Chulalongkorn University Computational Chemistry Unit Cell ...pioneer.netserv.chula.ac.th/~spornthe/lecture_1.pdf · Quantum Scale - Solves the Schroedinger equation for electronic

11

ChulalongkornChulalongkorn UniversityUniversityC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lChulalongkornChulalongkorn UniversityUniversity

PS

2302664Computational Methods in Chemistry

ChulalongkornChulalongkorn UniversityUniversity

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

หัวขอหลกัของการสอนในประมวลรายวิชา:Data manipulationsวัตถุประสงค:เรียนรูเทคนิคเคมีคอมพิวเตอรและการเขียนโปรแกรมเบื้องตนสําหรับการจัดการกับขอมูลที่ไดจากคํานวณทางเคมีคอมพิวเตอรวิธีสอน:สอนพื้นฐาน กําหนดโจทย แกปญหาโดยเนนปฏบิัติการการวัดผล:คะแนนเก็บที่ไดจากงานที่กําหนดให

22


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

การสอนมี 5 ปฏิบัติการ ซึ่งเกี่ยวของกับกิจกรรมดังตอไปนี้1. การเขียนโปรแกรมวิเคราะหทางโครงสรางโมเลกุลจากระบบ

พิกัดของอะตอม2. การเขียนโปรแกรมวิเคราะหขอมูลจาก Gaussian output 3. การเขียนโปรแกรมวิเคราะหขอมูลจาก Autodock output4. การเขียนโปรแกรมวิเคราะหขอมูลจาก Amber output5. การสืบคนฐานขอมูลและการเขียนโปรแกรมวิเคราะห


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Topics (1st week )I. overview เกี่ยวกับเทคนิคและทักษะเบื้องตนทางเคมี

คอมพิวเตอรสําหรับการศึกษาชีวโมเลกุลII. การสืบคนและการใชฐานขอมูลชีวสารสนเทศIII. โครงสรางพื้นฐานและองคประกอบทางเคมีของสารชีว

โมเลกุลIV. ระดับโครงสรางของโปรตีน V. โปรแกรมและขอมูลทางโครงสรางในรูปแบบตางVI. ปฏิบัติการ 1

33


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS from Roadmap for computational chemistry 1999

Overview


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Current Applications of Computational Chemistry• Atmospheric Chemistry• Drug Design• Catalyst/Biocatalyst Design• Materials Design• Physical Properties for Process Simulation• Polymer Structures/Properties• Adhesives/Coatings Design• Lubricant Properties/Chemistry• Surfactant Chemistry

44


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Computational chemistry describes chemical systemsat various size scales.Quantum Scale - Solves the Schroedinger equation for electronic motion in atoms and molecules either by molecular orbital or density functional theories. Predicts molecular structure, energetics, bonding, reaction rates, and spectroscopic data.Atomistic or Molecular Scale – computes interactions between atoms or groups using classical Newtonian mechanics and empirically determined force fields. Calculates structure and thermodynamic and transport properties, and time dependence of the structure.


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Mesoscale - in between atomistic calculations and the continuum assumption of traditional materials engineering. Typically applies to systems of millions of atoms which still reflect molecular scalephenomena.Bridging Scales - theory and models to provide aninterface between scales.

55


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

- Quantum chemical calculations: Hartree Fock, Density functional theory etc.

- Simulations: molecular dynamics, Monte Carlo simulation

- Modelings: sequence alignment, homology modeling, QSAR (quantitative structure-activity relationship), molecular docking, structure-based drug design

- Algorithms: energy minimization, simulated annealing, genetic algorithm, neural network, clustering algorithm, distance geometry,

- Others: free energy calculations,

I. เทคนิคสําคัญในดานการจําลองและการออกแบบโมเลกุลดวยคอมพิวเตอรสําหรับการศึกษาชีวโมเลกุล


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

66


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS GAMESS (UK)FireflyCulgiCPMDCP2KCOSMOSCootCHARMMChimeraCP2KCerius2ADFAMBER

WHAT IF[web 12]

VMDReaxFFTURBOMOLEMCCCSSybylSTR3DI32SPARTANSiriusQ-ChemPyMOLOscail XNOCH

Popular software for molecular modelling

NAMDMOPACMolsoft ICMMolecular Docking ServerMOE MDynaMixMaterials StudioMacroModelInsightIIGROMOSGROMACSGAUSSIANGAMESS (US)

77


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

- literature source - databases of gene, genome & protein sequence information- software, tools and web service - etc. substance databases, sub-databases, consultants, collaboration

NCBI : Information center for bioinformatic research


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

protein sequence alignmentdownload information (prot. seq.)

molecular modeling & design

Protein Data Bank

Work flow: from sequence to structure

88


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Example : The 2009 influenza A virusA/California/04/2009(H1N1) : NA & M2 sequences

structure modeling

binding calculations

aa changes in new 2009 N1 do not affecttamiflu’ssusceptibility


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

What are the basic requirements to be qualified as a computational chemist?

