La minimización de energía de una proteína con NAMD
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La minimización de energía de una proteína con NAMD
La minimización de energía de una proteína con NAMD 1 Introducción 2 Lo que usted necesita 3 Instalación de NAMD 4 Bajar el archivo de la proteína 5 Preparación de la proteína 6 Creación del archivo de entrada para NAMD 7 Correr el cálculo de NAMD 8 Análisis de los resultados 9 Usando las restricciones en los átomos 9.1 Fijando los átomos 9.2 Restringiendo los átomos 1 Introducción VEGA ZZ permite preparar los archivos de entrada para NAMD de la manera fácil sin el uso de programas extra para generar la topología. En esta guía didáctica se explica paso por paso cómo realizar una minimización de energía simple con gradiente conjugado de la estructura cristalográfica de la crambina con y sin restricciones. 2 Lo que usted necesita ♦ VEGA ZZ versión 2.0.8 o mayor. ♦ NAMD para Windows. ♦ La proteína de prueba. En esta guía didáctica se usará la estructura cristalográfica de la crambina (1CRN) disponible del Banco de Datos para Proteínas (PDB o Protein Data Bank). 3 Instalación de NAMD ♦ Baje el archivo para Win32-i686 del sitio de Internet del Theoretical and Computacional Biophysics Group. ♦ Abra el paquete en el directorio de instalación de VEGA ZZ (normalmente C:\Program Files\VEGA ZZ). ♦ Renombre el directorio de NAMD_X.X_Win32-i686 en NAMD (X.X es la versión de NAMD). 4. Bajar el archivo de la proteína Usted puede bajar la estructura de la crambin (1CRN) usando la interfase de Internet del PDB o de la herramienta integrada en VEGA ZZ: ♦ Inicie VEGA ZZ y seleccione el File -> PDB download del menú. ♦ Ponga 1CRN en el campo PDB Id y pulse el botón Download. Al fin de la transmisión, la estructura de la proteína se mostrará en el espacio de trabajo (para más información, pulse aquí). ♦ Normalice las coordenadas para trasladar la proteína al origen del eje Cartesiano (Edit -> Coordinates -> Normalize). ♦ Guarde la molécula (File -> Save As) con el nombre 1CRN para el archivo. Se recomienda fuertemente el uso del formato IFF/RIFF para este archivo porque éste es capaz de guardar el número máximo de información (por ejemplo, el tipo de átomo, cargas, los órdenes de unión, etc). 5 Preparación de la proteína ♦ Agregue los hidrógenos (Edit -> Add -> Hydrogens), seleccionando Protein en la caja Molecule type para habilitar una revisión extra para la hibridación del átomo, Residue end en la caja Position of hydrogens y seleccionando Use IUPAC atom nomenclature. Finalmente, pulse el botón Add para colocar los hidrógenos. Se mostrarán dos mensajes de advertencia en la consola para informarle que dos átomos tienen una geometría rara y que la revisión extra ha corregido el tipo del átomo. ♦ Arregle el tipo de átomos y las cargas (Calculate -> Charge & Pot.), seleccionando Force field y Charges y seleccionando CHARMM22_PROT y CHARMM22_CHAR. Pulse el botón Fix. La carga total es de 0. Es posible asignar las cargas Gasteiger-Marsili seleccionando Gasteiger en la caja de Charges Este método podría requerirse si la molécula contiene residuos no estándar que no se incluyeron en el banco de datos de CHARMM 22. ♦ Guarde la molécula en formato IFF borrando la anterior. 6 Creación del archivo de entrada para NAMD NAMD requiere varios archivos: el PDB y el archivo PSF de la molécula, uno o más archivos de parámetros y un archivo de comandos que define la condición del cálculo. ♦ Guarde la molécula en formato PDB 2.2 (File -> Save As...) con el nombre de archivo 1CRN.pdb. NAMD no necesita la conectividad de PDB y así usted puede evitar el salvarlo desmarcando Connectivity en la caja Options. ♦ Cree la matriz topológica guardando la molécula en el formato X-Plor PSF (nombre del archivo 1CRN.psf). Opcionalmente, es posible verificar si todos los parámetros del campo de fuerza están disponibles, seleccionando el nombre del campo de fuerza en la caja Force field param. El campo de fuerza CHARMM22_PROT se usó en la atribución del tipo de átomo y usted debe seleccionar el mismo campo de fuerza. Esta operación no se necesita porque, la molécula es una proteína normal y todos los parámetros están incluidos. Es útil si usted está manejando una estructura no estándar para arreglar los parámetros perdidos (para mas información, pulse aquí). ♦ Copie en el directorio dónde se colocaron los archivos 1CRN.pdb y 1CRN.psf, los archivos de parámetros par_al22_prot.inp y par_all22_vega.inp que están en el directorio ...