Potaov chemie 6 pednka vod 1 pednka Molekula

Počítačová chemie (6. přednáška) • Úvod (1. přednáška) • Molekula – Struktura molekuly (2. , 3. a 4. přednáška) – Geometrie molekuly (5. přednáška) – Vhled do praxe (6. přednáška) • Molekulové modelování – Molekulová mechanika (7. a 8. přednáška) – Kvantová mechanika (9. a 10. přednáška) – Molekulová dynamika (11. přednáška) – Vhled do praxe (12. přednáška)

Vhled do praxe • Struktura molekul • Geometrie molekul • Vyhledávání v chemických databázích

Struktura molekuly • Ke grafickému znázornění struktury molekuly slouží její strukturní vzorec. • Pro vytváření a vizualizaci strukturních vzorců molekuly lze využít: – klasické grafické programy – vektorové grafické programy, specializované na práci se strukturními vzorci: Chem. Window, ISIS, atd.

Struktura molekuly • Demo: – Ukázka programů Chem. Window, ISIS – Předvedení nakreslení TNT – Úkol: nakreslete si LSD, uložte jako MOL soubor

Geometrie molekuly -fyzické modely Historicky nejstarším grafickým znázorněním geometrie molekuly byl fyzický model dané molekuly. = konstrukce v níž byly vazby a atomy znázorněny fyzickými objekty (například dráty a kuličkami) a uspořádány v prostoru stejně jako v rámci molekuly (v odpovídajícím měřítku).

Geometrie molekuly - fyzické modely - historie Historie fyzických modelů: • 1958 Kendrew První fyzický model molekuly (myoglobin, měřítko 5 cm / Å , využit mosazný drát). • 1968 Richards Optický srovnávač, který zjednodušil tvorbu Kendrewových modelů. • konec 70 -tých let Rubin & Richardson Stroj pro ohýbání drátu do tvaru, odpovídajícího uspořádání hlavního řetězce proteinu.

Geometrie molekuly - fyzické modely - historie II • Poté, co se začaly v 60 -tých letech používat k vizualizaci molekul počítače, přestaly být fyzické modely v chemii využívány. Bylo totiž velmi netriviální je vytvořit, byly drahé, zabíraly velký prostor a bylo náročné je modifikovat. • V součastnosti se tyto modely využívají hlavně v následujících oblastech: – didaktika – umění

Geometrie molekuly - fyzické modely - historie III • Molekulové sochařství: 1973 Rubinova molekulová socha ruberdoxinu: • Další molekuloví sochaři: Meyer, Eward

Geometrie molekuly - počítačové znázornění • Cílem je znázornit 3 D strukturu ve 2 D rovině => třetí rozměr je nutno nějakým způsobem simulovat: – stínování – možnost rotace molekuly – stereovize

Geometrie molekuly - počítačové znázornění - historie • 1964 Levinthal Zobrazení rotujícího spojnicového modelu molekuly na obrazovce osciloskopu. • 1965 Richardsonovi Visualizace molekuly pouze pomocí počítače (bez fyzického modelu). Využili poznatky z rontgenové krystalografie. • 1977 Porter „Atlas struktur molekul“.

Geometrie molekuly - počítačové znázornění - historie II • 1980 Merchant Metodika TAMS (Teaching Aids for Macromolecular Structure), zobrazující molekulu pomocí stereo slidů: = dvojice slidů: • Na jednom je molekula v základní poloze. • Na druhém v poloze pootočené o jistý úhel (kolem 4°). Tím je simulováno klasické prostorové vidění = každé oko zaznamenává obraz z jiného úhlu a mozek z nich vytváří plastický obraz. Pro sledování stereo slidů jsou nezbytné speciální brýle, které odstiňují vliv okolí.

Geometrie molekuly - počítačové znázornění - historie III • 80 -tá léta Evans a Sutherland Vektorové počítače E & S Computers pro zpracovávání krystalografických dat. Využívaly vizualizační programový balík FRODO. • 1989 Richardsonovi Programový balík CHAOS pro E & S Computers (efektivnější než FRODO). • 1992 Richardsonovi Znázornění pohybu molekul pomocí kineimage (zkratka z kinetic image), neboli animace pohybu molekul. Pro práci s kineimages vytvořeny programy MAGE a PREKIN.

Geometrie molekuly - počítačové znázornění - historie III • 1992 Sayle Program Ras. Mol (zkratka ze slov Raster Molekule) - první vizualizační program, který se používal hromadněji (a používá se dodnes). • Součastnost: Velké množství programů pro práci s geometrií molekuly.

