Počítačová chemie (6. přednáška)

1. Počítačová chemie (6. přednáška) • Úvod (1. přednáška) • Molekula • Struktura molekuly (2., 3. a 4. přednáška) • Geometrie molekuly (5. přednáška) • Vhled do praxe (6. přednáška) • Molekulové modelování • Molekulová mechanika (7. a 8. přednáška) • Kvantová mechanika (9. a 10. přednáška) • Molekulová dynamika (11. přednáška) • Vhled do praxe (12. přednáška)

2. Vhled do praxe • Struktura molekul • Geometrie molekul • Vyhledávání v chemických databázích

3. Struktura molekuly • Ke grafickému znázornění struktury molekuly slouží její strukturní vzorec. • Pro vytváření a vizualizaci strukturních vzorců molekuly lze využít: • klasické grafické programy • vektorové grafické programy • vektorové grafické programy, specializované na práci se strukturními vzorci: ChemWindow, ISIS, atd.

4. Struktura molekuly • Demo: • Ukázka programů ChemWindow, ISIS • Předvedení nakreslení TNT • Úkol: nakreslete si LSD, uložte jako MOL soubor

5. Geometrie molekuly-fyzické modely Historicky nejstarším grafickým znázorněním geometrie molekuly byl fyzický model dané molekuly. = konstrukce v níž byly vazby a atomy znázorněny fyzickými objekty (například dráty a kuličkami) a uspořádány v prostoru stejně jako v rámci molekuly (v odpovídajícím měřítku).

6. Geometrie molekuly- fyzické modely - historie Historie fyzických modelů: • 1958 Kendrew První fyzický model molekuly (myoglobin, měřítko 5 cm / Å , využit mosazný drát). • 1968 Richards Optický srovnávač, který zjednodušil tvorbu Kendrewových modelů. • konec 70-tých let Rubin & Richardson Stroj pro ohýbání drátu do tvaru, odpovídajícího uspořádání hlavního řetězce proteinu.

7. Geometrie molekuly- fyzické modely - historie II • Poté, co se začaly v 60-tých letech používat k vizualizaci molekul počítače, přestaly být fyzické modely v chemii využívány. Bylo totiž velmi netriviální je vytvořit, byly drahé, zabíraly velký prostor a bylo náročné je modifikovat. • V součastnosti se tyto modely využívají hlavně v následujících oblastech: • didaktika • umění

8. Geometrie molekuly- fyzické modely - historie III • Molekulové sochařství: 1973 Rubinova molekulová socha ruberdoxinu: • Další molekuloví sochaři: Meyer, Eward

9. Geometrie molekuly- počítačové znázornění • Cílem je znázornit 3D strukturu ve 2D rovině => třetí rozměr je nutno nějakým způsobem simulovat: • stínování • možnost rotace molekuly • stereovize

10. Geometrie molekuly- počítačové znázornění - historie • 1964 Levinthal Zobrazení rotujícího spojnicového modelu molekuly na obrazovce osciloskopu. • 1965 Richardsonovi Visualizace molekuly pouze pomocí počítače (bez fyzického modelu). Využili poznatky z rontgenové krystalografie. • 1977 Porter „Atlas struktur molekul“.

11. Geometrie molekuly- počítačové znázornění - historie II • 1980 Merchant Metodika TAMS (Teaching Aids for Macromolecular Structure), zobrazující molekulu pomocí stereo slidů: = dvojice slidů: • Na jednom je molekula v základní poloze. • Na druhém v poloze pootočené o jistý úhel (kolem 4°). Tím je simulováno klasické prostorové vidění = každé oko zaznamenává obraz z jiného úhlu a mozek z nich vytváří plastický obraz. Pro sledování stereo slidů jsou nezbytné speciální brýle, které odstiňují vliv okolí.

12. Geometrie molekuly- počítačové znázornění - historie III • 80-tá léta Evans a Sutherland Vektorové počítače E & S Computers pro zpracovávání krystalografických dat. Využívaly vizualizační programový balík FRODO. • 1989 Richardsonovi Programový balík CHAOS pro E & S Computers (efektivnější než FRODO). • 1992 Richardsonovi Znázornění pohybu molekul pomocí kineimage (zkratka z kinetic image), neboli animace pohybu molekul. Pro práci s kineimages vytvořeny programy MAGE a PREKIN.

13. Geometrie molekuly- počítačové znázornění - historie III • 1992 Sayle Program RasMol (zkratka ze slov Raster Molekule) - první vizualizační program, který se používal hromadněji (a používá se dodnes). • Součastnost: Velké množství programů pro práci s geometrií molekuly.

