Mecânica Molecular. Dinâmica Molecular. Exemplos de aplicação. é um método relativamente. energia e conformação de micro ou macromoléculas

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1 Objetivos FFI0776 Modelagem e Engenharia de Proteínas Prof. Rafael V. C. Guido rvcguido@ifsc.usp.br Aula 04 Mecânica Molecular Campo de força Exemplos de Campo de Força Dinâmica Molecular Etapas envolvidas Exemplos de aplicação Bacharelado em Ciências Físicas e Biomoleculares Instituto de Física de São Carlos USP Mecânica Molecular Mecânica 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, é um método relativamente rápido para o cálculo de energia e conformação de micro ou macromoléculas

2 Mecânica Molecular O método considera: Átomos esferas de borracha com diferentes dimensões ( pos de átomos) Ligações molas de comprimento variado id Cálculo do potencial energético: Lei de Hooke E total = E interna + E externa Minimização da energia em relação as coordenadas atômicas O potencial energético inclui termos aditivos para a energia intramolecular (entreátomos ligados covalentemente) e intermolecular (entre átomos que estabelecem interações fracas) Campo 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 e osatômicos (e.g., g, conformação, o interação) ação)de diferentes classes de moléculas A credibilidade do campo de força depende qualidade dos parâmetros incorporados nas funções de potencial energético empregados para os cálculos moleculares E = tot ½ k l (l l 0 ) ½ k θ (θ θ 0 ) + ½ k φ (1 + cos(nφ φ 0 )) energia potencial do sistema Aij + r 12 ij q iq j + Termo energético de estiramento E 2 est = ½ k l (l l 0 ) Termo energético de torção angular E âng = ½ k θ (θ θ 0 ) 2 Descreve as mudanças na energia potencial em função do estiramento e contração dos átomos (comprimento de ligação) Descreve as mudanças na energia potencial ilem função do ângulo entre os átomos

3 Termo energético de torção ângulo diédrico Potencial de Lennard Jones E diedro = ½ k φ (1 + cos(nφ φ 0 )) A ij E vdw = r 12 ij B ij Descreve as mudanças na energia potencial ilem função do ângulo diédrico entre os átomos Descreve as interações de van der Waalsentre átomos Mecânica molecular E q iq j eletr = r Chem3D Descreve as interações eletrostáticas entre átomos de cargas opostas

4 Campo de Força CHARMM Campo de Força CHARMM Campo de Força AMBER Campo de Força AMBER

5 Campo de Força GROMOS Campo de Força GROMACS NAMD Dinâmica Molecular

6 Dinâmica Molecular Definição simulação computacional, baseada em aproximações matemáticas de princípios físicos, na qual átomos e moléculas interagem entre si por um período determinado de tempo Os estudos de dinâmica molecular simulam os eventos moleculares l indicando o comportamento (movimento) de partículas Objetivo fornecer informações importantes para a predição ou elucidação de dados experimentais Escala de tempo de eventos moleculares Etapas Vibração do comprimento Rotação de de ligação ligação Relaxamento de água Rotação de lipídeos Transporte no canal iônico Tempo de simulação acessível atualmente Difusão de lipídeos Enovelamento rápido de proteínas Enovelamento normal de proteínas Síntese no ribossomo Enovelamento de proteínas de membrana Etapas envolvidas lid 1. Escolha e obtenção da estrutura 2. Preparação da estrutura para simulação 3. Determinação da caixa de simulação 4. Adição de solvente 5. Minimização de energia do sistema 6. Equilibrar o sistema 7. Simulação 8. Análise dos dados dd

7 Fluxograma Escolha e preparação da estrutura Inserção de dados: coordenadas, campo de força coordenadas Cálculo da energia potencial do sistema Atualização das coordenadas e energia de interação Coleta de dados: estatística, energia, coordenadas,, trajetória j Processo finalizado não Avaliação mais passos? Arquivo de parâmetros A i d Arquivo de parâmetros â t Contém todos os parâmetros moleculares necessários para o cálculo das energias sim Determinação da caixa de simulação e adição de solvente

8 Solvente Minimização de energia e equilíbrio Análise dos resultados Análise dos resultados

9 Análise dos resultados Exemplos de aplicação Bacillus anthracis Toxina anthrax Anthrax Bases moleculares da intoxicação PA = protective antigen Toxina LF = lethal factor EF = edema factor

10 ph neutro ph ácido Time (ns) 10