Embed Size (px)
Citation preview
Instituto de Química * Facultad de Ciencias
Avenida Universidad 330 * Valparaíso * Chile
Fono (56-32) 2274994
[email protected] * http://institutoquimica.ucv.cl
OBJETIVOS
• Preparación del sistema con visualizador VMD (Visual Molecular Dynamics)
• Solvatación del sistema
• Aprender acerca de archivo input y output de NAMD para correr simulación molecular
• Aprender los pasos básicos de la simulación Molecular mediante el uso de la herramienta NAMD
Introducción
DINÁMICA MOLECULAR
Este laboratorio consiste en el aprendizaje de pasos básicos de Dinámica Molecular, las cuales son:
PRÁCTICA 11: DINÁMICA MOLECULAR
Preparación del sistema
Minimización
Equilibración
Antes de correr nuestra simulación molecular, NAMD requiere 5 archivos importantes:
• Un archivo PDB (Protein Data Bank), contiene las coordenadas atómicas y / o las velocidades para
el sistema. Los archivos PDB puede ser generados manualmente, u obtenido por vía Internet
http://www.pdb.org
• Un archivo PSF (Protein Structure File), contiene la información estructural de la proteína
• Un archivo de topología (*.top o Force File Topology File), contiene la información sobre tipo de
átomos, cargas y cómo los átomos están conectado en una molécula. Nota que el archivo PDB contiene sólo las coordenadas, pero no la información de conectividad
• Un archivo de parámetro (*.par o Force Field Parameter File). Un campo de fuerza es una
expresión matemática que indica el potencial del sistema. CHARMM, AMBER, y GROMACS son tres
tipos de campo de fuerza y NAMD es apto para usar todos ellos. El archivo de parámetro define
longitud de enlace, longitudes del equilibrio, etc
• Un archivo de configuración, en la cual el usuario especifica todas las opciones que NAMD debiera
usar para correr la simulación. El archivo de configuración le dice a NAMD cómo la simulación es
corrida
Construya el árbol de archivo
En este caso, vamos a enfocarnos en el estudio de
la ubiquitina (PDB: 1UBQ), una pequeña proteína
de 76 aminoácidos encontrada células eucariótica,
cuya función es marcar otra proteína, tal como
receptores de membrana. Para su destrucción
procesos conocido como proteasoma
home
usuario
escritorio
1-1-build
1-2-esphere
1-3-box
SECCIÓN 1: PREPARACIÓN DEL SISTEMA GENERACIÓN DEL ARCHIVO PSF (PROTEIN STRUCTURE FILE) PASO 1: Vamos al directorio /1-1-build y encontrarás los archivos requeridos para construir nuestro archivo
PSF:
• archivo PDB de la ubiquitina, PDB: 1UBQ, es típicamente obtenido a través del Protein Data Bank
• archivos de parámetros (par_all27_prot_lipid.inp )
• topología (top_all27_prot_lipid.inp).
En la consola tipear VMD y cargar la proteína ubiquitina (1UBQ.pdb)
File ���� New Molecule...
Nota: La estructura rayos-X obtenida de Protein Data Bank no contiene los átomos de hidrógenos de la
ubiquitina. Esto es porque la cristalografía de rayos-X usualmente no resuelve átomos de hidrógenos, El
archivo PDB que generarás con psfgen, junto con el PSF contendrán coordenadas para átomos de hidrógenos
de la estructura. De esta forma, en la minimización de la energía de la proteína garantizará que sus posiciones
sean razonables.
PASO 2: Elegir Extensions ���� Tk Console . Asegúrate de que estás en el directorio /1-1-build En la consola Tk, tipea los siguientes comandos
set ubq [atomselect top protein] $ubq writepdb ubqp.pdb
Nota: En el paso anterior sólo haz creado el archivo ubqp.pdb, contiene las coordenadas de la ubiquitina sin los
hidrógenos
PASO 3: Ahora crearemos el archivo PSF de la ubiquitina.