14. Geometrie molekuly- modely molekuly I Drátový model (wire-frame):

15. Geometrie molekuly- modely molekuly II Tyčinkový model (sticks):

16. Geometrie molekuly- modely molekuly III Tyčinky a kuličky (ball & sticks):

17. Geometrie molekuly- modely molekuly V Kalotový model (CPK, spacefill): Kalotový model (CPK, spacefill): Vyvinut Coreyem a Paulingem a poté vylepšen Kultunem. Atomy znázorněny jako koule, jejichž velikosti odpovídá (v příslušném měřítku) poloměrům* daných atomů. * Konkrétně van der Waalsovským poloměrům. Vdw poloměr je 1/2 vzdálenosti mezi dvojicí volných (=není mezi nimi vazba) atomů v krystalu.

18. Geometrie molekuly- programy pro práci s geometrií Využití programů: • vizualizace geometrie molekuly • měření geometrických charakteristik molekuly: délka vazby, vzdálenost 2 atomů v molekule, vazebný úhel, dihedrální úhel, RMSD, ... • vytváření geometrie molekuly

19. Geometrie molekuly- programy pro práci s geometrií II Konkrétní programy a jejich vlastnosti:

20. Geometrie molekuly- formáty souborů s molekulami Existuje velmi mnoho formátů pro zápis geometrie molekuly. Některé obsahují i informace o vazbách. Nejpoužívanější formáty: PDB (formát, používaný v databázi proteinů PDB) MOL (formát používaný v databázích organických látek) Další formáty: Alchemy, Ball and Stick, Boogie, Cambridge CADPAC, Chem3D Cartesian 1, CSD CSSR, CSD GSTAT, Free Form Fractional, Gaussian Z-Matrix, Hyperchem HIN, Mac Molecule, Micro World, MM2 Ouput, MMADS, MOLIN, Mopac Internal, PC Model, Quanta, Spartan, Spartan Mol, Sybyl Mol2, Maccs 2d, UniChem XYZ, XED, AMBER PREP, Biosym , Cacao Cartesian, CHARMm, Chem3D Cartesian 2, CSD FDAT, Feature, GAMESS Output, Gaussian Output, MDL Isis, Macromodel, MM2 Input, MM3, MDL MOLfile, Mopac Cartesian, Mopac Output, PDB, ShelX, Spartan Semi-Empirical, Sybyl Mol, Conjure, Maccs 3d, XYZ, Převod mezi formáty: BABEL, on-line demo: http://demo.eyesopen.com/cgi-bin/convert

21. Geometrie molekuly • Demo: • Program Rasmol, molekula ala-pro-ala, ukázka modelů (drátový, tyčinkový, tyčinky & kuličky, kalotový). • Program VMD a ala-pro-ala. • Program Rasmol, molekula chlorhydroxyethenu, změřit délku vazby, vazebný úhel a torzní úhel. • Měření RMSD pomocí VMD (ala-pro-ala) • Program ChemSketch, vytvořit molekulu, ukázat 3D. • Uložit jako MDL, převod do PDB, ukázat 3D v Rasmolu.

22. Geometrie molekuly • Demo - úkol: • ! strukturní vzorec LSD • Vyzkoušejte si vizualizovat molekulu LSD pomocí Rasmolu a VMD, vyzkoušejte si různé modely. • Pomocí programu 3D Viewer změřte pro molekulu cis2butenu: • Vzdálenost atomů 1 a 3; úhel atomů 1, 2 a 3; torzní úhel atomů 1, 2, 3 a 4. • Vytvořte si pomocí programu ChemScatch molekulu propanolu, optimalizujte si její 3D strukturu a podívejte se na ní pomocí programu 3D Viewer. • Uložte si tuto molekulu do MDL souboru, převeďte je (BABELem) do PDB souboru, podívejte se na něj v Rasmolu. • Navíc: RMSD pro 2 molekuly ala-pro-ala (podle souboru measure.txt)

23. Chemické databáze • Typy databází: • databáze anorganických látek • databáze organických látek • databáze biomolekul • proteiny • nukleové kyseliny

24. Chemické databáze - databáze anorganických a organických molekul • Obsahují nejčastěji následující informace: • 1D data: bibliografické informace o molekule • 2D data: struktura molekuly • 3D data: geometrie molekuly • 3D krystalografická data: způsob uspořádání molekuly v krystalu

25. Chemické databáze - databáze anorganických a organických molekul

26. Chemické databáze - databáze anorganických a organických molekul Příklady databází: • Databáze anorganických krystalových struktur ICSD: http://icsd.ill.fr/icsd/index.html • Cambridgská strukturní databáze organických molekul: http://www.ccdc.cam.ac.uk/search.html

27. Chemické databáze - databáze proteinů Protein = řetězec aminokyselin (existuje 20 základních aminokyselin):

28. Chemické databáze -databáze proteinů

29. Chemické databáze - databáze proteinů Struktura proteinu: • Primární: Popisuje jaké aminokyseliny tvoří protein. • Sekundární: Popisuje jakým způsobem jsou aminokyseliny spojeny pomocí vodíkových vazeb. Existují dva základní způsoby uspořádání aminokyselin pomocí vodíkových vazeb: struktura skládaného listu a dvojité šroubovice. • Terciální: Popisuje jak jsou řetězce aminokyselin organizovány v prostoru. • Kvartérní: Popisuje jakými podjednotkami je tvořen protein.

