Биоинфлотмаитка. Биоинформатика Практикалық нұсқаулық 2. Биоинформатика пнінен практикаа арналан нсаулы Практикалы жмыс 1 Биологиялы деректер,оларды ерекшеліктерін талдау
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
Бақылау сұрақтары: 1.Белрктың аминқышқылдық құрамы? 2.Белоктардың химиялық қасиеті? 3.Белоктың физикалық қасиеттері? 4.Белоктың қүрылымы? 5.Денатурацияға анықтама? Практикалық жұмыс №10.Омикалық технология 1)Ақуыздар құрылымының мәліметтер банкі 2)Омикалық технология 3)Браузер мәліметтер базасы Жалпы биология, ақуыз құрылымының мәліметтер базасы болып табылатын мәліметтер базасы модельденген айналасында эксперименталды түрде анықталды ақуыз құрылымдары. Ақуыз құрылымы туралы көптеген мәліметтер базасының мақсаты - биологиялық қауымдастықтың тәжірибелік мәліметтерге пайдалы түрде қол жетімділігін қамтамасыз ете отырып, ақуыз құрылымдарын жүйелеу және оларға түсініктеме беру. Ақуыз құрылымының мәліметтер қорына енгізілген мәліметтер көбінесе үш өлшемді координаттарды, сондай-ақ бірлік ұяшық өлшемдері мен бұрыштары сияқты тәжірибелік ақпаратты қамтиды. рентгендік кристаллография анықталған құрылымдар. Көптеген жағдайларда, бұл жағдайда ақуыздар немесе ақуыздың белгілі бір құрылымдық анықтамалары, сонымен қатар дәйектілік туралы ақпаратты қамтиды, ал кейбір мәліметтер базасы кезекке негізделген сұраныстарды орындауға мүмкіндік береді, құрылым дерекқорының негізгі атрибуты құрылымдық ақпарат болып табылады, ал мәліметтер базасы реттік ақпаратқа назар аударыңыз және көптеген жазбалар үшін құрылымдық ақпаратты қамтымаңыз. Ақуыздар құрылымының мәліметтер базасы көптеген күш-жігер үшін өте маңызды есептеу биологиясы сияқты дәрілік заттардың құрылымына негізделген, есептеу әдістерін дамытуда да, ақуыздың қызметі туралы түсінік беру үшін кейбір әдістермен қолданылатын үлкен эксперименттік мәліметтер жиынтығында да. PDB деректерді шығарады қоғамдық домен, мәліметтер ақуыздың құрылымы туралы басқа мәліметтер базасында қолданылған. Ақуыз құрылымының мәліметтер қорына мысалдар (алфавит бойынша); Макромолекулалық қозғалыстардың мәліметтер базасы белоктардағы және басқа макромолекулалардағы, әсіресе кинофильмдерден болатын қозғалыстарды сипаттайды Динамеомика барлық белгілі ақуыз қатпарларын ұсынатын ақуыздарды талдау және молекулалық динамиканы модельдеу мәліметтер қоймасы. Джена Либ Йена биологиялық макромолекулалар кітапханасы визуалды және анализге көңіл бөле отырып, үш өлшемді биополимер құрылымдары туралы ақпаратты жақсы таратуға бағытталған. ModBase салыстырмалы модельдеу арқылы есептелген үш өлшемді ақуыз модельдерінің мәліметтер базасы OCA ақуыздың құрылымына / функцияларына арналған браузер-мәліметтер базасы - OCA KEGG, OMIM, PDBselect, Pfam, PubMed, SCOP, SwissProt, және басқалар. OPM қатысты протеиннің үш өлшемді құрылымдарының кеңістіктегі орналасуын қамтамасыз етеді липидті қабат. Клиникалық және эксперименттік лимфология ҒЗИ басшысының орынбасары-ғылыми жұмыс жөніндегі ҒЗИ-ҒЗИ ("ИЦИГ СО РҒА" ФЦО филиалы), М. ғ. д. Вадим