Молекулярная динамика (MD)

Молекулярная динамика(MD)

Движения белка.

Зачем нужны молекулярная механика и моделирование? Эксперимент Теория РСА, ЯМР Разработка Мат. модели Рассеивание:X-ray, neutron Понимание структур, динамики и функции биомолекул Разработка методов Проверки Imaging/Cryo-EM Исследование феноменологии свойств модели Каллометрия, pKa, термодинамика

Молекулярная механика Основы: • Симуляции подчиняются законам классической физики. Движущая сила : Функции потенциальной энергии, минимизация энергии, молекулярная динамика. Использование: • Поиск конформаций биомолекул. • Исследование флуктуации и динамики биополимеров. • Расчет, как самой свободной энергии систем, так и её изменение.

Молекулярные движения

Молекулярная динамика(MD) Молекулярная динамика это процесс позволяющий описать сложные химические системы в терминах реалистичной атомарной модели с целью понять и предсказать макроскопические свойства системы основываясь на детальном знании структуры.

Движения атомов QM MD

Уравнение Ньютона Fi Ковалентные взаимодействия Не ковалентные взаимодействия

Силовое поле Ковалентные взаимодействия Связь

Силовое поле Ковалентные взаимодействия Углы

Силовое поле Ковалентные взаимодействия Торсионные углы неправильные правильные

Силовое поле Не ковалентные взаимодействия Вандер-Ваальсовы взаимодействия потенциал Ленорда-Джонса потенциал Букингема

Силовое поле Не ковалентные взаимодействия Электростатические взаимодействия Закон Кулона Закон Кулона с реакционным полем

Силовое поле, константы Константы из уравнения : 1) связи , Кb, b0 2) углы K,0 3) торсионные углы K,  4) Частичные заряды qi 5) Параметры WdV Aij, Cij Как найти значения этих констант?

Силовое поле, константы Большинство значений можно получить из высокоточных расчётов QM ab initio (DFT B3LYP 6-31+G*). Полученные значения "подгоняют" под уравнения силового поля. Константы из уравнения : 1) связи , Кb, b0 ИР-спектроскопия, QM 2) углы K,0ИР-спектроскопия, QM 3) торсионные углы K,  ИР-спектроскопия, ЯМР, QM 4) Частичные заряды qi угадывание, термодинамика,QM 5) Параметры WdV Aij, Cij угадывание,термодинамика, QM

Применение силового поля Метод Монте-Карло Молекулярная динамика

Молекулярная динамика Dt Сумма сил действующих на атом Расчет новых координат интегрирование

Молекулярная динамика,интегратор Leap-Frog алгоритм Алгоритм Верле

Алгоритмы ограничения быстрых колебаний Частота колебаний С-H, N-H,O-H связей ограничивает временной шаг МД в 1 фс. Shake алгоритм Начальные координаты Координаты после одного шага МД После применения Shake. LINCS алгоритмбыстрее чем SHAKE

Контроль температуры Алгоритм Берендсена Алгоритм Ноза-Хувера Эффективен для релаксации системы, но не для симуляции динамики таковой. Рекомендуется для воспроизведения реалистичного ансамбля.

Контроль давления Алгоритм Паринело-Рахмана Алгоритм Берендсена Рекомендуется для систем где ячейка может изменять свои пропорции. Рекомендуется для расчета термодинамических параметров системы..

Самосборка мембраны

Методология подготовки системы для МД Построение топологии молекулы на основе координат т.е. перечисление связей углов и тд. Выбор формы и размера ячейки Минимизация энергии структуры в вакууме методы: steep, CG, l-bfgs Добавление растворителя и ионов в ячейку "Утряска" воды и ионов вокруг не подвижной молекулы

Силовое поле, получение топологии молекулы pdb2gmx pdb top atp rtp hdb tdb bon.itp grompp pdb2gmx nb.itp gro rtp

Периодичные граничные условия МД поли-аланина показала искусственную стабилизацию альфа спирали, при использовании маленькой ячейки. Рекомендуется делать отступ между молекулой и гранью ячейки более 10А.

