Laboratorio di Simulazione Atomistica e Fluidodinamica dinamica molecolare classica Mauro Chinappi Center for Life Nano Science@Sapienza Istituto Italiano di Tecnologia … per lavorare meglio ● Scaricare i software NAMD e VMD sui vostri computer Provare VMD e NAMD seguendo i tutorial presenti sul sito (con VMD è facile, con NAMD potrebbe essere un po' complesso). Basta anche solo l'inizio di un tutorial, serve solo sapere se funzionano. ● Mauro Chinappi Dinamica molecolare classica (in pillole) Ogni singolo atomo è modellato come un punto materiale di massa m e carica q Su ogni atomo agisce una forza (conservativa) dipendente dalle posizioni degli altri atomi Posizioni e velocità degli atomi sono ottenute integrando le equazioni di Hamilton Inoltre Possibilità accoppiamento sistema con bagno termico o pistone ● Condizioni periodiche al bordo ● Possibilità di aggiungere forse esterne (anche non conservative) ● Mauro Chinappi Struttura generale di un codice MD Configurazione iniziale Modello (potenziale di interazione) Istruzioni varie Mauro Chinappi Osservabili A(t) = A(p(t),q(t)) Integrazione equazioni moto Configurazioni (p(t), q(t)) Altre info Integrazione: termostati e barostati Eq. Hamilton integrate con algoritmo di Verlet NVE (Hamilton) NVT (termostato) NPT (barostato) Mauro Chinappi Modifica evoluzione velocità 2 mv T =∑i =1 3 N kb N Modifica N N 1 1 evoluzione P= NkT − r f ∑ ∑ posizioni ij ij V 3 kT i=1 j=i1 (e velocità) [ ] Struttura generale di un codice MD Configurazione iniziale Modello (potenziale di interazione) Istruzioni varie Mauro Chinappi Osservabili A(t) = A(p(t),q(t)) Integrazione equazioni moto Configurazioni (p(t), q(t)) Altre info Potenziali di interazione Forze incluse nei modelli di interazione per MD classica ● Dispersione (dipolo-indotto dipolo-indotto) ● Volume escluso ● Elettrostatica ● Legami covalenti Mauro Chinappi } Lennard-Jones Periodicità, raggio di cut-off e minima immagine Mauro Chinappi Potenziali di interazione Forze incluse nei modelli di interazione atomistica per MD classica ● Dispersione (dipolo-indotto dipolo-indotto) ● Volume escluso ● Elettrostatica ● Legami covalenti Mauro Chinappi Problema periodicità (somme di Ewald) Potenziali di interazione Forze incluse nei modelli di interazione per MD classica ● Dispersione (dipolo-indotto dipolo-indotto) ● Volume escluso ● Elettrostatica ● Legami covalenti Vincoli o potenziali armonici? Mauro Chinappi Potenziali di interazione LJ + elettrostatica Mauro Chinappi Qualche domanda (… a cui dovreste saper rispondere) Quanti atomi ha (più o meno) una piccola proteina globulare ? ● I famosi legami idrofobi, dove sono nella MD? ● Quante molecole di acqua ci sono in un cubo di 4 nanometri di lato? ● Fornire degli argomenti (convincenti) del fatto nei liquidi esistono forze attrattive tra le molecole ● Mauro Chinappi Suggerimenti Scirvere un paio di programmini FORTRAN (programma_1, scrivo dei dati in un file, programma_2 li leggo e calcolo la media etc.) ● Usare gnuplot per visualizzare i dati generati dal programma_1 ● Tutorial di VMD (è anche abbastanza divertente) ● Ripasso unità di misura (Angstrom, picosecondo) ed “equivalenze” (Angstrom/ps = ??? m/s) ● Mauro Chinappi Lab. di simulazione atomistica e fluidodinamica ? Mauro Chinappi NAMD e VMD NAnoscale Molecular Dynamics ● University of Illinois at Urbana-Champaign ● http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ ● Altri codici per MD classica ● GROMACS LAMMPS ●DL_POLY (DL_PROTEINS e simili) ●AMBER ● Mauro Chinappi Struttura generale di un codice MD Configuarazione iniziale Modello (potenziale di interazione) Istruzioni varie Mauro Chinappi Osservabili A(p,q) Integrazione Configurazioni (p(t), q(t)) Altre info NAMD I/O (base) Standard output File .pdb File .psf (e par) File .conf Mauro Chinappi Integrazione (NVE, Vari NVT, Vari NPT, etc ) .dcd Altre info .pdb (configurazione iniziale) http://www.rcsb.org/ ATOM 1 N LYS A 1 14.189 28.577 49.986 1.00 59.37 N ATOM 2 CA LYS A 1 14.427 27.969 48.643 1.00 60.26 C ATOM 3 C LYS A 1 14.388 26.456 48.756 1.00 60.10 C ATOM 4 O LYS A 1 14.139 25.752 47.779 1.00 60.59 O ATOM 5 CB LYS A 1 13.396 28.459 47.636 1.00 60.34 C Mauro Chinappi .psf (configurazione iniziale) 6682 !NATOM 1 U 1 MET N NH3 0.300000 14.0070 0 2 U 1 MET HT1 HC 0.330000 1.0080 0 3 U 1 MET HT2 HC 0.330000 1.0080 0 4 U 1 MET HT3 HC 0.330000 1.0080 0 5 U 1 MET CA CT1 0.210000 12.0110 0 6 U 1 MET HA HB 0.100000 1.0080 0 ... NOTA ● ● Per generare un psf a partire da un pdb è necessario usare uno strumento esterno (psfgen) che è incluso in VMD. In generale la creazione dei file con la configurazione iniziale e del campo di forza del sistema è un aspetto non banale. Mauro Chinappi .conf Informazioni minime Percorso file pdb e psf (configurazione iniziale e potenziale di interazione) ● Nomi file output ● Raggio di cutoff e altri parametri per Lennard Jones ● Parametri per integrazione elettrostatica ● Altre info Termostati/ barostati ● Minimizzazione ● Etc etc ... ● Mauro Chinappi Suggerimenti Scaricare i software NAMD e VMD sui vostri computer ● Provare VMD e NAMD seguendo i tutorial presenti sul sito (con VMD è facile, con NAMD potrebbe essere un po' complesso). Basta anche solo l'inizio di un tutorial, serve solo sapere se funzionano. ● http://www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/ ● Mauro Chinappi Lab. di simulazione atomistica e fluidodinamica ? Mauro Chinappi
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