Климонтовтың айтуынша: геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика, яғни геномның қалай жұмыс істейтінін және қалай жұмыс істейтінін зерттейтін ғылымдардың жетістіктеріне негізделген технологияларды" Омикс " деп атайды онда кодталған ақпарат жүзеге асырылады. Ол ақуыздардың құрылымына және одан әрі ағзаның кейбір белгілеріне қалай айналады, бұл ауруларды диагностикалау мен емдеуге әсер етуі мүмкін. Басқаша айтқанда, омикс технологиясы геномдық және постгеномдық медицинаның негізгі құралдарының бірі болып табылады.» Омикс технологиясының дамуымен дәрігер диагноз қою кезінде және емдеу тактикасын анықтау кезінде ең алдымен пациенттің "генетикалық төлқұжатына" сүйенеді деп күтілуде. Бақылау сұрақтары: 1) PDB деректерді не шығарады ? 2) Белгілі ақуыз қатпарларын ұсынатын ақуыздарды талдау және молекулалық динамиканы модельдеу мәліметтер қоймасын не деп атаймыз? 3) Ақуыз құрылымы туралы көптеген мәліметтер базасының мақсаты ? 4) ModBase қандай база? 5) OCA ақуыздың құрылымына / функцияларына арналған браузер-мәліметтер базасына қандай базалар кіреді? Практикалық жұмыс №11.Биологиялық молекулалар өзара әрекеттесуін моделдеу жолдарын талдау Молекулалық модельдеу – есептеуде көрсетілген шарттарда олардың үш өлшемді бейнеленуін қамтамасыз ететін нәтижелерді, кейіннен визуализациялау арқылы есептеу әдістерімен молекулалардың құрылымы мен қасиеттерін зерттеу әдістерінің жиынтық атауы. Молекулалық модельдеу әдістері жеке молекулаларды да, молекулалық жүйелердегі өзара әрекеттесуді де зерттеу үшін компьютерлік химияда, есептеу биологиясында және материалтануда қолданылады. Молекулалық модельдеудегі ең қарапайым жүйелерді есептеуді қолмен орындауға болады, бірақ практикалық қызығушылық тудыратын модельдеу жүйелеріндегі есептеулердің үлкен көлеміне байланысты, әсіресе молекулалық динамиканы зерттеуде есептеудің және визуализацияның компьютерлік әдістері қолданылады, бұл әдіс компьютерлік молекулалық модельдеу деп аталады. Молекулалық моделдеу әдістерінің ортақ ерекшелігі молекулалық жүйелерді сипаттаудың атомдық деңгейі – ең кіші бөлшектер атомдар немесе атомдардың шағын топтары болып табылады. Бұл молекулалық моделдеу мен кванттық химия арасындағы айырмашылық, мұнда электрондар да анық ескеріледі. Осылайша, молекулалық моделдеудің артықшылығы - жүйелерді сипаттаудағы күрделіліктің төмендігі, бұл есептеулерде бөлшектердің көп санын қарастыруға мүмкіндік береді. Молекулалық механика - модельдің физикалық негіздерін сипаттау үшін классикалық механиканы пайдаланатын ММ тәсілдерінің бірі. Атомдар (электрондары бар ядролар) сәйкес зарядтары бар нүктелік массалар түрінде берілген. Көрші атомдар арасындағы өзара әрекеттесулерге дәстүрлі түрде Ленард-Джонс потенциалымен сипатталған серпімді әсерлесулер (химиялық байланыстарға сәйкес) және ван-дер-Ваальс күштері жатады. Электростатикалық әсерлесулер Кулон заңы бойынша есептеледі. Кеңістіктегі атомдарға декарттық немесе ішкі координаталар тағайындалады; динамикалық есептеулерде