ffi0776modelamodelageme mecânicamolecular … · coletad edados: estatística,energia,...
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FFI0776�FFI0776��� Modelagem�e�Modelagem�e�ggEngenharia�de�ProteínasEngenharia�de�Proteínas
Prof.�Rafael�V.�C.�GuidoProf.�Rafael�V.�C.�Guidoid @if bid @if [email protected]@ifsc.usp.br
Bacharelado em Ciências Físicas e BiomolecularesBacharelado em Ciências Físicas e BiomolecularesBacharelado�em�Ciências�Físicas�e�BiomolecularesBacharelado�em�Ciências�Físicas�e�BiomolecularesInstituto�de�Física�de�São�Carlos�Instituto�de�Física�de�São�Carlos��� USPUSP
ObjetivosObjetivos
• Mecânica MolecularCampo de força– Campo de�força
• Dinâmica�Molecular• Etapas�envolvidas
Mecânica�MolecularMecânica�MolecularMecânica�MolecularMecânica�Molecular
• Mecânica�Molecular– Expressão�utilizada�para�definir�um�método�computacional�empregado�no�cálculo�de�geometrias�e�energias�moleculares
• O�método�considera�a�composição�atômica�de�uma�molécula�como�uma�coleção�de�massas�que�interagem�entre�si
• Devido a essa simplificação,Devido�a�essa�simplificação,�é�um�método�relativamente�rápido para o cálculo derápido�para�o�cálculo�de�energia�e�conformação�de�micro ou macromoléculasmicro�ou�macromoléculas
Mecânica�MolecularMecânica�Molecular
• O método considera:O�método�considera:– Átomos���esferas�de�borracha�com�diferentes�dimensões�(tipos de átomos)(tipos�de�átomos)�
– Ligações���molas�de�comprimento�variado
• Cálculo�do�potencial�energético:– Lei�de�Hooke– Minimização�da�energia�em relação as coordenadasem�relação�as�coordenadas�atômicas
Campo�de�ForçaCampo�de�Força
• Definição:Função�matemática�com�parâmetros�ajustáveis�utilizada�para�descrever�a�energia�potencial�de�um�sistema�de�partículas
• O�objetivo�de�um�campo�de�força�é�descrever�os�fenômenos�atômicos�(e.g.,�conformação,�interação)�de�e ô e os atô cos (e g , co o ação, te ação) dediferentes�classes�de�moléculas�
• A credibilidade do campo de força depende qualidade• A�credibilidade�do�campo�de�força�depende�qualidade�dos�parâmetros�incorporados�nas�funções�de�potencial�energético empregados para os cálculos molecularesenergético�empregados�para�os�cálculos�moleculares
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0))Etot � ½ kl (l l0) � ½ k� (� �0) � ½ k� (1 cos(n� �0))
+ �Aij –
Bij + �qiqj+ �
r12ij r6ij
+ �rijenergia�potencial�
do�sistema
Termo�energético�de�estiramentoTermo�energético�de�estiramento
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0)) tot � l ( 0) � � ( 0) � � ( ( � �0))
+ �Aij
12–
Bij6 + �
qiqj�r12
ij r6ij�rij
� ½ k (l l )2Eest = � ½ kl (l – l0)2
Descreve�as�mudanças�na�energia�potencial em função do estiramentopotencial�em�função�do�estiramento�e�contração�dos�átomos
Termo�energético�de�torção�angularTermo�energético�de�torção�angular
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0)) tot � l ( 0) � � ( 0) � � ( ( � �0))
+ �Aij
12–
Bij6 + �
qiqj�r12
ij r6ij�rij
� ½ k (� � )2Eâng = � ½ k� (� – �0)2
Descreve�as�mudanças�na�energia�i l f ã d â lpotencial�em�função�do�ângulo�
entre�os�átomos
Termo�energético�de�torção�ângulo�Termo�energético�de�torção�ângulo�diédricodiédrico
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0)) tot � l ( 0) � � ( 0) � � ( ( � �0))
+ �Aij
12–
Bij6 + �
qiqj�r12
ij r6ij�rij
E � ½ k (1 + ( ))Ediedro = � ½ k� (1 + cos(n� – �0))
Descreve�as�mudanças�na�energia�i l f ã d â lpotencial�em�função�do�ângulo�
diédrico entre�os�átomos
Potencial�de�Potencial�de�LennardLennard��JonesJones