\VEGA ZZ\Data\Parameters. El archivo par_all22_vega.inp se requiere porque VEGA ZZ genera una topología que hace explícitos a todos los ángulos impropios. ♦ Con un editor de texto (por ejemplo Notepad) cree el archivo de entrada con las órdenes siguientes (copia & pegúelos): numsteps minimization dielectric 10000 on 1.0 coordinates outputname outputEnergies binaryoutput DCDFreq restartFreq 1CRN.pdb 1CRN 1000 no 1000 1000 structure paraTypeCharmm parameters parameters exclude 1-4scaling switching switchdist cutoff pairlistdist margin stepspercycle 1CRN.psf on par-all22-prot.inp par-all22-vega.inp scaled1-4 1.0 on 8.0 12.0 13.5 0.0 20 Guarde el archivo con el nombre 1CRN_min.namd. Este archivo permite realizar 10000 pasos de minimización con gradiente conjugado, guardar la salida (las coordenadas y los archivos de reinicio) cada 1000 iteraciones. Para más información sobre los parámetros, por favor consulte NAMD User Guide. 7 Correr el cálculo de NAMD ♦ Abra la consola VEGA (Start -> VEGA ZZ -> VEGA console). ♦ Vaya dentro de su directorio activo con el comando cd. ♦ En la consola teclee: namd2 1CRN_min.namd y dé retorno de carro. Si usted quiere ahorrar el archivo de salida, use esta orden: namd2 1CRN_min.namd> 1CRN.out Si usted tiene más de un CPU instalado, usted puede acelerar la velocidad del cálculo especificando el número total de CPUs: namd2 +p2 1CRN_min.namd> 1CRN.out En este caso la PC tiene dos CPUs y los dos se usan para el cálculo (la opción +p2). El centro dual (por ejemplo Athlon X2, Pentium D, Core 2 Dúo, etc) y el Pentium 4 con el hyperthreading debe usar la opción de +p2. 8 Análisis de los resultados Los resultados del cálculo están contenidos principalmente en dos archivos: el 1CRN.dcd (el archivo de trayectoria) y el 1CRN.out, si usted lo salva. El primero es un archivo binario y no puede abrirse con un editor de texto. Contiene las coordenadas atómicas de cada uno de los marcos guardados (10 marcos, porque un marco de cada 1000 fueron guardados). El segundo es un archivo de texto que contiene los mensajes de salida generados por NAMD y la información de la energía. ♦ Abra el archivo 1CRN.dcd con VEGA ZZ (File -> Open). Para abrir una trayectoria DCD se requiere de un archivo de la molécula (por ejemplo en formato PDB o IFF) con el mismo nombre. Usted no debe tener ningún problema porque usted tiene los archivos 1CRN.dcd y 1CRN.iff en el mismo directorio. La molécula se mostrará y el diálogo de Trajectory analysis se abrirá. ♦ Si usted guardó el archivo 1CRN.out, el botón de Energy graph estará activo. Pulsándolo, usted puede ver el comportamiento de la energía durante el cálculo. La energía baja como se esperaría durante una minimización. ♦ Pulsando el botón Last o el botón Lowest en la ventana de Trajectory analysis, la estructura de más baja energía se selecciona (ver el espacio de trabajo). Por favor recuerde en una minimización de energía, la última estructura en la trayectoria siempre es la más baja y por lo que no existe ninguna diferencia en pulsar el botón Last o el botón Lowest. ♦ Guarde la mejor estructura (File -> Save As) en formato IFF (1CRN_min.iff). De la misma manera, usted puede guardar cualquier conformación en la trayectoria seleccionandola usando el deslizador horizontal o el campo Frame number y escogiendo File -> Save As en la barra del menú. 9. Usando las restricciones en los átomos Para guardar la estructura más cercana a los datos cristalográficos originales, un procedimiento común es el aplicar restricciones a los átomos del esqueleto de la proteína. De esta manera, las cadenas laterales pueden relajarse manteniendo la estructura secundaria. NAMD y VEGA ZZ permiten el constreñimiento de los átomos en dos maneras: fijando los átomos o aplicando una fuerza constante a los átomos que frenan sus movimientos. 