атомдарға температураға сәйкес жылдамдықтар да тағайындалуы мүмкін. Молекулаларды вакуумда да, су сияқты еріткіштің қатысуымен де модельдеуге болады. Вакуумдағы жүйелерді есептеулер «газ фазасы» есептеулері деп аталады, ал еріткіш молекулалары қатыстырылған есептеулер «айқын еріткіш» есептеулері деп аталады. Есептеулердiң басқа тобы потенциалдық функцияда қосымша мүшелердiң көмегiмен есептелген еріткіштің болуын ескереді – «жасырын еріткіш» деп аталатын есептеулер. Қазіргі кезде молекулалық модельдеу әдістері бейорганикалық, биологиялық және полимерлі жүйелердің құрылымын, динамикасы мен термодинамикасын зерттеуде кеңінен қолданылады. Биологиялық молекулалық моделдеу әдістерімен зерттелетін биологиялық құбылыстардың ішінде белоктардың қатпарлануы, ферментативті катализі, ақуыздың тұрақтылығы, конформациялық түрленуі, белоктардағы, ДНҚ мен мембраналардағы молекулалық тану процестері бар. Молекулярлық модельдеудің танымал бағдарламалары: ADF, Agile Molecule, Avogadro, BALLView, Biskit, Cerius2, Chimera, Coot for X-ray crystallography of biological molecules, COSMOS, GAUSSIAN, Ghemical, GROMACS, InsightII, LAMMPS, MarvinSpace, MMTK MOE SMemory Animation Software 3-D Molecular Construction Molecular Docking Server, Molsoft ICM, MOPAC, NAMD, NOCH, Oscail X, PyMOL, Q-Chem, Qutemol, Sirius, SPARTAN, STR3DI32, Sybyl, MCCS Towhee, TURBOMOLE, ReaxFF, VMD Бақылау сұрақтары: 1. Молекулалық моделдеу әдістері қайда және қалай қолданылады? 2. Молекулалық моделдеу әдістерінің ортақ ерекшелігі? 3. Электростатикалық әсерлесулер қай заң бойынша есептеледі? 4. Молекулаларды нелердің қатысуымен модельдеуге болады? 5. “Газ фазасы ” дегеніміз не? 6. Молекулярлық модельдеудің Практикалық жұмыс №12.Hyperchem бағдарламасын модельдеуді қолдану Мәселе сұрақ Hyperchem бағдарламасының пайдаланушы интерфейсі build мәзірі (салу) Draw құралын пайдаланып модельдер құру HYPERCHEM бағдарламасы Бұл химиялық қосылыстардың құрылымдық формулаларын өңдеу және визуализация мәселелерін шешуге арналған ең танымал бағдарламалардың бірі HyperChem эмпирикалық емес және жартылай эмпирикалық әдістермен молекулалардың сипаттамаларын (электронды, термодинамикалық, спектрлік және т.б.) есептеуге арналған. Пептидтерді, ақуыздарды, ДНҚ фрагменттерін, полимерлерді және т. б. құруға арналған графикалық редактор, мәліметтер базасы бар. Мәселе сұрақ Химиялық зерттеудің маңызды элементтерінің бірі қосылыстардың геометриялық құрылымын талдау болып табылады. Ғылымның бұл саласы құрылымдық химия деп аталды. Құрылымдық формулалар молекуладағы әртүрлі атомдардың бір-бірімен байланысын көрсетеді. Олар әрдайым атомдар арасындағы қатынастарды беруге мүмкіндік бермейді, осыған байланысты құрылымды геометриялық кескін түрінде көрсету қажеттілігі туындайды - құрылымды визуализациялау міндеті. Hyperchem бағдарламасының пайдаланушы интерфейсі Бағдарламаның негізгі терезесінде бірнеше элементтерді таңдауға болады. Жоғарғы жағында сіз жұмыс істеп жатқан файл атауының жолы, сондай-ақ бағдарламаны кішірейту, орналастыру және жабу түймелері орналасқан. Тікелей осы жолдың астында бағдарламаның негізгі мәзірі мен құралдар тақтасы орналасқан, онда молекулалық құрылымдардың модельдерін құруға және өңдеуге қажетті құралдар жинақталған. Терезенің төменгі сол жақ бұрышында ағымдағы ақпаратты (байланыс ұзындығы, валенттік бұрыштар, энергия және т.