ความรูและทักษะเบื้องตนทางเคมีคอมพิวเตอร

99


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Basic & Skills required for computational chemists

- Linux and Windows software- Mathematic & physic knowledge - unix commands- text editors : vi, emacs, sedt etc. - programming languages : Fortran, c, unix etc.- molecular modeling software - databases- model & graph representation: science + art


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

- ทักษะทางภาษายูนิกซ (Unix commands) : user, admin.- ทักษะการเขียนและแกไขโปรแกรมภาษาตางๆ เชน C , Fortran, perl, www- ความสามารถในการใชซอฟทแวรสําเร็จรูปการคํานวณ

- Graphic-based manipulation : Rasmol, VMD- Text-based manipulation: Amber, Charmm, Autodock- Database system management

- ทักษะพิเศษอื่นๆ

ทักษะสําคัญในงานวิจัยเคมีคอมพิวเตอร

1010


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

II. การสืบคนและการใชฐานขอมูลชีวสารสนเทศ

Chemical databases, Software tools, Educations etc.

Other resources

Eukaryotic, Fungi, Insects, Mammals, Microbial, Plants

Genome Databases

Protein sequence database, Protein structureMolecular Databases

Journal (abstract), Books etc. (Entrez Pubmed)Literature Databases

Genetic (DNA) sequence databaseGenBankDescriptionDatabase

a (inter)national and public resource for molecular biology information

1) Databases in NCBI


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

http://www.ncbi.nlm.nih.gov

1111


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

NCBI GenBank


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Influenza A virus (A/bird/Thailand/3.1/2004(H5N1)) neuraminidase(NA) gene

translation= "MNPNQKITTIGSICMVTGMVSLMLQIGNLISIWVSHSIHTGNQHKAEPISNTNFLTEKAVASVKLAGNSSLCPINGWAVYSKDNSIRIGSKGDVFVIREPFISCSHLECRTFFLTQGALLNDKHSNGTVKDRSPHRTLMSCPVGEAPSPYNSRFESVAWSASACHDGTSWLTIGISGPDNGAVAVLKYNGIITDTIKSWRNNILRTQESECACVNGSCFTVMTDGPSNGQASHKIFKMEKGKVVKSVELDAPNYHYEECSCYPDAGEITCVCRDNWHGSNRPWVSFNQNLEYQIGYICSGVFGDNPRPNDGTGSCGPVSSNGAYGVKGFSFKYGNGVWIGRTKSTNSRSGFEMIWDPNGWTETDSSFSVKQDIVAITDWSGYSGSFVQHPELTGLDCIRPCFWVELIRGRPKESTIWTSGSSISFCGVNSDTVGWSWPDGAELPFTIDK"

1212


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

10 20 30 40

250 270260

Sequence alignment determines the similarity of proteins


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Properties Computed from Structure:

Molecular Weight: 151.163 g/mol

Molecular Formula: C8H9NO2

XLogP: 0.917

Hydrogen Bond Donor Count: 2

Hydrogen Bond Acceptor Count: 2

Rotatable Bond Count: 1

Tautomer Count: 4

Chemical Database

AcetaminophenAnalgesic antipyretic derivative of acetanilide. It has weak anti-inflammatory properties and is used as a common analgesic, but may cause liver, blood cell, and kidney damage.

1313


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

“the central repository and distribution of 3D-biological macromolecular structures”

2. Protein Data Bank (PDB)


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Growth Rate of 3D Structures

1414


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

www.rcsb.org


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Protein Data Bank (PDB)

keyword

pdb id code: 1bl8, 1dg5, 3lzmSearch Field

1515


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Results: Search Hits


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Obtaining 3D protein structure from PDB

1616


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

PDB File Format Content : atomic coordinates, Atom name, Residue Name, Residue Number, (x, y, z) Coordinates

3D structural data is presented in the form of Cartesian coordinates of atoms


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Protein StructureProtein StructureProtein Structure

Fundamental basis (a helpful source of information) for understanding their role in biological process Global impact : pharmaceutical & medical, industry, science & technology etc.