Geometrie molekuly - modely molekuly I Drátový model (wire-frame):

Geometrie molekuly - modely molekuly II Tyčinkový model (sticks):

Geometrie molekuly - modely molekuly III Tyčinky a kuličky (ball & sticks):

Geometrie molekuly - modely molekuly V Kalotový model (CPK, spacefill): Vyvinut Coreyem a Paulingem a poté vylepšen Kultunem. Atomy znázorněny jako koule, jejichž velikosti odpovídá (v příslušném měřítku) poloměrům* daných atomů. * Konkrétně van der Waalsovským poloměrům. Vdw poloměr je 1/2 vzdálenosti mezi dvojicí volných (=není mezi nimi vazba) atomů v krystalu.

Geometrie molekuly - programy pro práci s geometrií Využití programů: – vizualizace geometrie molekuly – měření geometrických charakteristik molekuly: délka vazby, vzdálenost 2 atomů v molekule, vazebný úhel, dihedrální úhel, RMSD, . . . – vytváření geometrie molekuly

Geometrie molekuly - programy pro práci s geometrií II Konkrétní programy a jejich vlastnosti:

Geometrie molekuly - formáty souborů s molekulami Existuje velmi mnoho formátů pro zápis geometrie molekuly. Některé obsahují i informace o vazbách. Nejpoužívanější formáty: PDB (formát, používaný v databázi proteinů PDB) MOL (formát používaný v databázích organických látek) Další formáty: Alchemy, Ball and Stick, Boogie, Cambridge CADPAC, Chem 3 D Cartesian 1, CSD CSSR, CSD GSTAT, Free Form Fractional, Gaussian Z-Matrix, Hyperchem HIN, Mac Molecule, Micro World, MM 2 Ouput, MMADS, MOLIN, Mopac Internal, PC Model, Quanta, Spartan Mol, Sybyl Mol 2, Maccs 2 d, Uni. Chem XYZ, XED, AMBER PREP, Biosym , Cacao Cartesian, CHARMm, Chem 3 D Cartesian 2, CSD FDAT, Feature, GAMESS Output, Gaussian Output, MDL Isis, Macromodel, MM 2 Input, MM 3, MDL MOLfile, Mopac Cartesian, Mopac Output, PDB, Shel. X, Spartan Semi. Empirical, Sybyl Mol, Conjure, Maccs 3 d, XYZ, Převod mezi formáty: BABEL, on-line demo: http: //demo. eyesopen. com/cgi-bin/convert

Geometrie molekuly • Demo: – Program Rasmol, molekula ala-pro-ala, ukázka modelů (drátový, tyčinky & kuličky, kalotový). – Program VMD a ala-pro-ala. – Program Rasmol, molekula chlorhydroxyethenu, změřit délku vazby, vazebný úhel a torzní úhel. – Měření RMSD pomocí VMD (ala-pro-ala) – Program Chem. Sketch, vytvořit molekulu, ukázat 3 D. – Uložit jako MDL, převod do PDB, ukázat 3 D v Rasmolu.

• Demo - úkol: Geometrie molekuly – ! strukturní vzorec LSD – Vyzkoušejte si vizualizovat molekulu LSD pomocí Rasmolu a VMD, vyzkoušejte si různé modely. – Pomocí programu 3 D Viewer změřte pro molekulu cis 2 butenu: Vzdálenost atomů 1 a 3; úhel atomů 1, 2 a 3; torzní úhel atomů 1, 2, 3 a 4. – Vytvořte si pomocí programu Chem. Scatch molekulu propanolu, optimalizujte si její 3 D strukturu a podívejte se na ní pomocí programu 3 D Viewer. – Uložte si tuto molekulu do MDL souboru, převeďte je (BABELem) do PDB souboru, podívejte se na něj v Rasmolu. – Navíc: RMSD pro 2 molekuly ala-pro-ala (podle souboru measure. txt)

Chemické databáze • Typy databází: – databáze anorganických látek – databáze biomolekul • proteiny • nukleové kyseliny

Chemické databáze - databáze anorganických a organických molekul • Obsahují nejčastěji následující informace: – 1 D data: bibliografické informace o molekule – 2 D data: struktura molekuly – 3 D data: geometrie molekuly – 3 D krystalografická data: způsob uspořádání molekuly v krystalu

Chemické databáze - databáze anorganických a organických molekul

Chemické databáze - databáze anorganických a organických molekul Příklady databází: – Databáze anorganických krystalových struktur ICSD: http: //icsd. ill. fr/icsd/index. html – Cambridgská strukturní databáze organických molekul: http: //www. ccdc. cam. ac. uk/search. html

Chemické databáze proteinů Protein = řetězec aminokyselin (existuje 20 základních aminokyselin):

Chemické databáze proteinů

Chemické databáze proteinů Struktura proteinu: • Primární: Popisuje jaké aminokyseliny tvoří protein. • Sekundární: Popisuje jakým způsobem jsou aminokyseliny spojeny pomocí vodíkových vazeb. Existují dva základní způsoby uspořádání aminokyselin pomocí vodíkových vazeb: struktura skládaného listu a dvojité šroubovice. • Terciální: Popisuje jak jsou řetězce aminokyselin organizovány v prostoru. • Kvartérní: Popisuje jakými podjednotkami je tvořen protein.