б.) көрсететін хабарлама жолы орналасқан. Төменгі оң жақта - ағымдағы есептеу әдісінің атауы.  Файл (Файл). Тармақта ағымдағы файлдарды ашу, сақтау, басып шығару бойынша мүмкін болатын әрекеттер жиынтығы берілген тармақша Өңдеу (Өңдеу). Жұмыс кеңістігінде көрсетілген модельдерді өңдеуге арналған құралдар бар. Жасалған әрекеттерді жою, жою, қою, модельдерді кесу, көшіру, модельді айналдыру, атомдар арасындағы байланыс ұзындығының мәндерін, валенттілік пен бұралу бұрыштарын орнату мүмкіндігі бар.  build мәзірі (салу) Build мәзір элементі жұмыс кеңістігінде молекулалық модельдерді құруға қажетті құралдарды жинайды. Ең маңыздыларының бірі: explicit Hydrogens-жаңа байланыстың кез келген элементіне оның бос ұшына қосылғанда, бағдарлама әдепкі бойынша сутегі атомын қояды. Default Element... ағымдағы сәтте қажетті химиялық элементтің түрін көрсететін элементтер кестесін шақырады.  Сутектерді қосып, H & Model құрастыруын қосыңыз Осы тармақшаларды таңдау-барлығы бос байланыстар бағдарлама сутегі атомдарын қосады және 3D түріне әкеледі.   Substitute selected h тармақшасы бөлінген сутегі атомын белгілі бір топпен алмастырады, мысалы, метил, фенил, ацетилен және т.б. Депутатты сақтауға Save Substituent тармақшасы мүмкіндік береді.  Set... тармақшалары, атап айтқанда, типтің, массаның, зарядтың реттелетін мәндерін орнатуға мүмкіндік береді. Constrain... тармақшалары-байланыс ұзындықтарының, валенттік және бұралу бұрыштарының мәндерін орнатыңыз. Hyperchem Басқару тақтасы Draw атомдар мен молекулаларды құру Select қажет емес опцияларды жою Rotate out-of-plane жазықтықтан тыс айналу Rotate in-plane бір жазықтықта айналу Translate Перемещать Z-Translate Перемещение по оси Z Zoom Изменение масштаба  Draw құралын пайдаланып модельдер құру Қарапайым пропан молекуласын жасайық. Мұны көміртегі элементін қызығушылық элементі ретінде таңдап, содан кейін жақтауды сызу үшін сурет салу құралын пайдалану арқылы жасауға болады. Байланыс ұзындығы кейінгі кезеңде дұрыс мәндерге орнатылады. Процестің соңында экран келесідей болуы керек:  Hyperchem бағдарламасындағы есептеулер жартылай эмпирикалық есептеу әдістері Есептеудің жартылай эмпирикалық әдістерін компьютердің негізгі мәзір элементіндегі есептеулердің барлық түрлері үшін қолдануға болады. Жартылай эмпирикалық әдістер белгілі бір жуықтаулар мен жеңілдетулерді қолдана отырып, атомдар мен молекулалар үшін Шредингер теңдеуін шешеді. HYPERCHEM БАҒДАРЛАМАСЫНДА 12 ЖАРТЫЛАЙ ЭМПИРИКАЛЫҚ ӘДІС БАР  Бұл топтың барлық әдістері есептеу тек валенттік электрондар үшін жүргізілетіндігімен сипатталады, белгілі бір өзара әрекеттесулердің интегралдары ескерілмейді, электронды орбитальдардың стандартты оңтайландырылмаған негізгі функциялары қолданылады және экспериментте алынған кейбір параметрлер қолданылады. Эксперименттік параметрлер бірқатар шамаларды есептеу қажеттілігін жояды және жуықтаудың қате нәтижелерін түзетеді. HyperChem бағдарламасындағы жартылай эмпирикалық әдістер периодтық жүйенің барлық элементтерін өңдей алмайды, тек параметрлері параметрлер файлдарына енгізілген.  