Vizualizace Parciálních Atomových Náboj ˚U V Molekulách
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
MASARYKOVA UNIVERZITA F}w¡¢£¤¥¦§¨ AKULTA INFORMATIKY !"#$%&'()+,-./012345<yA| Vizualizace parciálních atomových náboj ˚uv molekulách BAKALÁRSKÁˇ PRÁCE Jakub Vá ˇna Brno, podzim 2010 Prohlášení Prohlašuji, že tato bakaláˇrskápráce je mým p ˚uvodnímautorským dílem, které jsem vypracoval samostatnˇe.Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem pˇrivypracování používal nebo z nich ˇcerpal,v práci ˇrádnˇecituji s uvedením úplného odkazu na pˇríslušnýzdroj. Jakub Váˇna Vedoucí práce: RNDr. Radka Svobodová Vaˇreková,Ph.D. ii Podˇekování Rád bych podˇekovalpaní RNDr. Radce Svobodové Vaˇrekové,Ph.D. za vedení mé práce. Pˇre- devším bych rád vyzdvihl její peˇclivost,trpˇelivosta obˇetavost.Dále bych rád podˇekovalsvým rodiˇc˚umza d ˚uvˇeru a podporu ve studiu. iii Shrnutí V pˇrírodovˇednýchi dalších oborech je v posledních desetiletích experiment jako metoda ˇcasto doplnˇennebo nahrazen matematickými výpoˇcty, pˇrípadnˇesimulacemi. Klíˇcovýmobjektem v tˇechtovýpoˇctechje molekula, protože je nositelem chemických vlastností látek. Pro práci chemik ˚uˇcibiolog ˚ujsou rovnˇežvelmi d ˚uležitéinformace o parciálních nábojích na atomech v rámci molekuly. Tyto náboje jsou reálná ˇcísla,která popisují, jakou ˇcást elektron ˚uz molekuly (tzv. elektronové hustoty) si daný atom pˇritáhnuldo své blízkosti nebo naopak odevzdal jiným atom ˚um.Ideálním zp ˚usobem,jak zprostˇredkovatinformace o nábojích, je jejich vizualizace. Díky vizualizaci jsme napˇríkladschopni posoudit, kde je náboj na molekule koncentrován a která místa jsou nábojovˇeneutrální. Právˇetématem vizualizace parciálních náboj ˚use zabývá má bakaláˇrskápráce. V rámci této práce jsem se nejdˇríveseznámil se zp ˚usobemreprezetace molekuly v poˇcítaˇcia s formáty pro zápis struktury molekuly a jejích parciálních náboj ˚u.Dále jsem nastudoval modely pro vizu- alizaci molekuly a parciálních náboj ˚u.Všechny tyto informace jsem shrnul v textu své práce. Poté jsem vyhledal softwarové nástroje vhodné pro vizualizaci náboj ˚u– VMD, Jmol, Chem3D, DSV a Mol2mol. Využitelnost tˇechtonástroj ˚ujsem analyzoval na tˇrechr ˚uznýchtypech molekul (malá organická molekula, peptid a protein) a v práci popsal jejich silné a slabé stránky. iv Klíˇcováslova Parciální náboje na atomech, vizualizace náboj ˚u,molekuly, 3D struktury, MOL, MOL2, PDB, VMD, MOE, Jmol, Mol2mol, Chem3D, DSV v Obsah 1 Úvod ............................................... 1 2 Teoretická ˇcást .......................................... 2 2.1 Molekula v poˇcítaˇci .................................... 2 2.1.1 Poˇcítaˇcovýzápis molekul . 2 2.1.2 Grafické modely molekul . 2 2.1.3 Grafické modely povrchu molekul . 3 2.1.4 Zp ˚usobyvizualizace povrchu molekul . 5 2.2 Základní chemické pojmy ................................ 7 2.2.1 Parciální náboj . 7 2.3 Vizualizace náboj ˚u .................................... 8 2.3.1 Zabarvení atom ˚ua vazeb podle hodnoty parciálního náboje . 8 2.3.2 Velikost atom ˚upodle hodnoty parciálního náboje . 9 2.3.3 Zabarvení povrchu molekuly podle hodnoty parciálního náboje . 9 3 Metodická a implementaˇcníˇcást ............................... 