D iszkrét molekuladinamika és alkalmazásai

1. Diszkrét molekuladinamika és alkalmazásai Gyimesi Gergely 2007. május 10.

2. Szimulációs módszerek alkalmazhatósági tartományai Ding F, Dokholyan NV: Simple but predictive protein models.Trends Biotechnol. 2005 Sep;23(9):450-5.

3. Szimulációs módszerek Hagyományos Diszkrét molekuladinamika Folytonos potenciálfüggvények Lépcsős potenciálfüggvények pl. Lennard-Jones A Newton egyenletek B trajektória Numerikus integrálás ütközési események ballisztikus szakaszok időlépés: tipikusan ~ 1 fs kisebbnek kell lennie, mint a leggyorsabb mozgás ideje a rendszerben (különben jelentős numerikus hibák) Eseményvezérelt szimuláció egyszerű analitikus megoldás

4. Diszkrét molekuladinamika Rugalmas ütközések 1 impulzus 2 energia kilépés belépés megoldható visszapattanás belső visszapattanás

5. A mi DMD implementációnk • 7400 sornyi C programkód és Python/Perl segédszkriptek • Az irodalomban fellelhető legújabb optimalizálási technikák beépítve • Párhuzamosításra kész

6. Szimulációs rendszer Polialanin 16-merα–β átmenete

7. Szimulációs rendszer Polialanin 16-mer

8. Szimulációs rendszer Másodlagos szerkezeti elemek fluktuációja T=330K-en

9. Szimulációs rendszer Másodlagos szerkezeti elemek előfordulása a hőmérséklet függvényében

10. Szimulációs rendszer Polialanin 8-mer oligomerizáció – kezdeti állapot

11. Szimulációs rendszer Polialanin 8-mer oligomerizáció I.

12. Szimulációs rendszer Polialanin 8-mer oligomerizáció II.

13. Simulation system Polyalanine 8-mer oligomerization III.

14. Nehézatom modell Durva felbontású modell gerincatomok: N, C, O, Cα oldallánc atomok: Cβ, Cγ, Cγ2 β-elágazóaknál (Thr, Ile, Leu) Cδ nagyméretűeknél (Arg, Lys, Trp) oldallánc atom típusok: H – hidrofób A – amfipatikus AR – aromás P – poláros PC – pozitív töltött NC – negatív töltött Ding F, Buldyrev SV, Dokholyan NV: Folding Trp-cage to NMR resolution native structure using a coarse-grained protein model. Biophys J. 2005 Jan;88(1):147-55.

15. Nehézatom modell Hidrogénkötés N és O atomok között orientációfüggés modellezésére távolságkényszerek csak akkor jöhet létre, ha mind a négy távolságkényszer teljesül minden i és i+3 aminosav között megengedett oldallánc-gerinc hidrogénkötés is lehetséges (donor és akceptor atomok) kötések hard-core taszítás nemkötő kölcsönhatások

16. Nehézatom modell Problémák az irodalomban leírt modellel: • hiányzó paraméterek, pl. O és Cβ atomokra (főleg hard-core sugarak) • kérdéses az 1-4 párok kezelése Hard-core sugarak szerepe: • megszabják a Ramachandran-térben elérhető tartományokat • befolyásolják a másodlagos szerkezeti elemek (főleg hélixek) kialakulási valószínűségét Javasolt megoldás: lokális (1-4) és nemlokális atomi hard-core sugarak N, N2, O, O2, C, C2, Cβ, Cβ2 Kérdés: hogyan lehet ezeket a paramétereket beállítani?

17. Nehézatom modell Paraméterek beállítása – szempontok • a Ramachandran-térben bejárt terület megegyezzen az ismert megengedett területekkel • stabil α-hélixek tudjanak létrejönni Az egyes tiltott tartományokat mely atomok ütközése hozza létre? ( (Ala)3 tesztrendszer ) N 1.46 Å N2 1.37 Å O 1.35 Å O2 1.20 Å C 1.41 Å C2 1.40 Å Cβ 1.65 Å Cβ2 1.50 Å Tiltott tartományok méretének beállítása az atomi sugarak segítségével (Ala)16-ban milyen típusú hélixek jönnek létre? Paraméterkészlet

18. Nehézatom modell Paraméterek beállítása nemlokális lokális

19. Nehézatom modell Trp-cage Natív szerkezetet egyelőre nem sikerült létrehozni Problémák: • 310 hélix kialakulása túl gyakori • elképzelhető, hogy a hidrofób kölcsönhatások súlya túl kicsi a hidrogénkötésekéhez képest Lehetséges továbbhaladási irányok: • energetikai paraméterek újrakalibrálása • kiterjedt konformációs vizsgálat széles hőmérséklettartományban