HyperChem-эмпирикалық емес және жартылай эмпирикалық әдістермен молекулалардың сипаттамаларын есептеуге арналған өте қарапайым молекулалық модельдеу бағдарламасы. Бұл зерттеушілер үшін де, оқытушылар мен студенттер үшін де танымал және танымал молекулалық модельдеу шешімі. Ол есептеу және визуализация әдістерінің кең ауқымына жылдам қол жеткізу үшін бағаланады. Бақылау сұрақтары: HYPERCHEM бағдарламасында молекулалардың модельдерін құру және құрылған молекулаларды өңдеу. Молекулалық моделдердің геометриялық параметрлерін анықтау. HYPERCHEM ерекшеліктері мен сипаттамалары. HYPERCHEM бағдарламасының эмпирикалық әдістері. Жартылай эмпирикалық әдістің нәтижелерін интерпретациялау. Практикалық жұмыс №13. HyperChem бағдарламасын модельдеуді қолдану. 1. Hyperchem бағдарламасы. 2. Hyperchem бағдарламасының пайдаланушы интерфейсі. 3. Бағдарламаның негізгі мәзірі.Add Hydrogens және Add H & Model Build 4. Hyperchem Басқару тақтасы. 5. Draw құралын пайдаланып модельдер құру HyperChem дегеніміз. Бұл химиялық қосылыстардың құрылымдық формулаларын өңдеу және визуализация мәселелерін шешуге арналған ең танымал бағдарламалардың бірі. HyperChem эмпирикалық емес және жартылай эмпирикалық әдістермен молекулалардың сипаттамаларын (электронды, термодинамикалық, спектрлік және т.б.) есептеуге арналған. Мұнда пептидтерді, ақуыздарды, ДНҚ фрагменттерін, полимерлерді және т. б. құруға арналған графикалық редактор, мәліметтер базасы бар. Hyperchem бағдарламасының пайдаланушы интерфейсі. Бағдарламаның негізгі терезесінде бірнеше элементтерді таңдауға болады. Жоғарғы жағында сіз жұмыс істеп жатқан файл атауының жолы, сондай-ақ бағдарламаны кішірейту, орналастыру және жабу түймелері орналасқан. Тікелей осы жолдың астында бағдарламаның негізгі мәзірі мен құралдар тақтасы орналасқан, онда молекулалық құрылымдардың модельдерін құруға және өңдеуге қажетті құралдар жинақталған. Терезенің төменгі сол жақ бұрышында ағымдағы ақпаратты (байланыс ұзындығы, валенттік бұрыштар, энергия және т.б.) көрсететін хабарлама жолы орналасқан. Төменгі оң жақта - ағымдағы есептеу әдісінің атауы. Бағдарламаның негізгі мәзірі. File (Файл). Тармақта ағымдағы файлдарды ашу, сақтау, басып шығару бойынша мүмкін болатын әрекеттер жиынтығы берілген тармақша. Edit (Өңдеу). Жұмыс кеңістігінде көрсетілген модельдерді өңдеуге арналған құралдар бар. Жасалған әрекеттерді жою, жою, қою, модельдерді кесу, көшіру, модельді айналдыру, атомдар арасындағы байланыс ұзындығының мәндерін, валенттілік пен бұралу бұрыштарын орнату мүмкіндігі бар. Build мәзірі (салу). Build мәзір элементі жұмыс кеңістігінде молекулалық