10 3.1 Použité datové formáty .................................. 10 3.1.1 Formát PDB . 10 3.1.2 Formát PDBQ . 11 3.1.3 Formát MOL . 11 3.1.4 Formát MOL2 . 12 3.1.5 Formát Gaussian . 13 3.2 Použité softwarové nástroje ............................... 14 3.2.1 Open Babel . 14 3.2.2 VMD . 15 3.2.3 Jmol . 17 3.2.4 MOE . 19 3.2.5 Chem3D . 21 3.2.6 DSV . 24 3.2.7 Mol2mol . 27 3.2.8 Software bez možnosti vizualizace náboje . 28 3.3 Implementace programu Import charges ........................ 29 3.3.1 Programovací jazyk . 29 3.3.2 Funkcionalita . 29 3.3.3 Vstup a výstup . 29 3.3.4 Volání . 30 4 Výsledky a diskuse ....................................... 31 4.1 Ukázka výpoˇctunáboj ˚u ................................. 31 4.2 Vizualizace molekul ................................... 32 4.2.1 Vizualizace malé molekuly . 33 4.2.2 Vizualizace stˇrednímolekuly . 35 4.2.3 Vizualizace velké molekuly . 37 4.3 Pˇrehleda srovnání vlastností softwarových nástroj ˚u . 38 4.3.1 Komentáˇrek jednotlivým program ˚um. 38 4.3.2 Pˇrehledvlastností nástroj ˚u . 40 5 Závˇer ............................................... 41 6 Pˇrílohy .............................................. 43 6.1 Obsah pˇriloženéhoDVD ................................. 43 vi 6.2 Skript Jmol ......................................... 44 6.3 Dodateˇcnévizualizace vytvoˇrenév rámci práce .................... 44 6.4 Vizualizace extra velké molekuly ............................ 46 6.5 RasMol ........................................... 47 6.6 Formát POV ........................................ 48 vii 1 Úvod V pˇrírodovˇednýchi dalších oborech je v posledních desetiletích experiment jako metoda ˇcasto doplnˇennebo nahrazen matematickými výpoˇcty, pˇrípadnˇesimulacemi. Takto vznikly nové vˇedníobory, jako tˇrebapoˇcítaˇcováchemie, bioinformatika, chemoinformatika nebo systémová biologie. Klíˇcovýmobjektem v tˇechtovˇedníchdisciplínách je molekula, protože je nositelem chemických vlastností látek. Pro práci chemik ˚uˇcibiolog ˚ujsou velmi d ˚uležitéinformace o par- ciálních nábojích [1] na atomech v rámci molekuly. Tyto náboje jsou reálná ˇcísla,která popisují, jakou ˇcástelektron ˚uz molekuly (tzv. elektronové hustoty) si daný atom pˇritáhnuldo své blíz- kosti nebo naopak odevzdal jiným atom ˚um.Parciální náboje ukazují místa s vysokým a nízkým výskytem elektron ˚uneboli místa, v nichž nejpravdˇepodobnˇejidochází k chemickým reakcím. Navíc jsou náboje také významnými veliˇcinamipro výpoˇctyrealizované bˇehempoˇcítaˇcovˇe chemických simulací [1, 2] a v chemoinformatických modelech [3, 4]. V souˇcasnédobˇeje dostupné velké množství informací o struktuˇreorganických molekul a biomolekul a také máme k dispozici vysoce výkonné poˇcítaˇcea nové softwarové nástroje pro výpoˇcetnáboj ˚u.Proto jsou náboje stále populárnˇejšímicharakteristikami pro popis chemického chování molekuly. Ideálním zp ˚usobem,jak chemik ˚uma biolog ˚umzprostˇredkovatinformaci o nábojích, je tyto náboje vizualizovat. Díky vizualizaci jsme schopni posoudit, kde je náboj na molekule koncentrován a která místa jsou nábojovˇeneutrální. Takto získáme celkový pˇrehledo distribuci náboj ˚uv rámci molekuly pˇrípadnˇejejí studované ˇcásti.Tématem vizualizace náboj ˚u se zabývá má bakaláˇrskápráce. Konkrétní cíle práce jsou: • Seznámit se se zp ˚usobemreprezentace molekuly v poˇcítaˇcia s formáty pro zápis struk- tury molekuly a náboj ˚ujejích atom ˚u. • Nastudovat a popsat r ˚uznézp ˚usobyzobrazování náboj ˚u. • Vyhledat softwarové nástroje pro vizualizaci náboj ˚u. • Analyzovat využitelnost tohoto softwaru a popsat jeho silné a slabé stránky. • Ukázat využití vybraného softwaru pro vizualizaci r ˚uzných typ ˚umolekul (malé orga- nické molekuly, biomolekuly, . ). 