پاورپوینت کاربرد رایانه در مدلسازی پروتئین ها 147 اسلاید , pptx

دسته بندي : علوم پایه » زیست شناسی
این پاورپوینت با موضوع کاربرد رایانه در مدلسازی پروتین ها در 147 اسلاید با عناوین زیر

مقدمه

ميدان نيرو

حداقل سازي (MM) يا بهينه سازي هندسي

شبيه سازي ديناميک مولکولي(MD)

کاربردها و چالش هاي شبيه سازي ديناميک مولکولي

آشنايي با برنامه گرومکس

شبيه سازي مونت کارلو(MC)

هومولوژي مدلينگ

آشنايي با روش هاي مدل سازي داکينگ(Docking)

مدل :

يک زير مجموعه يا زير سيستم از سيستم اصلي که ساده تر از سيستمي است که از آن الگو مي گيردو باعث درک بهتر از آن و پيشگويي خواص ورفتار آن سامانه مي شود.

مدل سازي مولکولي:

تقليد رفتار يک مولکول در غالب رياضي و فيزيک

شبيه سازی

(هم رفتاري يا هم کرداري):

در مطالعه پديده ها شرايطي (آزمايشگاهي يا رايانه اي) ايجاد مي کنيم که متناظر

با شرايط طبيعي است، باشدمثلا مطالعه زندگي پنگوئن ها در شهرکرد، برخلاف مدل سازي ، شبيه سازي مي تواند پيچيده تر

از سيستم مورد مطالعه باشد.

متناظر يعني نظير به نظير

متناظر : دما ، فشار، تعداد متغير ها ، ...

اطلاعات حاصل از شبيه سازي هم از لحاظ تحقيقاتي و هم از لحاظ صنعتي سودمند اند زيرا انجام آزمايش هاي تجربي در

آن شرايط شبيه سازي شده يا غير ممکن است يا هزينه بر است.

تعداد بسيار زيادي از پديده ها را از مقياس اتمي تا مقياس کهکشان مي توان با شبيه سازي مطالعه کرد.

براي شبيه سازي مولکولي سيستم مورد مطالعه ابتدا براي آن مدلي پيشنهاد مي کنيم و مشاهده پذير هاي آن انتخاب مي شود

سپس شبيه سازي انجام مي شود تا پيکر بندی های مختلف از يک سيستم يا مولکول را توليد مي کنيم و ويژگي هاي

ميکروسکوپي يک سامانه ( مثل جرم اتم ها ، برهم کنش هاي اتم ها ، ساختار هندسي مولکول و ... ) را به خواص

ماکروسکوپي سامانه ( مثل دما ، فشار ، حجم وانرژي دروني ...) ارتباط مي دهيم.

مراحل کلي يک شبيه سازي :

1- تعيين يا ساختن مدل
2- محاسبه مسير هاي مولکولي يا پيکر بندي هاي مختلف از مولکول
3- تجزيه و تحليل مسير ها و محاسبه خواص ترموديناميکي

انواع شبيه سازي ها از نظر قطعيت :

تعین تصادفی ديناميک مولکولي
ديناميک لانژويني
ديناميک براواني
مونت کارلوي نيروي جهت يافته
مونت کارلوي متروپوليس

چند تا از اهداف مهم مدلسازي پروتئين ها
- پرکردن شکاف بين بانک اطلاعاتي ترادف و بانک اطلاعاتي

ساختار سه بعدي پروتئين ها
- پيدا کردن ساختار سه بعدي پروتئين هايي که براي کريستالوگرافي اشعه ايکس يا رزنانس مغناطيسي هسته خيلي بزرگ هستند

- پيشگويي ساختار سه بعدي پروتئين ها با همان دقت روشهاي تجربي
-بدست آوردن نقطه ذوب يک پروتئين و بررسي پايداري در اثر تغييرات داخلي يا خارجي و ....
-درک علت رخ دادن پديده هاي زيستي و بيوشيميايي و پيشگويي
-خواص و عملکرد آن در اثر هر تغيير دلخواه - طراحي داروهاي جديد با کارايي و سرعت بيشترو هزينه کمتر

مزاياي روشهاي محاسباتي و مدلسازي:

- نظر منفي روشهاي محاسباتي قاطع است.

نظر مثبت روشهاي محاسباتي به معني شايد است!

- اين روشها سريع ترين و کم هزينه ترين روشها نسبت به ساير روشها مي باشند.

شيمي محاسباتي :

استفاده از روشهاي رياضي، آماري، محاسبات عددي و رايانه‌اي در حل معادلات تعادلي و معادلات حركتي مربوط به پديده‌هاي فيزيكي و شيميايي

ابزار شيمی محاسباتی را مي توان به چهار دسته کلی تقسيم کرد که عبارتند از :

1- روشهای مکانيک مولکولی (MM) :

فقط هسته اتم ها را در نظر مي گيريم و هدفمان پيدا کردن صورتبندي است که کمترين انرژي پتانسيل را دارد مثلا به کمک برنامه Hyperche

2- روش مونت کارلو(MC):

انتخاب محتملترين توزيع ها از بين توزيع کاتوره اي ذرات در فضا

3-روشهای ديناميک مولکولی (MD)

فقط هسته اتم ها را در نظر مي گيريم و هدف بررسی تغييرات هندسه سيستم در طول زمان و بر اساس مکانيک کلاسيک وحل عددی قانون دوم نيوتن می باشد.

