La minimización de energía de una proteína con NAMD

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.