El paquete psfgen de VMD es muy útil para construir el archivo psf. En la línea de comando tipea gedit build_protein.tcl. Tipea la siguiente línea de comando:
package require psfgen topology top all27 prot lipid.inp
pdbalias residue HIS HSE pdbalias atom ILE CD1 CD segment U {pdb ubqp.pdb} coordpdb ubqp.pdb U
guesscoord writepdb ubq.pdb writepsf ubq.psf
Después de tipear, guarda el archivo File� Save. Asegúrate que estás en el directorio /1-1-build. Luego, sales
del editor de texto cliqueando File�Exit
El archivo que has creado contiene los comandos necesarios para crear el archivo PSF de la ubiquitina con los
átomos de hidrógenos y sin agua
• Línea 1: Estás corriendo psfgen con VMD. Esta línea requiere que el paquete psfgen esté
disponible para ser llamado por VMD
• Línea 2: Carga el archivo de topología top_all27_prot_lipid.inp
• Línea 3: Cambia el nombre de residuo histidina por el nombre apropiado encontrado en el archivo
de topología. HSE es uno de los 3 nombres basado en el estado protonación de la cadena lateral.
• Línea 4: El átomo nombrado “CD1” (carbono δ) en el residuo isoleucina es llamado “CD”, su
nombre adecuado en el archivo de topología.
• Línea 5: Un segmento llamado U es creado, contiene todos los átomos de ubqp.pdb El comando
segment añade todos los átomos de hidrógenos
• Línea 6: Coordenadas son leídos desde ubqp.pdb, residuos y nombre se átomos son acertados. Las
etiquetas del antiguo segmento será anuladas
• Línea 7: Coordenadas de átomos faltantes (hidrógenos) son añadidos basados en la definición de
residuos del archivo de topología
• Línea 8: Nuevo archivo pdb con las coordenadas completas de todos los átomos, incluyendo los
hidrógenos.
• Línea 9: Archivo psf con la información completa de la estructura de la proteína
En la consola tcl/tk escribe la siguiente línea de comando.
play buil_protein.tcl
PASO 4 Una vez construido el psf, revisaremos que los archivos pdb y psf de la ubiquitina vamos a cargar el
sistema.
Copie el arhivo ubq.pdb y ubq.psf al directorio /1-2-sphere y 1-3-box.
SECCIÓN 2: SOLVATACIÓN DE LA PROTEÍNA Ahora, la proteína necesita ser solvatada. Puedes hacerle de dos formas, localizando la proteína en:
• Una esfera de agua, en preparación de minimización y equilibrado sin condiciones periódicas de
borde.
• Una caja de agua, en preparación de minimización y equilibrado con condiciones periódicas de
borde.
1.b.1 Ubiquitina en una esfera de agua
PASO 1. Situarse en el directorio /1-2-sphere. encontrarás un script tcl wat_sphere.tcl para crear la esfera de
agua. En la consola tipear VMD y cargar la proteína ubiquitina (ubq.pdb y ubq.psf)
vmd ubq.psf ubq.pdb PASO2. Luego llamarás al script, ésto ubicará la ubiquitina en una esfera de agua lo más pequeña posible. Elegir
Extensions ���� Tk Console . En la consola Tk, tipea los siguientes comandos
play wat_sphere.tcl
PASO 3. Los outputs generado por el script wat_sphere.tcl estará el centro y el radio de la esfera de agua.
Registrar estos números, los necesitarás más tarde. El script tendrás creado los archivos ubq_ws.pdb y
ubq_ws.psf, respectivamente, ubiquitina en una esfera de agua. Estos estarán en el directorio /1-2-sphere.
Revisa esto tipeando ls
Luego cargar las coordenadas que están en el archivo pdb, Cliquear File����New Molecule … , en la ventana
principal de VMD. En el Molecule File Browser, usa el botón Browse… para encontrar el archivo ubq_ws.pdb .
Cargar presionando el botón Load…
Una vez revisada vamos sal ir , abrimos la tk consola y tipeamos exit.
