Model HP: Różnice pomiędzy wersjami
| (Nie pokazano 7 pośrednich wersji utworzonych przez tego samego użytkownika) | |||
| Linia 99: | Linia 99: | ||
Po zakończeniu symulacji średnia ''A'' w temperaturze <math> T_i </math> może zostać oszacowana wzorem: | Po zakończeniu symulacji średnia ''A'' w temperaturze <math> T_i </math> może zostać oszacowana wzorem: | ||
: <math> \langle A \rangle \approx \frac{1}{M} \sum_{i=1}^{M} A( \mathbf x_i ) </math> | : <math> \langle A \rangle \approx \frac{1}{M} \sum_{i=1}^{M} A( \mathbf x_i ) </math> | ||
== Symulacje planowane na ćwiczeniach == | |||
Celem ćwiczeń jest zaimplementowanie modelu HP (domyślnie w języku ''Java'') i sprawdzenie wyników przedstawionych w publikacji K. A. Dilla z 1995 roku. | |||
W pierwszym etapie przeprowadzimy symulowane wyżarzania modeli dwuwymiarowych trzech polimerów o sekwencjach: | |||
*''' PHPPHPPHHPPHHPPHPPHP''' | |||
* HPPHPPHPHPPHPHPHHH | |||
* HPPPHHPPHPHHPHHH | |||
'''(na ostatnich ćwiczeniach zawęziłem symulacje obowiązujące na 25. marca do jednej sekwencji, pierwszej na powyższej liście)'''. | |||
W przypadku każdego peptydu temperaturą początkową będzie <math> T_{max} =1</math>, a temperaturą końcową <math>T_{min} =0.1 </math>. Temperatura będzie w trakcie symulacji maleć o czynnik <math> \delta=0.05 </math>. Po przeprowadzeniu <math> x=10000 </math> transformacji (dokonując akceptacji/odrzuceń wygenerowanych konformacji) w danej temperaturze <math> T </math>, przeprowadzamy kolejnych <math> x </math> kroków w temperaturze <math> T - \delta </math> i tak dalej, aż do osiągnięcia <math> T_{min} </math>. | |||
W każdej temperaturze wygenerujemy <math> m(T) < x </math> konformacji, które akceptować będziemy na drodze algorytmu Metropolisa i dla każdej takiej próby możemy wyznaczyć ciepło właściwe układu <math> C_v </math>, średni moment bezwładności <math> I </math> oraz histogram wystąpień stanów w zależności od liczby kontaktów. | |||
'''(z ostatnich ćwiczeń: na 25. marca proszę wykonać wykres Cv(T) oraz histogramy dla poszczególnych temperatur. Załączone rysunki przedstawiają czego spodziewać się można po wynikach).''' | |||
[[Image:Cv.png|thumb|upright|300px|Ciepło właściwe w funkcji temperatury, uzyskane w symulowanym wyżarzaniu.]] | |||
[[Image:HistogramT0_3.png|thumb|upleft|300px|Histogram wystąpień stanów w zależności od liczby kontaktów.]] | |||
[[Image:MeanI.jpg|thumb|upleft|300px|Średni moment bezwładności w funkcji temperatury.]] | |||
Ciepło właściwe wyraża się wzorem: | |||
: <math> C_V (T) = \frac{\langle E(T)^2 \rangle - \langle E(T) \rangle ^2 }{k T^2} </math> | |||
Warto zauważyć, że w <math> C_V </math> jest proporcjonalne do wariancji energii i można ją interpretować jako "miarę rozrzutu energii" stanów, jakie osiąga układ w danej temperaturze. | |||
Moment bezwładności definiujemy następująco: | |||
: <math> I = \sum_{i=1}^{n} (\mathbf s_i - \mathbf s_0)^2 </math> | |||
gdzie <math> s_0 </math> jest środkiem ciężkości, a ''n'' liczbą aminokwasów w strukturze. Natywna struktura większości białek jest globularna. Można więc przyjąć, że moment bezwładności jest dobrym przybliżeniem "stopnia zwinięcia białka". | |||
