Namd

Transkript

Namd

Moleküler Dinamik Çalıştayı Programı
16 Kasım 11 Çarşamba
Moleküler Dinamik Çalıştayı Programı
TOBB EKONOMİ ve
TEKNOLOJİ ÜNİVERSİTESİ
Prof. Dr. Turgut BAŞTUĞ
NAMD
TOBB EKONOMİ ve
TEKNOLOJİ ÜNİVERSİTESİ
Prof. Dr. Turgut BAŞTUĞ
NAMD
İçerik




Giriş
Moleküler Dinamik
NAMD
Örnek
TR-Grid Çalışma Grubu Toplantısı
07.04.2010
Dijital Labaratuar
“In the real world, this could eventually mean that
most chemical experiments are conducted inside the
silicon of chips instead of the glassware of
laboratories. Turn off that Bunsen burner; it will not
be wanted in ten years.”
- The Economist, reporting on the work of the 1998
Chemistry Nobel Prize Awardees
07.04.2010
Neden Simülasyon
Bazı fiziksel ve kimyasal olaylar
simülasyonlar yardımıyla
kolaylıkla gözlemlenebilir.
Moleküler dinamik
simülasyonlarında da direk olarak
gözleyemeyeceğimiz şeyleri
modeller.
07.04.2010
Klasik Mekanik
Kuantum Mekanik yerine Klasik Newton Mekaniği
kullanıyoruz.
Bu bir yaklaşım / basitleştirmedir, dolayısıyla geçerliliği
sınırlıdır.
Kuantum mekanikten elde edilen sonuçlar klasik
mekanikte direk kullanılır.
07.04.2010
Moleküler Modelleme
Her moleküldeki atom için girdiler:
Konum (r)
Momentum (m + v)
Yük (q)
Bağ bilgisi (atom tipi, bağ açısı, bağ uzunluğu)
07.04.2010
Potansiyelden Harekete
Simülasyonu çalıştırmak
için her bir parçacık üzerine
etki eden kuvveti bilmek
durumundayız.
Potansiyel enerji
fonksiyonunun gradyentini
kullanıyoruz.
Şimdi ivmeyi bulabiliriz.
07.04.2010
Potansiyel Nedir?
Tek bir atom, sistemdeki diğer bütün atomların
yarattığı ortalama potansiyel enerji fonksiyonları
tarafından etkilenecektir.
Bağlı komşular
Bağ yapmayan atomlar (ya aynı moleküldeki diğer
atomlar ya da farklı moleküllerden atomlar)
07.04.2010
Bağlı Olmayan Atomlar
Bağ yapmayan atomlar arasında iki tür potansiyel
fonksiyon vardır:
Van der Waals potansiyeli
Elektrostatik potansiyel (Coulomb)
07.04.2010
Van der Waals Potansiyeli
Net elektrostatik yükleri
olmayan (nötral)
atomlar çok yakın
olmadıkları sürece
birbirlerini çekerler.
Elektron bulutlarının üst
üste bindirecek miktarda
yakın olmaları halinde
birbirlerini iterler.
07.04.2010
En çok kullanılan van der Waals potansiyellerinden biri
Lennard Jones potansiyelidir.
07.04.2010
A ve C sabitleri atom tipine
bağlıdır ve deneysel veya
hesapsal değerlerden
çıkarılmıştır.
07.04.2010
Elektrostatik Potansiyel
Aynı yükler iter
Zıt yükler çeker
Çekim kuvveti aradaki mesafenin karesiyle ters yüklerle
doğru orantılıdır.
07.04.2010
Coulomb Yasası
07.04.2010
Bağ Yapmayan Atomlar Arası
Potansiyel
Lennard Jones ve elektrostatik
potansiyelin birleştirilmesi
07.04.2010
Bağlı Atomlar
Bağ yapan atomlar arasında
üç tip etkileşme vardır:
Bağ uzaması/kısalması
Bağ bükülmesi
Bağ etrafında dönme
07.04.2010
Bağ Uzunluğu
Bağ (yay) sabiti ve bağ
uzunluğu atomların tipine bağlıdır.
07.04.2010
Bağ Açısı
Yay sabiti ve bağ açısı atomların
kimyasal tipine bağlıdır.
07.04.2010
Torsiyon
Dihedral açısı ve orta bağın
etrafındaki simetri katsayısı
(n=1,2,3) ile tanımlanır.
07.04.2010
Newton Yasası
Esteric energy = Estr + Ebend + Eimproper + Etor + EvdW +
Eqq
Potansiyel Fonksiyon
Kuvvet
Newton Yasası
07.04.2010
Çözeltilerdeki Moleküller
Gerçek dünyada moleküller izole
değildir. Biyolojik sistemler
(proteinler, DNA ve RNA) su
içerisindedirler.
Çözeltilerin etkilerini tanımlamak
