numberline 1Cargando una molécula.5figure.1 K [1][-]section.3Uso B41sico de VMDK [1][-]section.3Uso B41sico de VMD Universidad Andrés Bello Facultad de Ciencias Biológicas Center for Bionformatics & Integrative Biology Chile
Introducción al uso de:
Visual Molecular Dynamics
Romina V. Sepúlveda Daniel Aguayo V. 2015
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INTRODUCCIÓN AL PRÁCTICO
1.
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Introducción al práctico
Este práctico introduce al estudiante al uso y análisis de proteínas en VMD. En este documento se otorgarán datos anexos y preguntas para profundizar la información. Si existen dudas al respecto o hay errores, por favor avisar a los profesores del curso. Dependemos de ti para mejorar este tutorial.
Visual Molecular Dynamics. VMD es un programa de visualización y análisis de moléculas desarrollado por el Theorical and Computational Biophysics Group de la Universidad de Illinois UrbanaChampaign.
1.1.
Programas Requeridos
El siguiente programa será requerido en este práctico VMD: Disponible
en http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ (para todas las plataformas) Programa de graficación matemática: Será necesario utilizar progra-
mas para graficar las salidas de VMD. VMD tiene un programa básico incorporado. Algunos ejemplos de otros programas son: Unix/Linux: xmgrace, http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/ • Windows: Excel, http://office.microsoft.com/en-us/FX010858001033.aspx (Pago) • Mac/Multiples Platformas: Mathematica, http://www.wolfram.com/ (Pago); gnuplot, http://www.gnuplot.info/(Descarga gratuita) •
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2.
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FORMATO PDB
Formato PDB
Antes de empezar el tutorial, revisaremos un archivo .pdb Descargar estructura en Protein Data Bank Entre
al siguiente link
http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=2HMI
Abrir el archivo con un editor de texto (Ej: Wordpad) La primera parte del archivo comienza con REMARK, esta zona muestra información sobre la obtención de la estructura. VMD toma esta información como comentarios y no la considera en la visualización. Luego sigue la descripción de la estructura secundaria de la proteína, determina los residuos de inicio y termino de cada elemento de estructura secundaria (SHEET o HELIX). A continuación busque la linea donde empieza por ATOM
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FORMATO PDB
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El registro ATOM presenta las coordenadas atómicas para aminoácidos y nucleotidos. También presenta la ocupacia y el factor de temperatura por cada átomo. Otras moléculas químicas son descritas con el nombre HETATM. Esta parte esta dividida por columnas de un espacio. Columnas de 1-6 es el nombre del tipo de registro ATOM Columnas de 7-11 es el numero serial (identificador único) de cada átomo Columnas de 13-16 es el nombre del átomo Columnas de 18-20 Nombre de residuo Columnas de 22 identificador de la cadena Columnas de 23-26 Número de la secuencia del residuo Columnas de 31-38 coordenada en X Columnas de 39-46 coordenada en Y Columnas de 47-54 coordenada en Z Columnas de 55-60 ocupancia Columnas de 61-66 factor de temperatura (beta factor) ¿Qué indica el valor de ocupancia y factor de temperatura?. Genere un pequeño PDB con cinco átomos con coordenadas al azar. Visualice en VMD.
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USO BÁSICO DE VMD
3.
Uso Básico de VMD
Este práctico introduce al estudiante al uso del programa VMD. A lo largo del texto se entregará material complementario en forma de “cuadros” independientes, los que incluyen información y preguntas de distintos aspectos como importancia biológica, parámetros a profundizar y atajos para VMD. En esta unidad utilizaremos VMD para visualizar y analizar la estructura de un modelo, el cuál servirá en el resto de este practico. Transcriptas reversa de VIH. La transcriptasa reversa crea una copia del ADN proveniente del genoma de ARN de VIH. Esta proteína es un objetivo clave en el desarrollo de drogas contra el SIDA. Esta estructura de código 2HMI, incluye un pequeño segmento de ADN en su sitio activo.
1 Para
iniciar VMD haga doble-click en el icono de la aplicación de VMD en el escritorio, o haga click en el menu Inicio → Programas → VMD .
Visualizando una proteína
Para iniciar se deben cargar las coordenadas de los distintos átomos de la proteina, las cuales se pueden obtener desde distintas fuentes como el protein data bank en el caso de proteínas o directamente con VMD. 2 Elija el lecule...
menú File → New MoFig. 1 en la ventana VMD Main. Aparecerá otra ventana Molecule File Browser, la que permite elegir los archivos dentro de los directorios disponibles.
3 Use el botón Browse...New Molecule... para descargar automaticamente la estructura 2HMI.pdb .
Note que luego de seleccionar este archivo se encuentra nuevamente en la ventana Molecule File Browser. Para cargar el archivo, presione el botón Load. 4
Observe la molécula utilizando ventana OpenGL Display y el ratón.
Figura 1: Cargando una molécula.