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0)) tot � l ( 0) � � ( 0) � � ( ( � �0))
+ �Aij
12–
Bij6 + �
qiqj�r12
ij r6ij�rij
A� Aij12
Bij6
–Evdw = �r12
ij r6ijvdw
Descreve�as�interações�de�van�der�W l áWaals entre�átomos
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0)) tot � l ( 0) � � ( 0) � � ( ( � �0))
+ �Aij
12–
Bij6 + �
qiqj�r12
ij r6ij�rij
� qiqjrEeletr = � rijeletr
Descreve�as�interações�l á i á deletrostáticas�entre�átomos�de�cargas�opostas
Mecânica�molecularMecânica�molecular
Etot = � ½ kl (l – l0)2 + � ½ k� (� – �0)2 + � ½ k� (1 + cos(n� – �0)) tot � l ( 0) � � ( 0) � � ( ( � �0))
+ �Aij
12–
Bij6 + �
qiqj�r12
ij r6ij�rij
Campo�de�Força�Campo�de�Força��� CHARMMCHARMMhttp://www.charmm.org/html/info/intro.html
Campo�de�Força�Campo�de�Força��� CHARMMCHARMM
Campo�de�Força�Campo�de�Força��� AMBERAMBERhttp://ambermd.org/
Campo�de�Força�Campo�de�Força��� AMBERAMBER
Campo�de�Força�Campo�de�Força��� GROMOSGROMOS
http://www.igc.ethz.ch/GROMOS/index
Campo�de�Força�Campo�de�Força��� GROMACSGROMACS
http://www.gromacs.org/
NAMDNAMD
http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ Dinâmica�MolecularDinâmica�Molecular
Dinâmica�MolecularDinâmica�Molecular
• Definição��simulação�computacional,�baseada�em�aproximações�matemáticas�de�princípios�físicos,�na�qual�átomos�e�moléculas�interagem�entre�si�por�um�período determinado de tempoperíodo�determinado�de�tempo�
• Os�estudos�de�dinâmica�molecular�i l t l lsimulam�os�eventos�moleculares�indicando�o�comportamento�(movimento)�de�partículas�
• Objetivo� fornecer informaçõesObjetivo��fornecer�informações�importantes�para�a�predição�ou�elucidação de dados experimentaiselucidação�de�dados�experimentais
Escala�de�tempo�de�eventos�molecularesEscala�de�tempo�de�eventos�moleculares
Vibração�do�comprimento� Rotação�de�
Rotação�de�lipídeos
Difusão�de�lipídeos
Enovelamento�normal�de�proteínas
Enovelamento�Síntese no
Enovelamento�de proteínas de
de�ligação ligação Relaxamento�de�água
Transporte�no�canal��iônico
rápido�de�proteínas
Síntese�no�ribossomo
de�proteínas�de�membrana
Tempo�de�simulação�acessível�atualmente
EtapasEtapas
E l idEtapas�envolvidas1. Escolha�e�obtenção�da�estrutura2. Preparação�da�estrutura�para�simulação3 Determinação da caixa de simulação3. Determinação�da�caixa�de�simulação4. Adição�de�solvente5. Minimização�de�energia�do�sistema6. Equilibrar�o�sistemaq7. Simulação8 A áli d d d8. Análise�dos�dados
FluxogramaFluxograma
Inserção�de�dados:�coordenadas campo de forçacoordenadas,�campo�de�força
Cálculo�da�energia�potencial�do�sistema
Atualização�das�coordenadas�e�energia�de�interação
Coleta�de�dados:�estatística,�energia,�
coordenadas,�trajetória�, j
AvaliaçãoProcesso simnão Avaliaçãomais�passos?
Processo�finalizado
simnão
Escolha�e�preparação�da�estruturaEscolha�e�preparação�da�estrutura Arquivo�de�parâmetrosArquivo�de�parâmetros
A i d â tArquivo�de�parâmetrosContém�todos�os�parâmetros molecularesparâmetros�moleculares�necessários�para�o�cálculo�das energiasdas�energias
Determinação�da�caixa�de�simulação�e�Determinação�da�caixa�de�simulação�e�adição de solventeadição de solventeadição�de�solventeadição�de�solvente SolventeSolvente
Minimização�de�energia�e�equilíbrioMinimização�de�energia�e�equilíbrio Análise�dos�resultadosAnálise�dos�resultados
Análise�dos�resultadosAnálise�dos�resultados Análise�dos�resultadosAnálise�dos�resultados
Exemplos�de�aplicaçãoExemplos�de�aplicação • Anthrax• Bases�moleculares�da�intoxicaçãointoxicação
pH�neutro pH�ácido