=== Model HP "na piątkę" === | |||
Na ocenę bardzo dobrą z tej części ćwiczeń należy przeprowadzić dodatkowo (poza symulacją na zaliczenie, na 25. marca) dwie symulacje, dla białek o sekwencjach: | |||
* HPPPHHPPHPHHHHHH | |||
* HPPPHHPPHPHHPHHH | |||
które różnią się sekwencyjnie tylko na jednej pozycji (praca Dilla, str. 20). Specyfikacje symulacji są te same, co poprzednio. Należy wykonać analogiczne histogramy wystąpień kontaktów, wykresy <math> Cv(T) </math> oraz - analogiczny do wykresu <math> Cv </math> - wykres <math> \langle I(T) \rangle </math>. | |||
Czy różnica sekwencyjna na jednej pozycji powoduje zmianę minimalnej wartości energii dla tych dwóch białek? Czy obydwa białka "zwijają się" do minimum energii? A jak nie - to do minimum jakiego potencjału? | |||
== Linki zewnętrzne == | == Linki zewnętrzne == | ||
| Linia 107: | Linia 139: | ||
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Partition_function_%28statistical_mechanics%29 Suma statystyczna (funkcja podziału) w Wikipedii] | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Partition_function_%28statistical_mechanics%29 Suma statystyczna (funkcja podziału) w Wikipedii] | ||
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Metropolis_algorithm Algorytm Metropolisa] | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Metropolis_algorithm Algorytm Metropolisa] | ||
* [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2143098/ Praca K. A. Dilla z 1995 roku] | |||
* [http://www.pymol.org/ Strona WWW projektu PyMOL] | * [http://www.pymol.org/ Strona WWW projektu PyMOL] | ||
Aktualna wersja z 22 mar 2011, 00:08
Model HP
Model HP (hydrophobic-polar protein folding model) to model polimeru wykorzystywany w badaniach nad ogólnymi zasadami rządzącymi procesem zwijania białek. Badania tego typu w przypadku modeli pełnoatomowych wiążą się ze znacznymi kosztami obliczeniowymi, podczas gdy w modelu HP, ze względu na uproszczoną charakterystykę układu, możliwe jest przeprowadzenie krótkiej symulacji (trwającej od kilku minut do kilku godzin), w trakcie której układ jest w stanie osiągnąć wszystkie możliwe mikrostany [1].
Wstęp



Idea modelu HP opiera się na obserwacji, iż kluczową rolę w procesie zwijania białek pełni efekt hydrofobowy (w tym kontekście spotkać się można z terminem: "oddziaływania hydrofobowe"). W podstawowym modelu HP polimer zbudowny jest z monomerów H (hydrofobowych) oraz P (polarnych), przy czym wkład do energii pochodzi jedynie od H. Można więc myśleć o modelu HP jak o modelu białka, w którym alfabet aminokwasów ograniczony został do zbioru {H,P}. Aminokwasy znajdują się w węzłach sieci kwadratowej (square lattice) w przypadku modelu dwuwymiarowego (2D), bądź w węzłach sieci sześciennej (cubic lattice) w przypadku modelu trójwymiarowego (3D). Dwa aminokwasy nie mogą znajdować się w tym samym węźle. Natomiast jeśli dwa aminokwasy połączone są wiązaniem (przez analogię do wiązania peptydowego między aminokwasami w białkach), to muszą się one znajdować w sąsiednich węzłach. Mikrostan układu można określić poprzez: sekwencję peptydu oraz współrzędne poszczególnych aminokwasów.