için çözücü moleküller serbest
olmak zorundadırlar.
Bu durumda hesapsal sınırları nasıl
koruyabiliriz?
07.04.2010
Periyodik Sınır Koşulları
Periyodik sınır koşulları konulup
simülasyon moleküllerin sadece bir
segmentinde (ki bu segment
kopyalanabilir) yapılır.
Potansiyel hesabı her atom için
çevresindeki en yakın olan 27 küp
dikkate alınarak hesap edilir.
Bir atomun bir segmentin kenarına
kayması halinde segmentin öbür
kenarında tekrar edilir.
07.04.2010
Kesme Metotları
İdeal olarak, her atomun sistemdeki diğer bütün atomlarla
etkileşmesi gereklidir.
Bu ikinci dereceden bir kuvvet hesap etme algoritması
gerektirir.
Değer kaybına uğramaksızın uzaktaki atomları ihmal
edebiliriz.
07.04.2010
Kesme Metotları
Kesme mesafesi
verilmelidir.
Kesme mesafesinde
fonksiyon değeri sıfır
olacak şekilde kaydırılır.
Fonksiyon kesme
mesafesine yaklaşırken
sıfıra gider.
07.04.2010
MD Paketleri ve Force Field
CHARMM
Karplus and co. suitable for protein modeling
AMBER
P. Kollman and co. suitable for nitric acid and also
organic molecules
GROMACS
Berendsen and co. suitable for membrane modeling
Others…
MM2/3/4 EDEPP,
OPLS,
CFF,
SIGMA….
TR-Grid
Çalışma
Grubu
Toplantısı
07.04.2010
NAMD
NAMD (Not Another Molecular Dynamics Simulation)
ve VMD (Visual Molecular Dynamics) Klaus Schulten
ve grubu tarafından University of Illinois at Urbana
Champaign geliştirilmiş olup isteyen herkesin erişimine
açıktır.
07.04.2010
NAMD:
http://www.ks.uiuc.edu/Research/
namd/
07.04.2010
VMD:
http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
07.04.2010
Moleküler Dinamiği İlginç
Kılan Nedir?
İki nedenden dolayı
moleküler dinamik ilginçtir.
Daha çok biyolojik
moleküllerin yapılarının
deneysel olarak elde edilmesi
Bilgisayar teknolojisindeki
kapasite ve hız artışı
07.04.2010
Niçin NAMD?
Büyük (Biyolojik) Moleküller
Büyük biyomoleküllerin (örn.
iyon kanalları) kristal
yapılarının belirlenmesi
simülasyonları tetiklemiştir.
07.04.2010
Niçin NAMD?
Büyük Makineler
Çok işlemcili güçlü süper
bilgisayarların ulaşılabilir
olması biyolojik
simülasyonları tetiklemiştir.
07.04.2010
Niçin NAMD?
Ucuz Öbekler (Cluster)
Artan kapasite ve hızın
yanında bilgisayar
fiyatlarının ucuzlaması
küçük laboratuarlarda
dahi ciddi simülasyonları
yapılabilir kılmıştır.
07.04.2010
NAMD Nasıl Çalışır?
NAMD kullanarak herhangi bir MD simülasyonu
başlatmak için en az dört şey gereklidir:
Yapı: Sitemi oluşturan atomların koordinatları / hızları
Protein Data Bank’ tan ya da başka kaynaklardan elde
edilebilir (http://www.pdb.org).
Protein Yapı Dosyası (psf): Proteine ait yapıyı
ilgilendiren bütün bilgiler mevcuttur.
Potansiyel Parametreleri Dosyası: CHARMM
potansiyel fonksiyonu parametreleri NAMD’ de
kullanılmaktadır.
Konfigürasyon Dosyası: Herhangi bir MD simülasyonu
başlatıp devam ettirmek için gerekli bütün
parametrelerin depo edildiği dosya
07.04.2010
PDB Dosyası
Simulasyonlar, standart PDB dosya formatında Protein Data Bank’ tan bir kristal
yapı ile başlar.
PDB dosyaları türler, doku, kaynak, alıntılar, bölüm, ikinci yapı, vs. için standart
kayıtları içerir.
Biz sadece atom kayıtlarıyla ilgileneceğiz:
atom name (N, C, CA)
residue name (ALA, HIS)
residue id (integer)
coordinates (x, y, z)
occupancy (0.0 to 1.0)
temp. Factor (a.k.a. Beta)
segment id (6PTI)
Hidrojen atomu yok!
(Onları biz kendimiz eklemeliyiz. Onlar psf generarötü ile eklenir.)
07.04.2010
Pdb