1.b.2 Ubiquitina en una caja de agua
Construir Automáticamente Vamos a cargar los archivos generados.
PASO 1. Cargar las coordenadas que están en el archivo pdb. Cliquear File����New Molecule … , en la ventana
principal de VMD. En el Molecule File Browser, usa el botón Browse… para encontrar el archivo ubq.pdb .
Cargar presionando el botón Load…
O bien puede tipear por consola:
vmd ubq.pdb
PASO 2. En la ventana Tk Consola, tipear:
set ubq [atomselect top all]
measure minmax $ubq
Esto analiza todos los átomos del sistema y entrega los valores mínimos y máximos de coordenadas x, y, z del
sistema proteína-agua. Estos valores también definen origen del sistema de coordenada. El centro de la caja
de agua puede ser determinado determinando el punto medio de cada uno de los tres lados. Por ejemplo, si los
valores mínimos y máximo del eje X la caja sería 10.44 y 51.12, respectivamente. Entonces el punto medio:
51.12 + 10.44 = 30.78
2
PASO 3. Cliquear Extensiones���� Modeling ���� Add Solvation Box, se mostrará lo siguiente:
Una vez definido los parámetros cliquear sobre el botón Solvate, obtienes los archivos con los parámetros de la
proteína en una caja de agua
Nombre de arhivo psf
Nombre de arhivo pdb
Nombre de arhivo de salida
Dimensiones de la caja, lo puedes
obtener tipeando en la consola Tk lo
siguiente:
set prot [atomselect top all] measure minmax $prot
Construir Manualmente
PASO 1. Situarse en el directorio /1-3--box. encontrarás un script tcl wat_box.tcl para crear el cubo de agua.
En la consola tipear VMD y cargar la proteína ubiquitina (ubq.pdb y ubq.psf)
vmd ubq.psf ubq.pdb PASO2. Luego llamarás al script, ésto ubicará la ubiquitina en ula caja de agua lo más pequeña posible. Elegir
Extensions ���� Tk Console . En la consola Tk, tipea los siguientes comandos
play wat_box.tcl
PASO 3. En el script usted verá el siguiente código
package require solvate solvate ubq.psf ubq.pdb -t 15 -o ubq_wb
El comando package require solvate carga el paquete solvate, asi VMD podrá llamarlo. El paquete solvate colocará la proteína en una caja de agua. La opción –t crea las dimensiones de la caja de agua de tal manera
que hay una capa de agua de 15 Å en cada dirección desde el átomo más lejano del centro. La opción –o crea
archivos output ubq_ws.pdb y ubq_ws.psf para ubiquitina en caja de agua.
Otra forma de crear una caja de agua es usando la herramienta de vmd.
SECCIÓN 3: SIMULACIÓN MOLECULAR 3.1 Ubiquitina en una esfera de Agua En esta sección, examinarás la minimización y equilibrado de la ubiquitina en una esfera de agua localizada en
el vacío
PASO 1. Dirigirse al directorio /1-2-sphere, aquí encontrarás el archivo de configuración llamado
ubq_ws_eq.conf , para la minimización y el equilibrado de la ubiquitina en una esfera de agua.