Ewolucję układu w modelu HP zadaje zestaw dozwolonych transformacji struktury oraz rozkład prawdopodobieństwa przejść między mikrostanami. Przykładem dozwolonej transformacji może być obrót części białka o pewien kąt wokół wybranego aminokwasu (przykład przedstawiono po prawej). W przypadku modelu 2D istnieją trzy możliwe nietrywialne obroty. Jeżeli po dokonaniu obrotu żadne dwa aminokwasy nie zajmują tego samego punktu w przestrzeni, obrót uznajemy za dozwolony.
Po dokonaniu dozwolonej transformacji prawdopodobieństwo akceptacji nowego mikrostanu zależy jedynie od zmiany wartości energii. Innymi słowy: to, czy zaakceptujemy mikrostan uzyskany w wyniku transformacji zależy jedynie od mikrostanu przed transformacją; wcześniejsza historia układu nie ma tu znaczenia. Zatem ewolucja peptydu (ciąg mikrostanów wygenerowany w toku symulacji) jest realizacją procesu stochastycznego, w którym prawdopodobieństwo zdarzenia (akceptacja nowego mikrostanu) zależy jedynie od wyniku poprzedniego. Proces stochastyczny tego typu w przypadku dyskretnej przestrzeni stanów nazywany jest łańcuchem Markowa.
Sieć
Niech:
będą wektorami bazowymi w przypadku dwuwymiarowym, zaś:
wektorami bazowymi w przypadku trójwymiarowym. Siecią kwadratową nazywać będziemy zbiór:
zaś zbiór:
nazwiemy siecią sześcienną. Element sieci (węzeł) opisujemy przez podanie dwóch, bądź trzech liczb całkowitych (współrzędnych węzła), przykładowo dla sieci sześciennej: (0,1,-10).
Powiemy, że węzły a i b sąsiadują ze sobą na siatce (ozn. a ~ b), jeżeli istnieje wektor bazowy e taki, że:
- .
Niech będzie zbiorem aminokwasów tworzących peptyd, gdzie - długość peptydu. Wówczas strukturę przestrzenną wyrażać będziemy przez funkcję:
spełniającą warunki:
Podanie struktury (w postaci funkcji s) nie wystarcza do określenia miktrostanu układu, potrzebna jest jeszcze sekwencja.
Sekwencja
Sekwencja łańcucha określona jest przez wzorzec hydrofobowy . Rozważany model dzieli aminokwasy ze względu na właściwości oddziaływań dalekozasięgowych na dwie kategorie: hydrofobowe (H) oraz polarne (P). Dalekozasięgowość oddziaływań odnosi się do wzajemnych położeń aminokwasów w sekwencji, a nie w przestrzeni. Przykładowo: o obecności oddziaływań dalekozasięgowych możemy mówić w przypadku pary aminokwasów o numerach 1 i 4, bądź: 2 i 9, ale nie w przypadku par: 1 i 3, czy też 4 i 5. Szczegóły w poniższej sekcji Oddziaływania.
Oddziaływania
W najprostszym modelu HP rozważa się jedynie oddziaływania dalekozasięgowe pomiędzy aminokwasami hydrofobowymi. Energia danego mikrostanu zależy od liczby kontaktów występujących między aminokwasami H, niesąsiadującymi w peptydzie.
Niech
będzie liczbą kontaktów H-H w peptydzie o strukturze s. Energia układu wyraża się przez:
gdzie ɛ >0.
Interakcje pomiędzy aminokwasami hydrofobowymi odzwierciedlają ich tendencję do kierowania się do wewnątrz białka i tym samym unikania kontaktu z wodą. Należy podkreślić, że model HP uwydatnia jeden aspekt procesu zwijania białek (efekt hydrofobowy), ignoruje natomiast oddziaływania lokalne występujące w rzeczywistym białku - "sztywność" łańcucha (objawiająca się niedozwolonymi wartościami kątów φ-ψ na wykresie Ramachandrana) oraz wiązania wodorowe (istotne w α-helisach i β-kartkach). Proste modele, jak model HP, skłaniają do zadawania pytań: Które z własności białek udaje się odtworzyć pomimo poczynionych przybliżeń?