модельдерді құруға қажетті құралдарды жинайды. Ең маңыздыларының бірі: explicit Hydrogens-жаңа байланыстың кез келген элементіне оның бос ұшына қосылғанда, бағдарлама әдепкі бойынша сутегі атомын қояды. Default Element... ағымдағы сәтте қажетті химиялық элементтің түрін көрсететін элементтер кестесін шақырады. Add Hydrogens және Add H & Model Build Осы тармақшаларды таңдау-барлығы бос байланыстар бағдарлама сутегі атомдарын қосады және 3D түріне әкеледі. Substitute Selected H тармақшасы бөлінген сутегі атомын белгілі бір топпен алмастырады, мысалы, метил, фенил, ацетилен және т.б. Орынбасарды сақтауға Save Substituent тармақшасы мүмкіндік береді. Set... тармақшалары, атап айтқанда, типтің, массаның, зарядтың реттелетін мәндерін орнатуға мүмкіндік береді. Constrain... тармақшалары-байланыс ұзындықтарының, валенттік және бұралу бұрыштарының мәндерін орнату. Hyperchem Басқару тақтасы. • Draw атомдар мен молекулаларды құру • Select қажет емес опцияларды жою • Rotate out-of-plane жазықтықтан тыс айналу • Rotate in-plane бір жазықтықта айналу • Translate Жылжыту • Z-translate Z осі бойынша жылжу • Масштабты өзгерту Draw құралын пайдаланып модельдер құру Қарапайым пропан молекуласын жасайық. Мұны көміртегі элементін қызығушылық элементі ретінде таңдап, содан кейін жақтауды сызу үшін сурет салу құралын пайдалану арқылы жасауға болады. Байланыс ұзындығы кейінгі кезеңде дұрыс мәндерге орнатылады. Процестің соңында экран келесідей болуы керек: Келесі қадам - "құру" астындағы "сутегі қосу" "геометрияны оңтайландыру" қадамы ("есептеу"бөлімінде). Мұнда таңдалған күш өрісін қолдана отырып құрылымның энергиясын азайту арқылы байланыстардың ұзындығы орнатылады Энергияны азайтатын соңғы құрылым. Түймені пайдаланып нақты атомдарды "таңдауға" болады. Мысалы, алғашқы екі көміртекті таңдау байланыс қашықтығын береді Бұл қашықтықты өзгерту үшін қуат тұтыну графигін "есептеу" "потенциалды" таңдау арқылы алуға болады, нәтижесінде шекті анықтайтын экран пайда болады Hyperchem бағдарламасындағы есептеулер жартылай эмпирикалық есептеу әдістері. Есептеудің жартылай эмпирикалық әдістерін компьютердің негізгі мәзір элементіндегі есептеулердің барлық түрлері үшін қолдануға болады. Жартылай эмпирикалық әдістер белгілі бір жуықтаулар мен жеңілдетулерді қолдана отырып, атомдар мен молекулалар үшін Шредингер теңдеуін шешеді. HYPERCHEM БАҒДАРЛАМАСЫНДА 12 ЖАРТЫЛАЙ ЭМПИРИКАЛЫҚ ӘДІС БАР Бұл топтың барлық әдістері есептеу тек валенттік электрондар үшін жүргізілетіндігімен сипатталады, белгілі бір өзара әрекеттесулердің интегралдары ескерілмейді, электронды орбитальдардың стандартты оңтайландырылмаған негізгі функциялары қолданылады және экспериментте алынған кейбір параметрлер қолданылады. Эксперименттік параметрлер бірқатар шамаларды есептеу қажеттілігін жояды және жуықтаудың қате нәтижелерін түзетеді. HyperChem бағдарламасындағы жартылай эмпирикалық әдістер периодтық жүйенің барлық элементтерін өңдей алмайды, тек параметрлері параметрлер файлдарына енгізілген. |