Los archivos de salidas para la minimización y el equilibrado de la ubiquitina en una esfera de agua estará
ubicado en este directorio, el archivo de configuración, es sólo un archivo de entrada, que contiene todas las
instrucciones necesarias para correr la simulación. Además, encontrarás en el directorio /1-2-sphere archivo
pdb (ubq_ws.pdb), psf (ubq_ws.psf) y archivo de parámetros (par_all27_prot_lipid.inp). Podras comprobar
usando el comando ls
Paso Alternativo 1.1 Fijar backbone de la proteína usando el script fix_backbone.ucl. Esto se realiza previo a la Minimización
del sistema
1.2 Fijar Restraint a los Carbono alfa de los aminoácidos usando el script restraint_ca.tcl Esto se realiza previo a
la Equilibrado del sistema
PASO 2. Abrir el archivo de configuración, ubq_ws_eq.conf , con un editor de texto gedit
El archivo de configuración puede ser muy simple al principio, pero lo examinaremos línea por línea para
determinar su función en tu simulación
• La sección “JOB DESCRIPTION”
Contiene sólo comentario y su propósito es informar al simulador qué tipo de simulación se reaizará. Tú
comentario debiera decir:
# Minimization and Equilibration of Ubiquitin in a Water Sphere • La sección “ADJUSTABLE PARAMETERS”
Contiene 5 comandos:
1. structure: llama al archivo psf para describir el sistema (ubq_ws.psf)
2. coordinates: llama al archivo pdb que contiene las coordenadas iniciales (ubq_ws.pdb)
3. set temperatura: se crea una variable llamada “temperature” el cual almacena un valor de
temperatura inicial del sistema. Si localiza el texto “$temperature” en el archivo de configuración,
NAMD leerá como etiqueta el número 310 (corresponde a la temperatura inicial del sistema)
4. set outputname: crea un variable llamada “outputname” el cual almacena el nombre genérico de los
archivos de salida. Si localizas el texto “$outputname” en el archivo de configuración NAMD leerá
como etiqueta “ubq_ws_eq”
5. firsttimestep: asigna un valor numérico para el primer paso de la simulación. Esto es útil cuando
reinicia la simulación.
• La sección “SIMULATION PARAMETERS”
Input
– paraTypeCharmm: Indica si o no el archivo de parámetro es el formato usado por el campo de fuerza CHARMM, off indica que esto no lo es
– parameters: llama a los parámetros campo de fuerza desde el archivo par_all27_prot_lipid.inp
– temperature: Asigna la temperatura inicial del sistema en Kelvin, con ello se asigna la
velocidad aleatoria a átomos seleccionado de la distribución de Maxwell tal que se obtiene
promedio de energía cinética dado la temperatura
Force-Field Parameters
– exclude: Especifica cuáles interacciones atómica debe ser excluido. La etiqueta scaled1-4 indica que las interacciones entre los átomos 1 y2 , 1y3 son despreciados y las interacciones
entre los átomos 1 y 4 son debilitados
– 1-4scaling: especifica el grado de libertad en la cual interacción entre los átomos 1 y 4 es
tomado en cuenta. Esta variable puede tomar valor hexadecimal 0 (falso) o 1 (verdadero)
– cutoff: indica la distancia en ángstrom el cual las interacciones electrostática y Van der Waals
son cortados
– switching: indica si la función switching es usada sin problema tomando las interacciones
electrostática y Van der Waals desde 0 a una distancia cutoff
– switchdist: indica la distancia en ángstrom el cual la forma funcional de interacciones
electrostática y Van der Waals son modificadas para permitir que sus valores se acerquen a
cero a una distancia cutoff
– pairlistdist: diseñado para hacer que el cálculo se más rápido Integrator Parameters
– timestep: indica el valor time step usado en la simulación
– rigidBonds: especifica cuáles enlaces formados por hidrógenos con considerados como
rígidos (no vibración). El valor all indica que todos los enlaces formados por hidrógenos y
algún otro átomos.
– nonbondedFreq: especifica el número de time steps en que las interacciones no enlzantes
son calculadas.
– fullElectFrequency: especifica el número de time steps en que las interacciones
electrostática son calculadas.
– stepspercycle: Atomos que son reasignados en lista de pares una vez por ciclo. Constant Temperature Control
– langevin: indica sí o no la simulación usa la dinámica Langevine, usa valores off u on. – langevinDamping: asigna valores de acoplamiento de Langevin. Cuantifica la aflicción
aplicada al sistema, removiendo energía desde el sistema, etc. – langevinTemp: Dinámica de Langevine puede ser aplicada a todos los átomos o a sólo
átomos no-hidrógeno del sistema. Este comando especifica la temperatura a la cual se
mantiene estos átomos, incluyendo fricción y la fuerza que actuará en ellos
– langevinHydrogen: indica sí o no la dinámica Langevine será aplicado a átomos de
hidrógenos en la simulación, usa valores off u on.