Średnia po zespole
Niech A będzie pewną własnością fizyczną badanego układu. Mikrostan układu oznaczymy przez , gdzie n jest liczbą stopni swobody. Przyjmujemy, że własność A objawia się jako średnia po próbce pewnej przestrzeni mikrostanów, tzn.:
gdzie f jest funkcją rozkładu gęstości prawdopodobieństwa, jest przestrzenią dostępnych stanów układu (nazywana również w szerszym kontekście: przestrzenią fazową), zaś:
to sumą statystyczna nazywana również funkcją podziału. Rozkład f określa odpowiedni zespół statytyczny (mikrokanoniczny, kanoniczny,...).
W przypadku modelu HP liczba mikrostanów układu jest skończona (ozn. N), zaś średnią wartość A wyraża się w postaci sumy po dostępnych mikrostanach układu:
gdzie jest prawdopodobieństwem uzyskania przez układ i-tego mikrostanu. Prawdopodobieństwo, że układ o określonej, stałej temperaturze T (używa się też określenia: w kontakcie z termostatem o temperaturze T) osiągnie i-ty mikrostan o energii , dane jest rozkładem Boltzmanna:
gdzie k - stała Boltzmanna. Suma w mianowniku zapewnia normalizację rozkładu :
Metoda Monte Carlo - algorytm Metropolisa
W celu wyznaczenia dla układu o temperaturze T wystarczy dysponować metodą do generowania mikrostanów zgodnie z rozkładem Boltzmanna. Metodą tego typu jest algorytm Metropolisa.
Wprowadźmy następujące oznaczenie:
gdzie a jest mikrostanem o energii . Istotą algorytmu Metropolisa jest stworzenie ciągu mikrostanów, będący realizacją łańcucha Markowa z prawdopodobieństwem przejść, zależącym od różnicy energii kolejnych mikrostanów. W przypadku modelu HP algorytm Metropolisa przebiega następująco:
1. Zainicjuj ciąg mikrostanów, tworząc pierwszy, dowolny mikrostan X.
2. Oblicz energię .
3. Dokonaj dozwolonej transformacji peptydu (transformacje opisano dalej, dla ustalenia uwagi - dokonujemy obrotu części peptydu wokół losowo wybranego aminokwasu).
4. Wyznacz energię uzyskanego w wyniku transformacji mikrostanu Y.
5. Zaakceptuj nowy mikrostan (X:=Y) z prawdopodobieństwem i wróć do 3. albo zakończ, jeśli wygenerowano ciąg o długości M.
Dysponując ciągiem mikrostanów uzyskanych w algorytmie Metropolisa, możemy wyznaczyć średnią wartość A:
Transformacje
...
Symulowane wyżarzanie (Simulated Annealing)
Najprostszym sposobem znajdowania konformacji o minimalnej energii jest systematyczne obniżanie temperatury podczas symulacji. Wadą tego rozwiązania jest to, że układ może łatwo zatrzymać się w lokalnym minimum energii, z którego wyjście przy obniżonej temperaturze okaże się niemożliwe (precyzyjniej: niezwykle mało prawdopodobne). Ponadto, zbieżność algorytmu przy niskich temperaturach jest dosyć wolna. Układ może stracić dużo czasu (kroków symulacji) w niecce reprezentującej lokalne minimum, bądź oscylując między stanami o tej samej energii.
Zamiana replik (Replica Exchange Monte Carlo)
W tym podejściu równolegle symuluje się wiele kopii układu, każdy w innej, stałej temperaturze. Załóżmy, że w pewnym momencie symulacji algorytmu Metropolisa i-ta replika o temperaturze jest w mikrostanie o energii , zaś j-ta replika w odpowiednio: temperaturze , mikrostanie i energii . Z rozkładu jednostajnego losujemy parę kolejnych replik (i,j) , które z prawdopodobieństwem zostaną zamienione miejscami:
gdzie
Po zamianie i-ta replika symulowana jest w temperaturze , a j-ta w temperaturze . Ponieważ prawdopodobieństwo zamiany maleje wykładniczo wraz ze wzrostem różnicy temperatur, rozważamy wyłącznie repliki sąsiednie.