1717


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

ประเภทของโปรตีน อาศัยลักษณะทางโครงสรางตติยภูมิ (Tertiary structure) ก. Fibrous proteinsโครงสรางของสายโปรตีนมีลักษณะเปนเสนยาว โปรตีนกลุมนี้สวนใหญทําหนาที่เปนองคประกอบหรือกรอบทางโครงสราง (structural framework) ใหกับเซลล ดังนั้นโครงสรางจึงมีการปรับเปลี่ยนนอย ข. Globular proteins โครงสรางของสายโปรตีนมีลักษณะมวนพับเขาหากันมากกวาชนิดแรก โปรตีนกลุมนีส้วนใหญไดแก เอนไซมและโปรตีนที่เกี่ยวของกับกระบวนการทํางานของยีน


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

องคประกอบทางเคมี ไดแก เมทัลโลโปรตีน (metalloprotein) ซึ่งเปนกลุมโปรตีนที่มีโลหะเปนองคประกอบรวม, ไกลโคโปรตีน (glycoprotein) เปนกลุมโปรตีนที่มีคารโบไฮเดรตเปนองคประกอบรวม, หรือ ฮีมโปรตีน (heam-protein) เปนกลุมโปรตีนที่มีหมูฮีมรวมอยูดวย เปนตน

หนาท่ีทางชีวภาพ ไดแก เอ็นไซม (enzyme) เปนกลุมโปรตีนทําหนาที่เปนคะตะลิสตของปฏิกิริยาเคมี โปรตีนที่ทําหนาที่ถายเทอเิลคตรอน (electron transfer protein) โปรตีนขนสง (transport protein) โปรตีนที่ทําหนาที่กักเก็บหรือสะสม (storage protein) ฮอรโมน แอนติบอดี้ เปนตน

สมบัติในการละลาย อาศัยสภาพแวดลอมที่โปรตีนอยู เชนโปรตีนที่อยูบริเวณหรือในชั้นเมมเบรนซึง่เปนสารในกลุมไขมัน เรียกวา เมมเบรนโปรตีน (membrane protein) และโปรตีนที่ไมไดอยูในบริเวณดังกลาว เรียกวาโปรตีนที่ละลายในน้ํา (soluble protein)

ลักษณะรูปราง อาศัยรูปทรงหรือโครงสรางของโปรตีน เชน โปรตีนโกลบูลาร (globular protein) หรือโปรตีนกอนกลม โปรตีนที่มีลักษณะยาวคลายเสนใย (fibrous protein)

1818


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

ProteinsProteinsProteins

Protein : a biopolymer containing amino acids as building block

N CA

H

C

O

R sidechainbackbone

H

N CA

H

C

O

R sidechainbackbone

H

N CA

H

C

O

R

H

N CA

H

C

O

R'

H

N CA

H

C

O

R

H

N CA

H

C

O

R'

H

Peptide bond


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Amino acidAmino acid

N

H

CA

H

C'

O

R

R is the side chainBackbone (heavy) atoms:N, CA, C', O

Basic Protein Structure

• Backbone (Mainchain) • Sidechain (R): 20 types • Geometry and Hybridization• Properties

Tetrahedral sp3

Square planar sp2

1919


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

20 amino acid residues20 amino acid residues20 amino acid residues


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

StereoisomersStereoisomers

StereochemistryStereochemistryStereochemistry

HNH2

R

COOHNH2H

R

COOH

L-form(Naturally occurring)

D-form

Two stereisomers : L- (R configuration) and D- (S configuration) forms. In nature, proteins are formed by L-amino acid.

CA is a chiral center

2020


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

HH3N

COO

R

-+

Zwitter ionsZwitter ions

•The ends of amino acid, the amino (NH2) and the carboxylic (COOH) groups, are ionizable.