REMARK FILENAME="/usr/people/nonella/xplor/benchmark1/ALANIN.PDB"

REMARK PARAM11.PRO ( from PARAM6A )

REMARK ===========

REMARK PROTEIN PARAMETERS:

REMARK PEPTIDE GEOMETRY FROM RAMACHANDRAN ET AL BBA 359:298 (1974)

REMARK TORSIONS FROM HAGLER ET AL JACS 98:4600 (1976)

REMARK LENNARD-JONES NONBONDED PARAMETERS WITH SPECIAL TREATMENT OF 1:4

REMARK CARBON-CARBON INTERACTIONS: JORGENSON ET. AL.

REMARK

REMARK DATE:16-Feb-89

ATOM
1
CA
ACE
1
-2.184
0.591
0.910
1.00
7.00
MAIN

ATOM
2
C
ACE
1
-0.665
0.627
0.966
1.00
0.00
MAIN

ATOM
3
O
ACE
1
-0.069
1.213
1.868
1.00
0.00
MAIN

ATOM
4
N
ALA
2
0.000
0.000
0.000
1.00
3.00
MAIN

ATOM
5
H
ALA
2
-0.490
-0.462
-0.712
1.00
0.00
MAIN

ATOM
6
CA
ALA
2
1.450
0.000
0.000
1.00
7.00
MAIN

ATOM
7
CB
ALA
2
1.969
-0.670
-1.262
1.00
0.00
MAIN

ATOM
8
C
ALA
2
2.010
1.413
0.000
1.00
0.00
MAIN

ATOM
9
O
ALA
2
2.911
1.748
0.767
1.00
1.00
MAIN

ATOM
10
N
ALA
3
1.488
2.280
-0.863
1.00
0.00
MAIN

ATOM
11
H
ALA
3
0.770
1.998
-1.467
1.00
4.00
MAIN
JACS 103:3976-3985 WITH 1-4 RC=1.80/0.1
11:21:32
created by user: nonella
07.04.2010
Protein Yapı Dosyası (Psf)
Atomik özellikler (Kütle, Yük, Tip)


Simülasyondaki her atom listelenir.
Tüm statik atom spesifik değerleri içerir:

atom name (N, C, CA)