30. Chemické databáze - databáze proteinů Struktura skládaného listu:

31. Chemické databáze - databáze proteinů Struktura beta-šroubovice:

32. Poznámka: Geometrie proteinů- modely molekuly I Tyčinkový model: Drátový model:

33. Poznámka: Geometrie proteinů- modely molekuly II Kalotový model: Tyčinky a kuličky:

34. Poznámka: Geometrie proteinů- speciální modely molekuly Páskový model (ribbons): Používá se pro proteiny a nukleové kyseliny. Znázorňuje hlavní řetězec (kostru) molekuly pomocí pásku, ležícího v rovině řetzce.

35. Poznámka: Geometrie proteinů- speciální modely molekuly II Schématický model (cartoon): • Používá se pro proteiny. Znázorňuje hlavní řetězec (kostru) molekuly pomocí následujícího schématu: • Části hlavního řetězce, mající strukturu dvoušroubovice listu, jsou znázorněny páskem. • Části hlavního řetězce, mající strukturu skládaného listu, jsou znázorněny páskem, zakončeným šipkou. • Ostatní části hlavního řetězce jsou znázorněny tyčkou.

36. Chemické databáze - databáze proteinů Existují následující typy databází proteinů: • Databáze primárních struktur: • Příklady: PIR, MIPS, SwissProt, TeEMBL, NRL-3D • Komplexní databáze primárních struktur: • Spojují více primárních zdrojů, využívají specificku množinu vyhledávacích kritérií. (Například vyhledávání proteinů, obsahujících určitý strukturní vzor.) • Příklady: NRDB, OWL, MIPSX, SwisProt+TrEMBL

37. Chemické databáze - databáze proteinů • Databáze sekundárních struktur: • Obsahují informace, odvozené z primárních sekvencí • Tyto informace jsou nejčastěji reprezentovány v abstraktní formě: regulární výrazy, bloky, speciální chemické struktury (např. fingerprints) • Příklady: PROSITE, PRINTS, BLOCKS, PROFILES, PFAM, IDENTITY • Komplexní databáze sekundárních struktur: • Analogicky jako komplexní databáze primárních struktur. • Příklad: Interpro

38. Chemické databáze - databáze proteinů • Databáze terciálních struktur (geometrií): • Obsahují prostorové souřadnice daného proteinu (nejčastěji ve formátu PDB) • Příklad: PDB (Protein Data Bank), PDBsum

39. Chemické databáze - databáze nukleových kyselin Nukleová kyselina - schéma:

40. Chemické databáze - databáze nukleových kyselin Nukleosid - základní jednotka nukleové kyseliny:

41. Chemické databáze - databáze nukleových kyselin Báze DNA: Cukr DNA - deoxyribosa: Cukr RNA - ribosa: Báze RNA (místo T):

42. Poznámka: Geometrie nukleových kyselin- modely molekuly I Tyčinkový model: Drátový model:

43. Poznámka: Geometrie nukleových kyselin- modely molekuly II Kalotový model: Páskový model: Tyčinky a kuličky:

44. Chemické databáze - databáze nukleových kyselin Existují následující typy databází nukleových kyselin: • Databáze primárních struktur: • Příklady: EMBL, DDBJ, GenBank, dbEST • Speciální DNA databáze: • Obsahují druhově specifické DNA, nebo DNA, získané pouze určitým postupem • Příklady: SGD, UniGene, TDB, ACeDB

45. Chemické databáze - úkoly • Pomocí programu Rasmol si vizualizujte molekulu DNA a hemoglobinu a vyzkoušejte si použití různých modelů molekuly. • V databázi anorganických látek najděte informace o minerálu apatitu (anglicky apatite :-) http://icsd.ill.fr/icsd/index.html • V databázi PIR najděte informace o proteinu albuminu. • V databázi PDB najděte informace o jedu mamby zelené (jed = venom :-). Stáhněte si soubor s geometrií proteinu (PDB soubor), tvořícího daný jed a prohlédněte si ho v nějakém vizualizačním programu. • V databázi DDBJ najděte libovolnou DNA začínající bazemi: CACCCTCTCTTCACTGGAAA a prohlédněte si její primární strukturu