39:PRO38-329

2 4

Distance/[nm]

ASP8-39:CL3525-10790

25

0 100 200 300 400 500

0 2

time/[ps]

Distance/[nm]

0 100 200 300 400 500

0.5 1

time/[ps]

Distance/[nm]

0 100 200 300 400 500

0.5 1

time/[ps]

Distance/[nm]

0 100 200 300 400 500

0 2

time/[ps]

Distance/[nm]

0 100 200 300 400 500

0 2 4

time/[ps]

Distance/[nm]

ASP8-39:CL3526-10791

0 100 200 300 400 500

0.5 1 1.5

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU35-303:PRO38-329

0 100 200 300 400 500

0 2 4

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU35-303:CL3525-10790

0 100 200 300 400 500

1 2 3

time/[ps]

Distance/[nm]

GLU35-303:CL3526-10791

0 100 200 300 400 500

0 2 4

time/[ps]

Distance/[nm]

PRO38-329:CL3525-10790

0 100 200 300 400 500

1 2 3

time/[ps]

Distance/[nm]

PRO38-329:CL3526-10791

0 100 200 300 400 500

0 2 4

time/[ps]

Distance/[nm]

CL3525-10790:CL3526-10791

The distance between negatively charged groups

(26)

Mean [nm] Std [nm] Min [nm] Median [nm] Max [nm]

'PRO38-329:CL3525-10790' 2.60 0.42 1.52 2.72 3.18

'GLU35-303:CL3525-10790' 2.45 0.31 1.58 2.49 3.04

'GLU35-303:CL3526-10791' 2.45 0.19 1.84 2.47 2.83

'CL3525-10790:CL3526-10791' 2.36 0.57 0.69 2.46 3.25

'GLU7-30:CL3525-10790' 2.35 0.30 1.57 2.34 3.01

'ASP8-39:CL3525-10790' 2.28 0.47 1.02 2.31 3.20

'GLU7-30:CL3526-10791' 1.83 0.28 0.95 1.83 2.62

26

'PRO38-329:CL3526-10791' 1.69 0.27 1.09 1.70 2.73

'ASP8-39:CL3526-10791' 1.64 0.23 0.90 1.68 2.15

'GLU7-30:PRO38-329' 1.45 0.10 1.21 1.44 1.78

'GLU7-30:GLU35-303' 1.13 0.12 0.83 1.11 1.52

'GLU35-303:PRO38-329' 1.13 0.14 0.75 1.15 1.41

'ASP8-39:GLU35-303' 0.96 0.14 0.65 0.96 1.28

'ASP8-39:PRO38-329' 0.96 0.07 0.68 0.96 1.14

'GLU7-30:ASP8-39' 0.53 0.10 0.35 0.52 0.82

(27)

Klastrowanie struktur

The Backbone RMSD matrix 27

(28)

Dysocjacja wapnia

ID: 3ICB 28

(29)

Parametry

GROMACS 4.5.4

Protein ID 3ICB

X-ray crystallography at 0.23 nm

Time of simulation (ns) 25

Time step (fs) 2

Time step for coordinates saving (ps) 1 Time step for coordinates saving (ps) 1

Number of the water molecules 13545

Total charge of the protein (e) -3

CA 15

CL 23

C_CaCl 0.150 M

Neutral the system

Force field Gromos43a1

Water model spce

29

(30)

Parametry

The steps in the simulation:

• Energy minimization

• Relaxation of the water (position restraints) – 20 ps

• MD equilibration – 200 ps

• MD – 25 ns

The simulation was run:

• NPT conditions, using Berendsen’s coupling algorithm (P=1 bar, τ

_p

=0.5 ps, T=300 K, τ

_T

=0.1 ps)

• VDW and short range electrostatic forces - cutoff of 1.2 nm

• PBC - PME method

30

(31)

Trajektoria

31

(32)

CA DISSOCIATION

1.4 1.6 1.8 2 2.2

distance/[nm]

32

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 10⁴ 0.2

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

time/[ps]

distance/[nm]

Distance between Ca ions and the surface of the protein: blue - Ca76, green: Ca77.

6.5 ns

20.5 ns

(33)

CA DISSOCIATION

1.5 2 2.5

distance/RMSD/[nm]

33

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 10⁴ 0

0.5 1

time/[ps]

distance/RMSD/[nm]

Comparison the distance between the Ca76 and the surface of the protein and RMSD of the protein

(34)

CA DISSOCIATION

Nr shell Shell distance between Ca and the surface of the protein [nm]

Residence time for Ca76 [ps]

Residence time for Ca77 [ps]

1 0-0.35 6685 25000

2 0.35-0.6 15686 0

3 0.6-0.85 951 0

4 0.85-1.1 427 0

5 1.1-1.35 393 0

6 1.35-1.6 493 0

7 1.6-1.85 325 0

8 1.85-2.1 40 0

9 2.1-2.4 0 0

10 >2.4 0 0

34

(35)

CA DISSOCIATION

35

Water coordination number for Ca77 (cutoff 0.3 nm).