Форма ячейки двенадцатигранник и усечённый восьмигранник

Модели воды Также : spce, tip4p, tip5p

Добавление воды в ячейку Используя заранее уравновешенный кубик воды По одной молекуле

Что можно узнать из МД? равновесные свойства: • Константа связывания лиганда с белком • Средняя потенциальная энергия системы • Распределение жидкости вокруг различных элементов динамические и неравновесные свойства: • Вязкость жидкости • Процесс диффузии в мембраны • Динамика фазовых изменений • Кинетику реакции

Проникновение веществ в мембрану

5 DS-SA SA-H 5 DS-SA

Ориентация 5-DSA Ionized Protonated

Статистическое распределение воды

Ограничения МД • Симуляции основаны на законе Ньютона • Электроны не учитываются • Силовые поля это приближение • Удалённые взаимодействия обрезаются • Граничные условия между ячейками не натуралистичны

Длинна траектории МД Длинна траектории должна быть в 10 раз больше чем время необходимое для преодоления энергетического барьера.

В следующей лекции • Как правильно считать удалённые электростатические взаимодействия? • Как увеличить шаг МД? • Как оптимально минимизировать энергию системы? • Какие модификации МД существуют? • Как провести анализ траектории?

Молекулярная динамика (MD)

Молекулярная динамика (MD)

Presentation Transcript

Yonca A . Akova , MD, Mehmet Borazan, MD; Aylin Karalezli, MD; Cem Kucukerdonmez, MD ; Ahmet Akman , MD; Sevsen Kul

Dilraj Grewal MD SPS Grewal MD Rajeev Jain, MD G S Brar MD

Leah Taffel MD, Laura Fernandez MD, Serena Chao MD MSc, Andrea Schwartz MD MPH

G S Brar MD Dilraj Grewal MD Rajeev Jain, MD SPS Grewal MD

Daniele Tognetto MD, Pia Leon MD, Paolo Cecchini MD, Silvia Rinaldi MD, Giuseppe Ravalico MD

Tianhong Pan, MD, PhD; Wenjie Xie, MD; Pawan Rawal,MD Joseph Jankovic, MD; Weidong Le, MD, PhD

Marie Csete MD, PhD Amy Alvarez MD Eric Nielsen MD Douglas Morris MD Thomas Heffron MD Andrei Stieber MD AORTIC STENOS

PIERRE TOURNEUX, MD, PHD, THAMEUR RAKZA, MD, ANTOINE BOUISSOU, MD, GÉRARD KRIM, MD, AND LAURENT STORME, MD, PHD

Karen Chia, MD Chan Tat Keong , MD Peter Tseng, MD Doric Wong, MD

A Kheirkhah MD, A Izadi MD, R Nazari MD H Hashemi MD, M Jabbarvand MD, H Hashemian MD

Dr. S.Chakravarty MBBS, MD MD

Jeffrey Beal, MD Jennifer Janelle, MD Robert Lawrence, MD

Megan Miller MD, Nancy Schindler MD, John Seal MD, Mark Russo MD

Ghasem Fakhraie*, MD, Mahmoud Jabbarvand , MD, Yadollah Eslami , MD,

Ahmet ALANAY, MD Cagatay OZTURK, MD Meric ENERCAN, MD Ibrahim ORNEK, MD Mehmet TEZER, MD

Anil Verma, MD, Jalal Ghali, MD, Alessandra Meris, MD,

Oglesby Paul, MD Bradford Cannon, MD

Selim Doganay, MD ¹ ; Cem Cankaya, MD ¹ ; Alpay Alkan, MD ²

Hiroo Matsuse, MD; Naoto Shiba, MD; Yoshio Takano, MD;

Azmi HAMZAOGLU, MD Cagatay OZTURK, MD Ahmet ALANAY, MD Mehmet TEZER, MD Selhan KARADERELER, MD

A. Amit MD, D. Beck MD, O. Lavi MD, R. Bar-Shalom MD, Z. Keidar MD, PhD, and O. Israel MD

Burcu Oktay MD , Sadık Ardıç MD, Hikmet Firat MD, Erdem Akbal MD, Ramazan Akdemir MD