Atom type (NH1, CT1)

residue name (ALA, HIS)

residue id (integer)

segment id (6PTI)

Atomic mass (amu unit)

Partial charge
07.04.2010
Protein Yapı Dosyası (Psf)
Simülasyon sistemine ait bütün etkileşim bilgileri psf
dosyasında mevcuttur.
Psf de olmayanlar



Koordinatlar
Hızlar
Potansiyel parametreleri
07.04.2010
Psf Dosyası Nasıl Hazırlanır?
Psf Dosyası VMD kullanılarak hazırlanır.
Gerekli Dosyalar:


Koordinatlar (Pdb Dosyası)
Topoloji dosyası (Charmm)
07.04.2010
Psf
1 !NTITLE
REMARKS original generated structure x-plor psf file
8935 !NATOM
1 1 1 FOR HF HA 0.090000
1.0080
0
2 1 1 FOR OF O -0.510000
15.9990
0
3 1 1 FOR CF C
0.420000
12.0110
0
4 1 1 FOR N NH1 -0.470000
14.0070
0
5 1 1 FOR HN H
0.310000
1.0080
0
6 1 1 FOR CA CT1 0.070000
12.0110
0
7 1 1 FOR HA HB 0.090000
1.0080
0
8 1 1 FOR CB CT1 -0.090000
12.0110
0
9 1 1 FOR HB HA 0.090000
1.0080
0
10 1 1 FOR CG1 CT3 -0.270000
12.0110
0
11 1 1 FOR HG11 HA 0.090000
1.0080
0
12 1 1 FOR HG12 HA 0.090000
1.0080
0
13 1 1 FOR HG13 HA 0.090000
1.0080
0
14 1 1 FOR CG2 CT3 -0.270000
12.0110
0
15 1 1 FOR HG21 HA 0.090000
1.0080
0
TR-Grid Çalışma
16 1 1 FOR HG22 HA 0.090000
1.0080 Grubu
0
07.04.2010
Toplantısı
Charmm FF
!BOND PARAMETERS: Force Constant, Equilibrium Radius
BOND C C
600.000 {SD=.022}
1.335 ! ALLOW ARO HEM
BOND CA CA 305.000 {SD=.031}
1.375 ! ALLOW ARO
!ANGLE PARAMETERS: Force Constant, Equilibrium Angle,
Urie-Bradley Force Const., U.-B. equilibrium (if any)
ANGLE CA CA CA
40.00 {SD=.086} 120.0000 UB 35.000 2.416
ANGLE CP1 N C
60.00 {SD=.070} 117.0000 ! ALLOW PRO
!DIHEDRAL PARAMETERS: Energy Constant, Periodicity, Phase Shift, Multiplicity
DIHEDRAL C CT2 NH1 C
1.60 {SD=.430} 1 180.0000 ! ALLOW PEP
DIHEDRAL C N
CP1 C
.80 {SD=.608} 3
.0000 ! ALLOW PRO PEP
!IMPROPER PARAMETERS: Energy Constant, Periodicity(0), Phase Shift(0)
! Improper angles are introduced for PLANARITY maintaining
IMPROPER HA C C HA
20.00 {SD=.122} 0
.0000 ! ALLOW PEP POL ARO
IMPROPER HA HA C C
20.00 {SD=.122} 0 180.0000 ! ALLOW PEP POL ARO
! -----NONBONDED-LIST-OPTIONS------------------------------CUTNB= 13.000 TOLERANCEyy= .500 WMIN= 1.500 ATOM
INHIBIT= .250
! -----ELECTROSTATIC OPTIONS-------------------------------EPS= 1.000 E14FAC= 1.000 CDIELECTRIC SHIFT
07.04.2010
Konfigürasyon Dosyası
set inputname ./mem16_eq0.restart
bincoordinates $inputname.coor
binvelocities $inputname.vel
extendedSystem $inputname.xsc
firsttimestep 0
set outputname mem16_eq0
set temperature 300
set smd 0
set cons 1
set start 0
set ref_umb ./ref.pdb
set ref_smd ./ref.pdb
set ref_fix ./ref.pdb
##########################################
## JOB DESCRIPTION
##
##########################################
# Minimization and Equilibration of
# Ribosome in vacuum with cylindrical boundary conditions
07.04.2010
VMD ve NAMD de kullanılan dosyaların
akış şeması
07.04.2010
Tipik bir MD Simülasyonunda
Adımlar
1. Molekül hazırlamak
-pdb ve psf dosyasında okumak