•Amino acid with the ionized form of both ends is called zwitter ions.

protonation : -NH2 + H + --> -NH3+

deprotonation : -COOH --> -COO- + H +


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

การจัดหมวดหมูของกรดอะมิโน

ก) Hydrophobic residues

คือ กรดอะมิโนที่ไมชอบน้ําหรือมีความเปนขั้วต่ํา กรดอะมิโนในกลุมนี้มีชนิดที่ sidechain เปนแบบ aliphatic residue ไดแก Ala, Val, Leu, Ile, Pro และ Met และชนิดที่ sidechain เปนแบบ aromatic residue ไดแก Trp และ Phe

ข) Polar residues คือ กรดอะมิโนที่มีขั้ว เชน Ser, Thr, Cys, Tyr, Asn, Gln, His ขอสงัเกตุ กรดอะมิโนเหลานี้มักจะมีหมู –OH , -CONH, -SH, imidazole รวมอยูที่ sidechain

ค) Charge residues คือ กรดอะมิโนที่มีประจ ุ สมบัติของกรดอะมิโนในกลุมนี้คือสามารถรับหรือใหโปรตอนได สําหรับกรดอะมิโนที่ sidechain มีหมู –COOH เชน Asp และ Glu มีสมบัติคลายกรด (บางครั้งเรียกวา acidic residues)

2121


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

General Classifications of Amino Acids

On the basis of general physical properties, the amino acids are categorized as follows

1. Hydrophobic residues2. Polar residues3. Charged residues

* Gly is an exception.


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Structure & Classification of 20 Amino AcidsStructure & Classification of 20 Amino AcidsStructure & Classification of 20 Amino Acids

2222


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

H

Gly

CH3

Ala

O

CH2

*SCH2

* CH3 CH3

CH CHO CH3

*C

CH2

O O*

C

CH2

O NH2 CH

CH2

CH3CH3 CH2

CH

CH3

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

NH3+

Ser Cys Val The Asp

Asn Leu Ile Lys

CH2

CH2

CH2

NHC

+NH2NH2

C

CH2

O O*

CH2

C

CH2

O NH2

CH2

CH2

CH2

SCH3

N CH

CH2CH2 NN

CH2

H

CH2 CH2

O *

N

CH2

H

His Phe Tyr TrpProMet

GlnGluArg

Labile protons (solvent exchangeable, HLabile protons (solvent exchangeable, H--bond)bond)


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Greek letters

ε

N

O

N

ηα

β

γ

δζ

δ

ε

ε

ζ

CBCG

CDCE

CZCHCA

N

O

O

N

α

β

γ

δ

δ

Basic Protein Structure

Naming Convention of Amino AcidNaming Convention of Amino Acid

2323


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Levels of protein structureLevels of protein structureLevels of protein structure

Primary Str. Secondary Str.

Tertiary Str. Quaternary Str.

MMAGHT…CMT

C-terminalN-terminal


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

PDB File Format Content : atomic coordinates, Atom name, Residue Name, Residue Number, (x, y, z) Coordinates

3D structural data is presented in the form of Cartesian coordinates of atoms

2424


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Understanding PDB structural data

ID code, Header, Title ReferencesExpt. Data, Resolution Sequence residues, Helix, SheetAtomic coordinates in PDB ***Naming convention of atoms ***HETATM


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

ATOM 1 N PRO A 1 39.948 8.524 7.859 ATOM 2 CA PRO A 1 40.303 8.742 9.262 ATOM 3 C PRO A 1 39.969 7.576 10.198 ATOM 4 O PRO A 1 39.210 6.721 9.764 ATOM 5 CB PRO A 1 39.566 10.000 9.686 ATOM 6 CG PRO A 1 38.424 10.110 8.676 ATOM 7 CD PRO A 1 39.168 9.672 7.422 ATOM 8 N GLN A 2 40.448 7.444 11.438

Atomic coordinates in PDB

z crd

ycrd

x crd

res no

chain id

res name

at name

at id

Initial

col9 54

col8 46

col7 38

col6 26

col5 22

col4 18

col313-14

col211

col11

2525


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

ε

N

O

N

ηα

β

γ

δζ

δ

ε

ε

ζ

N CC

COHH

CC

O NH2

HH

HH

α

β

γ

δε1 ε2

N CC

COHH

CC

O NH2

HH

HH

α

β

γ

δε1 ε2

Naming convention of atoms


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Greek-Eng Examplesα=Alpha=A CA, HAβ=Beta=B CB, HBγ=Gamma=G CG, HG, OG, SGδ=Delta=D CD, HD, OD, ND, SDε=Epsilon=E CE, HE, OE, NE, SEξ=Zeta=Z CZ, HZ, OZ, NZη=Eta=H CH, HH, OH, NH