(36)

CA DISSOCIATION

36

Waterboxplot for Ca77.

(37)

CA DISSOCIATION

37

Water coordination number for Ca76 (cutoff 0.3 nm).

1.2 ns

6.5 ns

(38)

CA DISSOCIATION

4 5 6 7

time [ns]

I shell

38

0 1 2 3

GLU 17 O 179 GLU 17 OE1 176

GLU 17 OE2 177

GLU 27 OE1 270

GLU 27 OE2 271

GLN 22 O 223 GLU 60 OE2 588

ALA 14 O 150 ASP 19 O 193 GLU 60 OE1 587

time [ns]

Residence time of the Ca76 near the amino acids: distance between Ca76 and the atom is less than 0.35 nm.

(39)

CA DISSOCIATION

Nr shell

Shell distance between Ca and the surface of

the protein [nm]

Diffusion coefficient Ca76 [cm²/s]

Diffusion coefficient Ca77 [cm²/s]

1 0-0.35 0.0689∙10^-5±0.0165∙10^-5 0.1117∙10^-5±0.0754∙10^-5

2 0.35-0.6 0.1628∙10^-5±0.0358∙10^-5 -

- >0.6 1.1705∙10^-5±0.2314∙10^-5 -

39

Diffusion coefficient of the protein 0.0884∙10^-5cm²/s ± 0.0854∙10^-5cm²/s

(40)

Membrana i kanał jonowy

• Zmodyfikowany algorytm z tutoriala

40

Lemkul J. GROMACS Tutorial KALP15 in DPPC.

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx- tutorials/membrane_protein/index.html

(41)

Membrana i kanał jonowy

1. Biało z bazy OPM

(http://opm.phar.umich.edu/server.php) 2. Usunięcie HETATM i wody

3. Uzupełnienie brakujących atomów (PDB2PQR 3. Uzupełnienie brakujących atomów (PDB2PQR

- http://kryptonite.nbcr.net/pdb2pqr/) 4. Zmiana formatu z .pqr do .pdb

5. Wygenerowanie pliku .gro oraz .top

41

(42)

Membrana i kanał jonowy

6. Pobranie plików dla lipidów

- dppc128.pdb - dppc.itp

- lipid.itp

- topol_dppc.top - topol_dppc.top

7. Modyfikacja lub pobranie gotowego ff uwzględniającego lipidy

8. Dołączenie nowego ff i dppc.itp do topol.top 9. Wygenerowanie pliku *.gro dla lipidów

- wybór odpowiednich rozmiarów box (box

_lipid

=box

_protein

)

42

(43)

Membrana i kanał jonowy

10. Usunięcie periodyczności box _lipid

11. Ustawienie środka box _lipid i box _protein – pod kątem późniejszego włożenia białka w błonę 12. Scalenie plików *.gro dla lipidów i białka

13. Manualne operacje na nowopowstałym 13. Manualne operacje na nowopowstałym

system.gro (usunięcie nagłówków, itp.) 14. Przenumerowanie atomów

(nr_atom_update.py)

15. Manualne operacje na nowopowstałym out.gro (dodanie nagłówków, itp.)

43

(44)

Membrana i kanał jonowy

15. Dodanie silnego position-restrain dla białka 16. Rozsunięcie lipidów i usunięcie

wychodzących poza box

- inflategro.pl - inflategro.pl

17. Modyfikacja topol.top o usunięte lipidy 18. Minimalizacja energii

44

(45)

Membrana i kanał jonowy

45

(46)

Membrana i kanał jonowy

19. Ściskanie lipidów wokół białka i

minimalizacja energii – w pętli, aż uzyskana zostanie odpowiednia powierzchnia dla

lipidów: dla DPPC area per lipid=71 Å ² lipidów: dla DPPC area per lipid=71 Å ² - inflategro.pl

- petla1.pl

46

(47)

Membrana i kanał jonowy

47

(48)

Membrana i kanał jonowy

19. Dodanie rozpuszczalnika 20. Dodanie jonów

21. Minimalizacja energii

22. Relaksacja wody i jonów (PR): NVT i NPT 22. Relaksacja wody i jonów (PR): NVT i NPT

- dłuższe niż w prostej symulacji

19. Pre-symulacja MD – trudno zrelaksować tak duży system

20. Symulacja MD

48

(49)

NPT trajektoria

49

(50)

NPT trajektoria

50

(51)

Dziękuję za uwagę

51

(52)

energy_minimization.mdp

52

powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water.

(53)

NVT.mdp

53

powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water.

(54)

RMSD

54

powrót Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4