9.1 Fijando los átomos ♦ Inicie VEGA ZZ y abra el archivo de 1CRN.iff. ♦ Abra la ventana de Constraints options (Edit -> Coordinates -> Constraints). ♦ Seleccione Fix en la caja Mode y Protein backbone en la caja de Selection. Finalmente, pulse el botón Apply y cierre la ventana. Los átomos fijos (el esqueleto) se coloreará de azul y los átomos libres de verde. ♦ Guarde la molécula (File -> Save As) en formato PDB 2.2, seleccionando Constraints en la caja de Options, y tecleando 1CRN_fix como nombre de archivo. La información de átomos fijos se guarda en la columna B del archivo de PDB. ♦ Repita la minimización de energía con el siguiente archivo de ordenes: numsteps minimization dielectric 10000 on 1.0 coordinates outputname outputEnergies binaryoutput DCDFreq restartFreq 1CRN-fix.pdb 1CRN-fix 1000 no 1000 1000 structure paraTypeCharmm parameters parameters exclude 1-4scaling switching switchdist cutoff pairlistdist margin stepspercycle 1CRN.psf on par-all22-prot.inp par-all22-vega.inp scaled1-4 1.0 on 8.0 12.0 13.5 0.0 20 fixedAtoms fixedAtomsCol on B En rojo se indican las diferencias con el archivo de minimización normal. Por favor note que el archivo de PSF es el mismo de la minimización anterior porque la molécula no se cambia. Guarde el archivo con el nombre 1CRN_fix_min.namd. ♦ Empiece la minimización, tecleando en la consola: namd2 1CRN_fix_min.namd> 1CRN_fix.out ♦ Al final de la minimización, abra el archivo de trayectoria. Por favor recuerde que usted no puede abrir el archivo de trayectoria directamente, si no existe el archivo de la molécula correspondiente (por ejemplo 1CRN_fix.iff). Como primer paso, usted debe abrir la molécula y luego seleccionar Calculate -> Analysis en la barra del menú. En la ventana de Trajectory analysis, pulse el botón Open y seleccione el archivo de DCD. ♦ Moviendo el deslizador horizontal, usted puede ver que el esqueleto se mantuvo fijo. ♦ Seleccione y guarde la conformación de energía más baja como 1CRN_fix_min.iff. 9.2 Restringiendo los átomos ♦ Como se hizo anteriormente, inicie VEGA ZZ, abra el archivo de la crambina y muestre la ventana de dialogo Constraint options. ♦ Seleccione Value en la caja de Mode, ponga 20 en el campo de Value de la caja Parameters y escoja Protein backbone en la caja de Selection. Pulse el botón Apply y cierre la ventana. Si el campo de Value es 0, los átomos son considerados totalmente libres (esto significa una fuerza de constreñimiento constante igual a cero), y aumentando ese valor, los átomos se frenan progresivamente. ♦ Guarde la molécula (File -> Save As) en formato PDB 2.2, pulsando Constraints en la caja de Options y tecleando 1CRN_const.pdb como el nombre del archivo. ♦ Repita la minimización de energía con el siguiente archivo de ordenes: numsteps minimization dielectric 10000 on 1.0 coordinates outputname outputEnergies binaryoutput DCDFreq restartFreq 1CRN-const.pdb 1CRN-const 1000 no 1000 1000 structure paraTypeCharmm parameters parameters exclude 1-4scaling switching switchdist cutoff pairlistdist margin 1CRN.psf on par-all22-prot.inp par-all22-vega.inp scaled1-4 1.0 on 8.0 12.0 13.5 0.0 stepspercycle 20 constraints consref conskfile conskcol on 1CRN-const.pdb 1CRN-const.pdb B En rojo se indican las diferencias con el archivo de minimización normal. Salve el archivo con el nombre de 1CRN_const_min.namd. ♦ Empiece la minimización, tecleando en la consola: namd2 1CRN_const_min.namd> 1CRN_const.out ♦ Al final de la minimización, abra el archivo de trayectoria, seleccione y guarde la conformación con la energía más baja como 1CRN_const_min.iff.