Chemické databáze - databáze proteinů Struktura skládaného listu:

Chemické databáze - databáze proteinů Struktura beta-šroubovice:

Poznámka: Geometrie proteinů - modely molekuly I Drátový model: Tyčinkový model:

Poznámka: Geometrie proteinů - modely molekuly II Tyčinky a kuličky: Kalotový model:

Poznámka: Geometrie proteinů - speciální modely molekuly Páskový model (ribbons): Používá se proteiny a nukleové kyseliny. Znázorňuje hlavní řetězec (kostru) molekuly pomocí pásku, ležícího v rovině řetzce.

Poznámka: Geometrie proteinů - speciální modely molekuly II Schématický model (cartoon): Používá se proteiny. Znázorňuje hlavní řetězec (kostru) molekuly pomocí následujícího schématu: – Části hlavního řetězce, mající strukturu dvoušroubovice listu, jsou znázorněny páskem. – Části hlavního řetězce, mající strukturu skládaného listu, jsou znázorněny páskem, zakončeným šipkou. – Ostatní části hlavního řetězce jsou znázorněny tyčkou.

Chemické databáze proteinů Existují následující typy databází proteinů: • Databáze primárních struktur: – Příklady: PIR, MIPS, Swiss. Prot, Te. EMBL, NRL-3 D • Komplexní databáze primárních struktur: – Spojují více primárních zdrojů, využívají specificku množinu vyhledávacích kritérií. (Například vyhledávání proteinů, obsahujících určitý strukturní vzor. ) – Příklady: NRDB, OWL, MIPSX, Swis. Prot+Tr. EMBL

Chemické databáze proteinů • Databáze sekundárních struktur: – Obsahují informace, odvozené z primárních sekvencí – Tyto informace jsou nejčastěji reprezentovány v abstraktní formě: regulární výrazy, bloky, speciální chemické struktury (např. fingerprints) – Příklady: PROSITE, PRINTS, BLOCKS, PROFILES, PFAM, IDENTITY • Komplexní databáze sekundárních struktur: – Analogicky jako komplexní databáze primárních struktur. – Příklad: Interpro

Chemické databáze proteinů • Databáze terciálních struktur (geometrií): – Obsahují prostorové souřadnice daného proteinu (nejčastěji ve formátu PDB) – Příklad: PDB (Protein Data Bank), PDBsum

Chemické databáze nukleových kyselin Nukleová kyselina - schéma:

Chemické databáze nukleových kyselin Nukleosid - základní jednotka nukleové kyseliny:

Chemické databáze nukleových kyselin Báze DNA: Báze RNA (místo T): Cukr DNA deoxyribosa: Cukr RNA ribosa:

Poznámka: Geometrie nukleových kyselin - modely molekuly I Drátový model: Tyčinkový model:

Poznámka: Geometrie nukleových kyselin - modely molekuly II Tyčinky a kuličky: Kalotový model: Páskový model:

Chemické databáze nukleových kyselin Existují následující typy databází nukleových kyselin: • Databáze primárních struktur: – Příklady: EMBL, DDBJ, Gen. Bank, db. EST • Speciální DNA databáze: – Obsahují druhově specifické DNA, nebo DNA, získané pouze určitým postupem – Příklady: SGD, Uni. Gene, TDB, ACe. DB

Chemické databáze - úkoly • Pomocí programu Rasmol si vizualizujte molekulu DNA a hemoglobinu a vyzkoušejte si použití různých modelů molekuly. • V databázi anorganických látek najděte informace o minerálu apatitu (anglicky apatite : -) http: //icsd. ill. fr/icsd/index. html • V databázi PIR najděte informace o proteinu albuminu. • V databázi PDB najděte informace o jedu mamby zelené (jed = venom : -). Stáhněte si soubor s geometrií proteinu (PDB soubor), tvořícího daný jed a prohlédněte si ho v nějakém vizualizačním programu. • V databázi DDBJ najděte libovolnou DNA začínající bazemi: CACCCTCTCTTCACTGGAAA a prohlédněte si její primární strukturu