2. Minimize etmek
-Kullanılan kuvvet alanı ile gözlenen yapıyı bağdaştırmak
(T=0)
3. Isıtmak
-Sistemin sıcaklığını oda sıcaklığına artırmak
07.04.2010
Tipik bir MD Simülasyonunda
Adımlar
4. Dengeye getirmek
-Sistemin kararlı olduğunu garanti etmek
5. Dinamik
-İstenen durumlar (NVE, NpT, vs.) altında simule etmek
-Bulduğumuz verileri toplamak
6. Analiz
-Gözlenebilirleri hesaplamak (makroskopik düzey
özellikleri)
-Ya da tek molekül deneyleri ile ilişkilendirmek
07.04.2010
07.04.2010
MD Simulation Details
Initial structure is based on crystal structure of Kv1.2,
from which only pore domain residues 312 to 421 are
simulated.
Kv1.2 is embedded in a bilayer of 96 lipid (POPE)
molecules
Hydrated with 8900 water molecules (TIP3P)
Added KCl ions (10 pairs ~150 mM)
07.04.2010
VMD
MD Simulation Details
Total number of atoms ~45,000
MD simulations are carried out using the NAMD code
The PARAM27 version of the CHARMM force field is
used
NPT simulation
Particle-Mesh Ewald algorithm with Periodic box (fixed
in x,y directions and the Langevin piston method in the z
direction)
07.04.2010
Simulation System
07.04.2010
MD Protocol
1st step: Energy minimization (10,000 step)
2nd step: Heat up to 298 K
3rd step: equilibration :
all protein atoms fixed 1ns (A pressure of 1 atm applied with a
Langevin piston)
backbone fixed 1ns
07.04.2010
MD Protocol
flexible :
slow relaxation with k=50 - 0.1 kcal/mol/Å² in 8 step for 3 ns
2 ns equilibration with k=0.1 kcal/mol/Å² (to prevent drift in
long simulations)
total equilibration time: 7 ns
Simulation time on SGI Altix: 17 h/ns with 16 cpu’s.
4th step: production (Potential of mean force and
thermodynamic integration (TI) calculations)
07.04.2010
Equilibration with restrains on BB
atoms
k=0.1
k=0.5
k=1
K=25
K=50
07.04.2010
Equilibration with k=0.1 kcal/mol/
A2 restrains (last 1ns)
07.04.2010
Potassium Channels
equilibration
K (kcal/M/A )
Time (ps)
2
………
10.0
7.5
5.0
2.5
2.0
1.5
0.9
0.6
0.3
0.1
……
300
200
200
200
200
200
200
200
200
1000
07.04.2010
PMF calculations for K+ ions
Potential of Mean Force (PMF) of a K+ ion is calculated
using the channel axis (z) as the reaction coordinate
K+ ion in the cavity is moved along the z axis (100 ps
equil)
The PMF is calculated from the densities using the
Boltzmann factor
07.04.2010
PMF calculations for K+ ions
Umbrella sampling (400 ps)
A harmonic potential (k =15 kT/ Å2) is used to constrain the ion at
various points on the channel axis (interval: 0.5 Å).
Weighted Histogram Analysis Method (WHAM)
The distributions are unbiased and combined using
WHAM → PMF
07.04.2010
07.04.2010
07.04.2010
Free Energy Difference from TI
Hamiltonian is a sum of initial and final Hamiltonians
coupled with λ
H = (1- λ)HA + λ HB
A (λ =0) and B (λ =1) are initial and final states
respectively
07.04.2010
Free Energy Difference from TI
Free energy difference is determined from the integral
using 7-point Gaussian quadrature.