Zamiana temperatur zmienia krajobraz energetyczny. W bardzo wysokich temperaturach bariery energetyczne znikają i można domniemywać, że prawdopodobieństwo odwiedzenia mikrostanu jest zadane rozkładem jednostajnym. Repliki, które utknęły w lokalnych minimach mogą zostać z nich wyzwolone przez przeniesienie do wyższej temperatury.
Wymiany nie powinny być zbyt częste. Po zmianie temperatury układ przez pewien czas się stabilizuje i przemieszcza w najbardziej prawdopodobny region krajobrazu energetycznego.
Po zakończeniu symulacji średnia A w temperaturze może zostać oszacowana wzorem:
Symulacje planowane na ćwiczeniach
Celem ćwiczeń jest zaimplementowanie modelu HP (domyślnie w języku Java) i sprawdzenie wyników przedstawionych w publikacji K. A. Dilla z 1995 roku. W pierwszym etapie przeprowadzimy symulowane wyżarzania modeli dwuwymiarowych trzech polimerów o sekwencjach:
- PHPPHPPHHPPHHPPHPPHP
- HPPHPPHPHPPHPHPHHH
- HPPPHHPPHPHHPHHH
(na ostatnich ćwiczeniach zawęziłem symulacje obowiązujące na 25. marca do jednej sekwencji, pierwszej na powyższej liście). W przypadku każdego peptydu temperaturą początkową będzie , a temperaturą końcową . Temperatura będzie w trakcie symulacji maleć o czynnik . Po przeprowadzeniu transformacji (dokonując akceptacji/odrzuceń wygenerowanych konformacji) w danej temperaturze , przeprowadzamy kolejnych kroków w temperaturze i tak dalej, aż do osiągnięcia .
W każdej temperaturze wygenerujemy konformacji, które akceptować będziemy na drodze algorytmu Metropolisa i dla każdej takiej próby możemy wyznaczyć ciepło właściwe układu , średni moment bezwładności oraz histogram wystąpień stanów w zależności od liczby kontaktów.
(z ostatnich ćwiczeń: na 25. marca proszę wykonać wykres Cv(T) oraz histogramy dla poszczególnych temperatur. Załączone rysunki przedstawiają czego spodziewać się można po wynikach).



Ciepło właściwe wyraża się wzorem:
Warto zauważyć, że w jest proporcjonalne do wariancji energii i można ją interpretować jako "miarę rozrzutu energii" stanów, jakie osiąga układ w danej temperaturze.
Moment bezwładności definiujemy następująco:
gdzie jest środkiem ciężkości, a n liczbą aminokwasów w strukturze. Natywna struktura większości białek jest globularna. Można więc przyjąć, że moment bezwładności jest dobrym przybliżeniem "stopnia zwinięcia białka".
Model HP "na piątkę"
Na ocenę bardzo dobrą z tej części ćwiczeń należy przeprowadzić dodatkowo (poza symulacją na zaliczenie, na 25. marca) dwie symulacje, dla białek o sekwencjach:
- HPPPHHPPHPHHHHHH
- HPPPHHPPHPHHPHHH
które różnią się sekwencyjnie tylko na jednej pozycji (praca Dilla, str. 20). Specyfikacje symulacji są te same, co poprzednio. Należy wykonać analogiczne histogramy wystąpień kontaktów, wykresy oraz - analogiczny do wykresu - wykres .
Czy różnica sekwencyjna na jednej pozycji powoduje zmianę minimalnej wartości energii dla tych dwóch białek? Czy obydwa białka "zwijają się" do minimum energii? A jak nie - to do minimum jakiego potencjału?