Output
– outputName: Muchos tipos de datos de salida son escrito por NAMD en la simulación. Este
comando especifica el prefijo para archivos de salida. NAMD retorna dos archivos salida por
cada simulación: archivo pdb que contiene las coordenadas finales de todos los átomos del
sistema y un archivo pdb que contiene las velocidades finales de todos los átomos del
sistema. Las extensiones de estos archivos son: *.coor y *.vel – restartfreq: Durante la simulación. NAMD puede crear archivo restart, uno el cual es un
archivo pdb que almacena las coordenadas atómica y otro que almacena las velocidades
atómica. Este comando especifica por cada cuánto time steps se escriba la salida en el archivo
restart
– dcdfreq: El archivo dcd contiene sólo coordenadas atómica y éstos son escritos a un archivo
muchas veces en el curso de la simulación
– outputEnergies: especifica por cada cuánto time steps la energía del sistema es ecrito al
archivo .log
– outputPressure: especifica por cada cuánto time steps la presión del sistema es ecrito al
archivo .log
• La sección “EXTRA PARAMETERS” contiene los comandos la cual se aplican a simulaciones más
específicas. Incluye comando la cual caracteriza condiciones esféricas de borde en una esfera de agua.
Spherical boundary conditions. Los siguientes tres comandos debe ser especificado para
que condiciones esférica de borde trabaje apropiadamente
– sphericalBC: indica si o no la simulación usa condiciones esféricas de borde, usa valores off u
on.
– sphericalBCcenter: asigna las coordenadas x, y, z del centro de la esfera para el cual
condiciones esféricas de borde es aplicada
– sphericalBCr1: asigna distancia en ángstrom en el cual el primer potencial de borde actúa.
– sphericalBCk1: el primer potencial aplicado condiciones esféricas de borde que mantiene las
esferas juntas (o separadas) es armónico. Este comando asigna valores de constante de
fuerza a este potencial
– sphericalBCexp1: asigna el valor al exponente usada en la fórmula de potencial
• La sección “EXECUTION SCRIPT”, contiene tres comandos, los primeros dos es aplicado a la
minimización y el último aplicado al equilibrado.
• Minimización
– minimize: asigna número de iteraciones en el cuál los átomos varían sus posiciones para buscar el mínimo local en el potencial
– reinitvels: Minimización es ejecutado en el sistema después de que todas las velocidades atómicas se les han asignado cero. Este comando reasigna velocidades atómicas tal que el sistema comienza a la temperatura especificada.
• Run: Asigna el número de pasos en cuál corre el equilibrado de Dinámica Molecular (ene ste
caso 2500 pasos es equivalente a 5000 fs o 5 ps)
PASO 3. Una vez asignados los parámetros, corremos nuestra simulación con la siguiente línea de comando.
charmrun ++local +pN namd2 ubq_ws_eq.conf > ubq ws_eq.log &
N: número de core
PASO 4. Análisis
Para hacer el análisis cargue los siguientes archivos en vmd .
vmd ubq_ws.psf ubq_ws_eq.dcd
Usted puede ver la simulación molecular:
Luego, para graficar tiempo de simulación versus energía
Extensions � Analysis � NAMD Plot
3.2 Ubiquitina en una Caja de Agua: Simulación en condiciones periódica de borde En esta sección, examinarás la minimización y equilibrado de la ubiquitina en una caja de agua en condiciones
periódica de borde
PASO 1. Dirigirse al directorio /1-3-box, aquí encontrarás el archivo de configuración llamado ubq_wb_eq.conf ,
para la minimización y el equilibrado de la ubiquitina en una esfera de agua.