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USO BÁSICO DE VMD
5 Para
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volver a la visualización inicial presione Display → Reset View Diferentes puntos de observación. El sistema se visualiza en la ventana OpenGL Display. Utilice el ratón para rotar; para escalar la representación utilice el tercer botón del ratón o haga click la tecla “S” en el teclado y luego mueva el cursor en la ventana OpenGL Display. Para volver a rotar haga click en la tecla “R” en el teclado. Para mover todo el sistema, utilice la tecla “T”.
6 En
el menú Menu → Graphics elija Representations. Se abrirá la ventana Graphical Representations, en ella se destaca la representación que se está utilizando (activa) para el sistema.(Figura 3)
La viñeta Draw Style de la ventana Graphical Representations elija, esta permite cambiar el estilo de visualización de cada representación creada a través del menú Drawing Method. El método o estilo predeterminado es Lines , que muestra en forma de lineas los enlaces entre átomos. 7 Cada
método de dibujo tiene sus propios parámetros. Por ejemplo, modifique el campo Thickness para aumentar el ancho de la lineas que representan los enlaces atómicos.
8 Cambie
el método de dibujo a VDW (van der Waals). Cada átomo es ahora representado como Figura 2: Ventana Graphical Represenuna esfera, esto permite visualizar tations la forma y el volumen de la proteína. Elija ahora el método de dibujo New Cartoon.
El método New Cartoon permite visualizar de forma simplificada la estructura secundaria de su proteína. Las hélices se visualizan en forma de espiral, láminas β en forma de flechas y las otras estructuras en forma de un tubo delgado. Este método es el de mayor uso en representaciones de sistemas proteicos
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USO BÁSICO DE VMD
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Otros métodos de dibujo. CPK y Licorice son métodos de dibujo que permiten observar estructuras con facilidad. La primera emula los sistemas de b olas de radio variable y tubos utilizados en química para visualizar moléculas, mientras que la segunda representa los átomos como esferas de radio fijo que no puede ser modificado.
9 En
el menú Coloring Method es posible elegir el color de la representación. Diferentes estilos se encuentran disponibles, por ejemplo: Nombre, tipo de átomo, nombre del residuo, estructura, etc. Coloree la representación usando la información de estructura secundaria.
10 Explore
3.1.
el programa VMD libremente, luego cierre y reinicie VMD
Guardando imágenes
La imagen visualizada puede ser almacenada en archivo de imágenes (ver más adelante). Además, las representaciones creadas pueden ser almacenadas utilizando un archivo de estado de VMD. El archivo de estado contiene la información necesaria para reiniciar las sesiones de VMD sin perder el trabajo realizado. 1
VMD puede generar un archivo de imagen que puede ser utilizado en otros programas. Elija el menú File → Render.... Se abrirá una ventana llamada File Render Controls. Puede utilizar distintos métodos para generar la imagen, seleccione Snapshot el cual toma una imagen de su pantalla. Escriba el nombre del archivo a generar en el campo de texto Filename , i.e., en windows guarde la imagen como imagen.bmp
2 Presione
el botón Start Rendering y se generará el archivo con la imagen que aparece en la ventana OpenGl. Esto puede tardar algún tiempo dependiendo de las capacidades del computador utilizado. Al finalizar, el archivo se encuentra en el directorio seleccionado o en el directorio de trabajo.
3.2.
Trabajando con representaciones
3 ¿Que
selección debe utilizar para visualizar la proteína sin hélices ni láminas β ? Agregue una imagen para cada tipo de estructura secundaria escriba en Selected Atoms : (not helix) and (not betasheet).
Con el ratón se pueden crear y seleccionar diferentes representaciones. Además, estas pueden activar o desactivar haciendo doble-click sobre ellas o ser borradas utilizando el botón Delete Rep button, etc. 4 Identifique
la selección de átomos que representa solo aquellos de una proteína, luego desactívela haciendo doble click sobre la representación.
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USO BÁSICO DE VMD
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La entrada de texto “Selected Atoms” de la ventana Graphical Representations permite acotar los átomos que se están visualizando. Reemplace la palabra all por protein y presione Apply ( o presione Enter en el teclado), lo cual debe realizar cada vez que modifica un campo en la ventana Graphical Representations (fig 3.
2 En
la ventana Graphical Representations elija la viñeta Selections. En la sección Singlewords se encuentran los diferentes campos por los cuales se pueden realizar selecciones rápidas. Seleccione “beta” en el campo de texto para seleccionar solo los átomos de la proteína que se encuentran formando láminas β . Figura 3: Ventana Graphical Representations
5 Para
ver el complejo HIV-RT/DNA active la representación en que se encuentra seleccionada la proteina.
6 Cree
una nueva representación, sin borrar la existente, para esto utilice el botón Create Rep.