1 2 Teoretická ˇcást 2.1 Molekula v poˇcítaˇci 2.1.1 Poˇcítaˇcovýzápis molekul Molekuly mohou být zapsány v poˇcítaˇcimnoha zp ˚usoby[3], ale základ bývá vˇetšinoustejný. Soubor s informacemi o molekule by mˇelobsahovat alespoˇnnásledující údaje o každém atomu molekuly: • ID atomu, tj. jeho unikátní identifikátor • chemickou znaˇckuatomu • kartézské souˇradniceatomu • informace o vazbách daného atomu s ostatními atomy Soubory popisující molekuly mohou pˇrípadnˇeobsahovat další informace, záleží na definici for- mátu použitého pro zápis molekuly. Mohou to být napˇríkladinformace o sekundárních struk- turách, hodnotách parciálního náboje, typech atomových vazeb a jiné. 2.1.2 Grafické modely molekul V poˇcítaˇcovéchemii a dalších souvisejících oborech mohou být molekuly vizualizovány r ˚uz- nými zp ˚usoby[1]. Zde si krátce popíšeme nˇekterénejˇcastˇejipoužívané grafické modely. Ukázky tˇechtomodel ˚unaleznete na obrázku 2.1. Drátový model (wire-frame): V drátovém modelu jsou atomy zmenšeny do velikosti ma- lých bod ˚ua vazby jsou zobrazeny jako tenké ˇcáryspojující tyto body. Velikosti ˇcarjsou ne- mˇenné. Tyˇcinkovýmodel (sticks): Obdobné jako drátový model, ale místo ˇcarjsou použity tyˇcinky o r ˚uznémpolomˇeru. Atomy opˇetnejsou viditelné. Tyˇcinkya kuliˇcky(ball & sticks): V modelu "tyˇcinkya kuliˇcky"jsou atomy reprezentovány jako malé koule a vazby jako tyˇcinkyspojující tyto kuliˇcky. Velikosti kuliˇceka tyˇcinek se mohou lišit v závislosti na nastavení. Kalotový model (CPK, spacefill): CPK model je pojmenován po chemicích Robertu Co- reym, Linusi Paulingovi a Walteru Koltunovi. Model vyobrazuje pouze atomy jako velké koule bez propojení, jejichž velikosti atom ˚uodpovídají polovinˇevan der Waalsova polomˇeru. Tento polomˇerje roven vzdálenosti, na kterou se k atomu m ˚užepˇriblížitdruhý atom stejného prvku. OznaˇceníCPK se zároveˇnpoužívá i jako oznaˇcenípro barevné schéma [5]. Šedá barva pro uhlík, ˇcervenákyslík, bílá vodík, oranžová fosfor apod. Toto barevné schéma bylo použito na obrázku 2.1. 2 2. TEORETICKÁ CÁSTˇ (a) Ukázka drátového modelu (b) Ukázka tyˇcinkovéhomodelu (c) Ukázka modelu tyˇcinkya kuliˇcky (d) Ukázka kalotového modelu Obrázek 2.1: Ukázka model ˚umolekul 2.1.3 Grafické modely povrchu molekul Pˇrivizualizaci molekul je velmi d ˚uležitýmtématem vizualizace jejich povrchu. Povrch mo- lekuly lze vyjádˇritrovnˇežpomocí r ˚uznýchgrafických model ˚u.Nejˇcastˇejipoužívané modely povrchu molekuly jsou popsány níže: Van der Waals ˚uvpovrch [6]: Tento povrch (dále jen vdW povrch) je spojením sférických povrch ˚uatom ˚udefinovaných van der Waalsovým polomˇerem urˇcenýmpro každý atom mole- kuly. Obrázek 2.2: Ukázka vdW povrchu pro molekulu cilengitidu 3 2. TEORETICKÁ CÁSTˇ 3D izopovrch [7]: Znaˇcípovrch reprezentující