4- روشهای ساختار الکترونی: هر دوي الکترون ها و هسته اتم ها در نظر مي گيريم به بررسی توزيع الکترونها را در يک مولکول می پردازد و متکی بر حل معادله شرودينگر است و سه بخش آن عبارتند از :

روشهای از آغاز (ab inititio)،

روشهای نيمه تجربی((Semiemperical و نظريه تابعيتي چگالی Density function theory))

مثلا به کمک برنامه گوسين يا برنامه Games يا برنامه Orca يا ...

5- روشهای هيبريدی مکانيک مولکولی-کوانتوم مکانيک(Molecular Mechanic- Quntum Mechanic )

مدل براي مولکول:

از گلوله ( اتم) و فنر( پيوند) تشکيل شده است

با کشيدن و جمع شدن پيوند ها انرژي پتانسيل مولکول تغيير مي کند

پيوند هاي مولکول هميشه در حال ارتعاش هستند بنابراين مولکول هميشه داراي انرژي پتانسيل و جنبشي مي باشد

( انرژي نقطه صفر ZPE= انرژي جنبشي مولکول در اثر ارتعاش پيوند ها در صفر کلوين )

- مولکولها در حالت طبيعي طول پيوندها و يا فاصله اتم ها را از هم طوري تعيين مي کنند که مولکول در کمترين انرژي

پتانسيل قرار بگيرد ، البته مولکول هاي واقعي بعلت ارتعاش دائمي پيوند ها در کمترين انرژي پتانسيل قرار نمي گيرند بلکه

در نزديکي آن قرار مي گيرند و شماري از تراز هاي انرژي را اشغال مي کنند.

با تغيير همزمان همه پيوند ها در يک مولکول يک سطح چند بعدي بدست مي آيد که به آن سطح انرژي پتانسيل مي گويند

ميدان نيرو(Force field):

عبارت رياضي براي انواع بر هم کنش هاي موجود در يک سامانه که ميدان نيروسنگ بناي شبيه سازی رايانه اي است..

تابع پتانسيل را به چند قسمت مي توان تقسيم کرد:

پتانسيل هاي پيوندي
پتانسيل هاي غير پيوندي
پتانسيل هاي ترکيبي
پتانسيل هاي ويژه

پتانسيل کشش پيوند:

تابعي از طول پيوند و ثابت پيوند مي باشد

- پتانسيل هامونيک يا هماهنگ يا هوک

پتانسيل خمش زوايا:

بستگي به زاويه بين دو اتم دارد و بر اساس قانون هوک است

زوايه چرخشي يا ديهدرال :

زاويه بين صفحه ABC و صفحه BCD يا زاويه حاصل از چرخش پيوند کووالانسی BC که تعيين کننده ساختار پروتئين ها (صورتبندی يا کونفورماسيون )

پتانسيل هاي ترکيبي

از ترکيب دو نوع پتانسيل پيوندي بوجود مي آيد ، مثل کشش – کشش، کشش-خمش، کشش- پيچش و .. در بعضي از ميدانهاي نيرو از جمله هاي ترکيبي نيز استفاده مي کنند

روش محاسبه بار (q) يک اسيد آمينه يا يک پروتئين

بار يک اسيد آمينه = محيط Pka-pH

pH ايزوالکتريک يک اسيد آمينه =

pH ايزو الکتريک يک پروتئين (PI) :

pH ای که بار پروتئين در آن صفر می شود و رسوب می کند و در ميدان الکنريکی متوقف می شود

pH بهينه يک پروتئين 

pH ای که در آن رزيدو های اکتيو سايت و رزيدو های سطح پروتئين بار مناسبی دارندو آنزيم حداکثر فعاليت خود را دارا می باشد

مزاج غذا ها ، طبع انسان ، الکالوز ، اسيدروز

محاسبه ثابت دی الکتريک موثر محيط:

محاسبه جهش در يکی از رزيدو های کليدی اکتيو سايت :

تغيير pH بهينه عملکرد پروتئين :

محاسبه پتانسيل الکتريکي القاء شده توسط جهش : محاسبه ثابت دی الکتريک موثر محيط

هنگرد هاي ترموديناميکي:

تمام خواص ترموديناميکي يک سامانه تابع موقعيت اتم هاي آن و اندازه حرکت( سرعت) اتم هاي آن مولکول مي باشد

فضاي فاز : فضاي چند بعدي که هر نقطه از آن يک موقعيت و سرعت خاص براي يکي از اتم هاي سامانه مي باشد.

براي يک سامانه N اتمي فضاي فاز N6 بعدي است. در ديناميک مولکولي از فضاي فاز نمونه برداري مي کنيم.

هنگردهاي آماري متداول:

کانوني کوچک ( بندادي) طا کانونيکال: NVE

2- کانوني: NVT
3- هم دما –هم فشار : NPT
4- کانوني بزرگ :