Los archivos de salidas para la minimización y el equilibrado de la ubiquitina en una esfera de agua estará
ubicado en este directorio, el archivo de configuración, es sólo un archivo de entrada, que contiene todas las
instrucciones necesarias para correr la simulación. Además, encontrarás en el directorio /1-3-box archivo pdb
(ubq_wb.pdb), psf (ubq_wb.psf) y archivo de parámetros (par_all27_prot_lipid.inp). Podras comprobar usando
el comando ls
Paso Alternativo 1.1 Fijar backbone de la proteína usando el script fix_backbone.ucl. Esto se realiza previo a la Minimización
del sistema
1.2 Fijar Restraint a los Carbono alfa de los aminoácidos usando el script restraint_ca.tcl Esto se realiza previo a
la Equilibrado del sistema
PASO 2. Abrir el archivo de configuración, ubq_wb_eq.conf , con un editor de texto gedit
El archivo de configuración contiene algunos comandos que son diferentes archivo de configuración de la
esfera de agua
La sección “SIMULATION PARAMETERS”, hay tres nuevas categoría de parámetros que han sido añadidas.
Periodic Boundary Conditions
– Los tres vectores bases de la celda periódica entregan la forma y el tamaño de la celda
periódica. Ellos eson cellBasisVector1, cellBasisVector2, and cellBasisVector3. – cellOrigin: especifica las coordenadas del centro de la celda periódica en ángstrom – wrapWater: Este comando es usado junto a condiciones periódicas de borde. – wrapAll: Es lo mismo a wrapWater: pero es usado a todas las moléculas
PME (full-system periodic electrostatics) PME (Particle Mesh Ewald o grilla de partículas) Este método es útil para considerar las
interacciones electrostáticas en el sistema cuando está presente las condiciones periódicas de borde. La suma de Ewald es eficiente para el cálculo de fuerza en el sistema periódico. La grilla de partículas es una grilla en 3D creada en el sistema, cuya carga del sistema está distribuida. Desde estas cargas, potenciales y fuerzas en el sistema es determinada.
– PME: indica sí o no la simulación usa el método de suma de Ewald, usa valores yes o no
– PMEGridSpacing: Asigna un radio mínimo entre el número de puntos de la grilla a lo largo
de cellBasisVector. – Uno puede definir el tamaño de la grilla PME manualmente PMEGridSizeX,
PMEGridSizeY, y PMEGridSizeZ. Esto asigna el tamaño de la grilla PME cellBasisVector1,
2 y 3, respectivamente
Constant Pressure Control (volumen variable)
– useGroupPressure: NAMD calcula la presión del sistema basados en la fuerza entre átomos
y su energía cinética. El comando específica si la interacción que implica hidrógenos debería
ser contado para todos los átomos de hidrógenos o simplemente para un grupos de átomos
de hidrógenos, usa valores yes o no. Debes asignar yes si rigidBonds son asignados
– useFlexibleCell: Especifica sí o no quieres permitir las tres dimensiones de la celda periódica
varía. Usa valores yes o no – useConstantArea: NAMD permite mantener el área seccional x – y sea constante mientras
varía la dimensión z. Usa valores yes o no – langevinPiston: Especifica sí o no, la simulación usa Piston Langevin para controlar la presión
del sistema. Usa valores yes o no – langevinPistonTarget: Indica la presión (en bar) con el cual el prisrton Langevin se mantiene
– langevinPistonPeriod: asigna un tiempo constante de oscilación en fs para piston Langevin
– langevinPistonDecay: asigna un tiempo constante de Camping en fs para piston Langevin
– langevinPistonTemp: asigna temperatura en K para piston Langevin.
Output
– xstFreq: archivo que contiene un registro de los parámetros de la celda periódica. Este
comando especifica por cada cuánto time steps la configuración debe ser registrada.
PASO 3. Una vez asignados los parámetros, corremos nuestra simulación con la siguiente línea de comando.
charmrun ++local +pN namd2 ubq_wb_eq.conf > ubq_wb_eq.log & N: número de core
PASO 4. Análisis
Para hacer el análisis cargue los siguientes archivos en vmd .
vmd ubq_wb.psf ubq_wb_eq.dcd
Usted puede ver la simulación molecular:
Luego, para graficar tiempo de simulación versus energía
Extensions � Analysis � NAMD Plot