En la viñeta Selections en el campo Keywords es posible ver distintas palabras claves que sirven para seleccionar átomos. Inspeccione en Keywords los nombres de las moleculas que componen el sistema. Para este caso, se muestran los nombres de los residuos aminoacídicos de la proteína y un residuo de nombre DC DT DG DA. que tipo de molécula los residuos resname DA DC DT DG¿. ¿Cómo podría identificar la secuencia?
9 ¿A
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USO BÁSICO DE VMD
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Cree una nueva representación, para esto utilice el botón Create Rep
8 Al crear una nueva representación
se copian los valores de la selección anterior. Para seleccionar un residuo de nombre conocido, por ejemplo el residuo de nombre DA DC DT DG, utilizaremos la palabra clave “ resname ” seguida del nombre del residuo como aparece en el archivo PDB, para ello escriba “ resname DA DC DT DG ” en el campo “ Selected Atoms ”. Para una mejor representación cambie el método de dibujo por licorice y coloree la representación por nombre de átomo.
Figura 4: DNA RT-HIV
10 Para
observar los residuos de la proteína que se encuentran cercanos al residuo DA DC DT DG se utiliza una selección de mayor complejidad. Cree una nueva representación y escriba la siguiente selección para los átomos que están a 4 Å de distancia de la molécula de DNA: protein and within 4 of (resname DA DC DT DG) . Utilice el método de dibujo CPK y coloree por nombre del residuo.
En la ventana OpenGl se observan átomos de distintos colores, sin embargo, es de mayor utilidad seleccionar los residuos que tienen átomos que cumplen una condición. 11
Reemplace la selección anterior por: protein 4 of (resname DA DC DT DG)) .
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Utilice el ratón para orientar la visualización. Para volver a la visualización inicial presione Display → Reset View .
and (same residue as within
Operadores lógicos. Habitualmente utilizamos los operadores booleanos “Y”, “O” y “NO”. El primer es un operador “incluyente”, el segundo de “exclusión”, mientras que el tercer operador es considerado de “reunión” o suma lógica. Podemos ver la diferencia entre ellos observando la cantidad de átomos de selecciones que las incluyan como: “protein or x>0”], “protein and x>0”] y “protein and not x>0”].
¿Cuales son los parámetros necesarios para que se formen? tiene alguna relación la formación de puentes de hidrógeno con la estructuras observadas?.
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USO BÁSICO DE VMD
12 Para
observar los residuos de la proteína que se encuentran cercanos al residuo DA DC DT DG se utiliza una selección de mayor complejidad. Active las representaciones que muestran a Biotina, avidina y aquellos residuos que tienen átomos a 4 Å de distancia entre ellos. El resultado debe asemejar a la figura 5
Figura 5: Representación Final 14
Los puentes de hidrógeno entre las moléculas del complejo se pueden visualizar utilizando el método Hbond en la ventana de representaciones. Active la representación de puentes de hidrógeno y aumente el tamaño de linea a 3. Los puentes de hidrógeno se visualizan como lineas de color amarillo.
15 Cree una representación para la proteína. Utilice el método de dibujo New Cartoon coloreando la estructura por estructura secundaria. 16 Cree una representación para el ligando. Utilice el rice coloreando la estructura por nombre de átomo. 17
método de dibujo Lico-
Para reconocer un residuo específico es posible utilizar el ratón y la ventana OpenGl para conocer su identificador. Para ello en la ventana VMD Main, elija el menú Mouse → Query y haga click sobre un átomo de interés. Al hacerlo, aparecerá en pantalla información básica del átomo seleccionado. Para obtener mayor información en la ventana VMD Main elija el menú Graphics → Label, que abrirá una ventana con la descripción del átomo seleccionado.
18 Seleccionando en la ventana VMD Main el menú Mouse → Labels
→
Bond
es posible conocer la distancia entre dos átomos de interés. Al hacerlo, aparecerá en la ventana Label bajo la etiqueta Bonds → value la distancia entre los átomos seleccionados en la configuración actual. Usando lo aprendido, genere una imagen que muestre el sistema destacando el extremo amino y carboxilo terminal.
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CONSOLA TK
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¿Cuales aminoácidos son los que interactúan con el segmento de ADN? (a menos de 4Å) ¿Cual es la secuencia de la secuencia de ADN? TIP: Main...Analysis...Sequence Viewer...
¿Cuantas cadenas posee la proteína? ¿Cuantos átomos posee toda la estructura? ¿Cuantos aminoácidos tiene cada cadena? Esta proteína se encuentra cristalizada unida a un anticuerpo. Identifique cual cadena cadena es el anticuerpo.
4.
Consola TK
VMD provee que lenguajes de programación (Python y Tcl) para que el usuario pueda crear sus propias herramientas. La interfaz que provee VMD para realizar códigos se encuentra en VMD Main → Extensions → Tk console Ud. puede manipular la estructura a través de lineas de comandos.
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CONSOLA TK
Figura 6: Comandos en Tcl mas usados en VMD
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