Počítačová chemie (6. přednáška)

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



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 proteinů

Protein = řetězec aminokyselin (existuje 20 základních aminokyselin):

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.


Struktura skládaného listu:


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.


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


• 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


• 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:


Nukleosid - základní jednotka nukleové kyseliny:


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:


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

Documents

Počítačová chemie (6. přednáška)