07.04.2010
Free energy difference for cavity
 S4
There are ions in the
S1 and S3 binding sites
TI is performed for
translocating an ion in
cavity to the S4 position
ΔΔG =17.2 kT (PMF
result: 15 kT)
07.04.2010
created
destroyed
Free energy perturbation (FEP) for cavity
 S4
There is one ion in the
S2 binding site
TI is performed for
translocating an ion in
cavity to the S4 position
ΔΔG = 1.9 kT
destroyed
07.04.2010
created
Nanotube vs Gramicidin A
Capped nanotubes
(based on C100
fulerene) resemble
lipid molecules
The central nanotube
(based of (6,6)
armchair) resembles
the GA.
System size for both
systems are app.
07.04.2010
Jarzynsky vs Umbrella nanotube vs
GA
details for carbon nanotube
based on (6,6) armchair carbon nanotube
system size is as large as GA system.
MD detail for umbrella sampling
all parameters for calculation the PMF with umbrella sampling
are chosen as the parameters used in PMF calculations of the GA.
Jarzynski equality: free energy determined from ensemble average of
work done.
e-βΔG = <e-βW >
SMD detail for
Reference point is pulled with a speed of 10 Å/ns
Harmonic force is applied to K+ via a stiff spring (k=20 kcal/M/
Å2)
07.04.2010
Jarzynsky vs Umbrella
PMF from 81 umbrella windows
at 0.5 Å dist.
For each wind. 100 ps equil. 300
ps prod.
Wham is used for unbiasing
Barrier is due to lost of water in
the 1st hydration shell.
10 SMD
v=10 & 5 Å/ns
Total simulation time: 40 & 80
ns.
Very good agreement!
07.04.2010
PMF:dashed
JE:red
Umbrella sampling:
49 windows
1.1 ns sim. time for each
Total 54 ns time.
Blue: forward (left to right)
Red: reverse
At the initial state GA equilibrated (5
ns)
10 sampling generated after
v=2.5 Å/ns
For z=±12 Å interval 101 ns total sim.
time.
07.04.2010
PMF:dashed
JE:solid lines
Jarzynsky vs Umbrella:
sampling
JE: sampling
v=2.5 Å/ns
 Much more sampling in SMD
required!
07.04.2010
Jarzynsky vs Umbrella:
sampling
varying the pulling velocity
Free energy averages obtained
from 10 SMD simulations
 Much slower pulling velocity in
SMD
07.04.2010
bs to out
07.04.2010
bs to out
07.04.2010
bs to out
07.04.2010
Conclusion:
Jarzynski equality does not work for the complex biological
system needs much more sampling, thus not practical to use.
07.04.2010
Resources
Books

Tamar Schlick Molecular Modeling and Simulation: An Interdisciplinary Guide 2002

Alan Hinchliffe Molecular Modelling for Beginners 2003

D. C. Rapaport The Art of Molecular Dynamics Simulation. 2004

Daan Frenkel, B. Smit Understanding Molecular Simulation 2001
Websites

Molecular Dynamics Tutorial at EMBnet
http://www.ch.embnet.org/MD_tutorial/index.html

Theoretical and Computational Biophysics Group at UIUC (home of VMD and NAMD)
http://www.ks.uiuc.edu/
07.04.2010
NAMD
07.04.2010
Moleküler Dinamik Çalıştayı
Programı
07.04.2010
sorular
sorular

Namd

Transkript

Benzer belgeler

Tam Metin(Full Text) - Türkiye Biyolojik Mücadele Derneği