Atom notation

2626


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

N CC

COHH

CC

O NH2

HH

HH

α

β

γ

δε1 ε2

N CC

COHH

CC

O NH2

HH

HH

α

β

γ

δε1 ε2

ATOM 8 N GLN A 2 40.448 7.444 11.438 ATOM 9 CA GLN A 2 39.939 6.415 12.343 ATOM 10 C GLN A 2 38.829 6.989 13.237 ATOM 11 O GLN A 2 38.947 8.080 13.803 ATOM 12 CB GLN A 2 41.045 5.894 13.208 ATOM 13 CG GLN A 2 40.630 4.836 14.200 ATOM 14 CD GLN A 2 41.824 4.393 15.014 ATOM 15 OE1 GLN A 2 42.177 5.018 15.998 ATOM 16 NE2 GLN A 2 42.569 3.353 14.712

Example

Glutamine


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

ATOM 39 N TRP A 6 32.115 6.209 20.712ATOM 40 CA TRP A 6 31.509 6.765 21.920ATOM 41 C TRP A 6 30.374 7.747 21.627ATOM 42 O TRP A 6 29.416 7.951 22.380ATOM 43 CB TRP A 6 32.599 7.452 22.709ATOM 44 CG TRP A 6 33.732 6.509 23.070ATOM 45 CD1 TRP A 6 34.880 6.448 22.338ATOM 46 CD2 TRP A 6 33.723 5.616 24.084ATOM 47 NE1 TRP A 6 35.619 5.497 22.875ATOM 48 CE2 TRP A 6 34.957 4.978 23.914ATOM 49 CE3 TRP A 6 32.851 5.268 25.104ATOM 50 CZ2 TRP A 6 35.352 3.959 24.768ATOM 51 CZ3 TRP A 6 33.250 4.250 25.964ATOM 52 CH2 TRP A 6 34.479 3.601 25.803

ε

N

O

N

ηα

β

γ

δζ

δ

ε

ε

ζ

Example

Tryptophan

2727


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

ATOM 191 N ASP A 25 26.997 3.522 8.604ATOM 192 CA ASP A 25 26.320 2.350 9.110ATOM 193 C ASP A 25 26.682 0.960 8.579ATOM 194 O ASP A 25 26.035 0.418 7.696ATOM 195 CB ASP A 25 24.834 2.615 8.929ATOM 196 CG ASP A 25 23.891 1.734 9.727ATOM 197 OD1 ASP A 25 24.287 0.792 10.396ATOM 198 OD2 ASP A 25 22.708 1.992 9.697

N CC

COHH

CH H

O O-Aspartic acid


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

'pdb' : PDB, 'mmod' : Macromodel, 'xyz' : Tinker, 'cc1' : ChemDraw3D 'mol' : MDL MOL-file, 'sdf' : MDL SD-file 'xplor' : X-PLOR/CNS map, 'ccp4' : CCP4 map, 'callback' : PyMOL Callback object (PyOpenGL) 'cgo' : compressed graphics object (list of floats) 'trj' : AMBER trajectory (use load_traj command for more control) 'top' : AMBER topology file 'rst' : AMBER restart file 'cex' : Metaphorics CEX format 'pse' : PyMOL Session file 'pqr' : PQR (a modified PDB file with charges and radii) 'mol2' : MOL2

ขอมลูทางโครงสรางในรูปแบบหรือ format ตางๆ

2828


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

ปฏิบัติการ 1

1. สืบคนขอมูลจากฐานขอมูลตอไปนี้1.1 คนหาลําดับกรดอะมิโนของโปรตีนจากฐานขอมูล NCBI1.2 คนหาขอมูลโครงสรางสามมิติของโปรตีนจากฐานขอมูล RCSB

2. เขียนโปรแกรมวิเคราะหขอมูลที่ไดจากขอ 1


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

แบบฝกหัด

1. ศึกษาการใชโปรแกรม Rasmol2. จากขอมูลโครงสรางสามมิติ เขียนโปรแกรมวิเคราะหทาง

โครงสราง เชน ความยาวพันธะ มุมพันธะ มุมไดฮีดรัล เปนตน

2929


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS

Work Assignment I

1. เขียนโปรแกรมแปลงขอมูลทางโครงสรางจากรูปแบบอ่ืนๆ ใหอยูในรูป PDB format


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

3030


ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel


PS


Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell

Com

puta

tiona

l Che

mis

try

Uni

t Cel

lC

ompu

tatio

nal C

hem

istr

y U

nit C

ell


PS

Documents

Chulalongkorn University Computational Chemistry Unit Cell ...pioneer.netserv.chula.ac.th/~spornthe/lecture_1.pdf · Quantum Scale - Solves the Schroedinger equation for electronic