View
76
Download
4
Category
Preview:
DESCRIPTION
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) - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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)
Vhled do praxe
• Struktura molekul
• Geometrie molekul
• Vyhledávání v chemických databázích
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.
Struktura molekuly
• Demo: – Ukázka programů ChemWindow, ISIS
– Předvedení nakreslení TNT
– Úkol: nakreslete si LSD, uložte jako MOL soubor
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).
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.
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
Geometrie molekuly- fyzické modely - historie III
• Molekulové sochařství:
1973 Rubinova molekulová socha ruberdoxinu:
• Další molekuloví sochaři: Meyer, Eward
Geometrie molekuly- počítačové znázornění
• Cílem je znázornit 3D strukturu ve 2D rovině
=> třetí rozměr je nutno nějakým způsobem simulovat:– stínování– možnost rotace molekuly– stereovize
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“.
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.
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.
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.
Geometrie molekuly- modely molekuly I
Drátový model (wire-frame):
Geometrie molekuly- modely molekuly II
Tyčinkový model (sticks):
Geometrie molekuly- modely molekuly III
Tyčinky a kuličky (ball & sticks):
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.
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
Geometrie molekuly- programy pro práci s geometrií II
Konkrétní programy a jejich vlastnosti:
Vlastnosti programu
Program Vizualizace Měření Vytváření Dostupnost
Rasmol + + - free
VMD + + - free
3D Viewer* + + - free
DeepView + + - free
ChemSketch* + - + free
eChem + - + free
Insight II + + - komerční
*Tyto programy jsou vytvořeny tak, aby mohly být spouštěny spolu a vzájemně spolupracovat.
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
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.
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: CH3
CH CH
CH31
2 3
4
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)
Chemické databáze
• Typy databází:– databáze anorganických látek– databáze organických látek– databáze biomolekul
• proteiny
• nukleové kyseliny
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
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
Chemické databáze - databáze
anorganických a organických molekul
Chemické databáze - databáze proteinů
Protein = řetězec aminokyselin (existuje 20 základních aminokyselin):
Chemické databáze -databáze proteinů
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.
Chemické databáze - databáze proteinů
Struktura skládaného listu:
Chemické databáze - databáze proteinů
Struktura beta-šroubovice:
Poznámka: Geometrie proteinů- modely molekuly I
Drátový model: Tyčinkový model:
Poznámka: Geometrie proteinů- modely molekuly II
Tyčinky a kuličky: Kalotový model:
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.
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.
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
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
Chemické databáze - databáze proteinů
• Databáze terciálních struktur (geometrií):– Obsahují prostorové souřadnice daného proteinu
(nejčastěji ve formátu PDB) – Příklad: PDB (Protein Data Bank), PDBsum
Chemické databáze - databáze nukleových kyselin
Nukleová kyselina - schéma:
Chemické databáze - databáze nukleových kyselin
Nukleosid - základní jednotka nukleové kyseliny:
Chemické databáze - databáze nukleových kyselin
Báze DNA: Cukr DNA -
deoxyribosa:
Báze RNA (místo T):
Cukr RNA -
ribosa:
Poznámka: Geometrie nukleových kyselin- modely molekuly I
Drátový model: Tyčinkový model:
Poznámka: Geometrie nukleových kyselin- modely molekuly II
Tyčinky a kuličky: Kalotový model: Páskový model:
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
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
Recommended