Biyomoleküllerde Modelleme - ITUtraining.uhem.itu.edu.tr/docs/13haziran_kimya/G09_SUMMER12v2.pdf · Hesaplamalı Kimya Biyomoleküllerde Modelleme Dr. Fethiye Aylin Sungur Date and

Hesaplamalı Kimya Biyomoleküllerde Modelleme

Dr. Fethiye Aylin Sungur

Date and Location

Title of the Presentation 13.06.2012

İÇERİK • UYBHM’de G03/G09 kullanımı • Görselleş?rme Araçları • G09’daki yenilikler • Biomoleküllerde G09 ile modelleme • Örnek proje


Mevcut Programlar

UYBHM’de G03/G09 kullanımı ve

Görselleş;rme Araçları


Kuyruk Sistemi • LSF HPC v7.0.3 KUYRUKLAR • vlong: Çok uzun işler kuyruğu. Bir haYadan daha uzun sürecek işler için ayrılmışZr. Tüm kullanıcılar bu kuyruğun üyesidirler. Kuyrukta iş çalışZrmanın alt zaman sınırı bir haYadır. Üst sınır bulunmamaktadır. • long: Uzun işler kuyruğu. Üç gün ila 1 haYa arası bir zaman aralığında çalışması beklenen işlerin teslim edilmesi gereken kuyruktur. Tüm kullanıcılar üyedir. İş çalışZrmanın alt zaman sınırı üç saat, üst zaman sınırı ise bir haYadır. • mid: Orta uzunlukta işlerin çalışZrılabilmesi için ayrılmışZr. 3 saat ila 3 gün arasında iş çalışZracak kullanıcıların kullanmasının beklendiği kuyruktur. • short: Kısa işler kuyruğu. En fazla üç saat çalışması beklenen işler için ayrılmış kuyruktur. Tüm kullanıcılar üyedir. Kuyrukta iş çalışZrmak için üst zaman sınırı üç saabr.


UYBHM’ye BAĞLANMA Terminalleri açmak için: -‐Login:konuk -‐Passwd:firefox UYBHM bağlanmak için: • Verilen kullanıcı adı ve sifreler kullanılacak ssh –x loginname@wsl-‐node02.uybhm.itu.edu.tr • Dosya transferi için scp kulanılmalı scp dosya.adı [email protected]:

VPN CLIENT KULLANIMI



Connec?on Entry ve Descrip?on kişiye özel ve opsiyoneldir. • Host: 160.75.120.250 • Name: uybhmcalistay • Şifre girilir ve kaydedilir.



•  Gerekli bilgilerin kaydedildiği VPN bağlanZsına çiY Zklanır • Çıkan kutuya kullanıcı adı ve şifre girilir ve OK tuşuna basılır

G09’DAKİ YENİLİKLER İÇİN hGp://www.gaussian.com/g_prod/g09new.htm


QM/MM HESAPLAMALARI • TS op?mizasyonları • IRC hesaplamaları • Anali?k frekans hesapları • Çözücü içinde hesaplamalar • Gelişmiş MM kuvvet alanları • İyileş?rilmiş AM1, PM3, PM3MM, PM6 ve PDDG yöntemleri. • ONIOM hesaplamalarında kullanılan farklı katmanlar için kuvvetli ilk tahminler,


ÇÖZÜCÜ İÇİNDEKİ HESAPLAMALAR • Hızlı, güvenilir optimizasyon algoritmaları ve doğru frekans hesaplamaları (gaz fazı süresine yakın süren hesaplar) • IRC hesaplamaları • Truhlar ve ekibi tarafından geliştirilen SMD yöntemi


YENİ DFT FONKSİYONELLERİ • exchange functionals: TPSS, BRx, PKZB, wPBEh, PBEh • correlation functionals: KCIS, BRC, PKZB • Hibrit yöntemler:HSEh1PBE ve varyasyonları, O3LYP, TPSSh, BMK, M05 & M06 ve varyasyonları , X3LYP; • empirical dispersion: B97D • long range-corrected: LC-wPBE, CAMB3LYP, WB97XD ve varyasyonları, Hirao’s genel LC düzeltmesi


G03/G09 İŞ TESLİMİ -‐.lsf uzanZlı bir be?k ile işler teslim edilmektedir. Kuyrukları görmek için • bqueues İşlerinizi görmek için • bjobs Tüm işleri görmek için • bjobs –u all Çalışan işi durdurmak için • bkill –9 job id İş Göndermek için • bsub <gaussian.lsf • Tercih ebğiniz editör ile dosyaları değiş?rebilirsiniz. (gedit,vi, emacs,jot etc)

13.06.2012

#!/bin/bash # -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ # Bu script UYBHM sisteminde Gaussian/Linda calis?rmak icin yara?lmis?r. # Version : v1.0 # -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ # #BSUB -‐P workshop # projenizle ilişkilendirilen isim #BSUB -‐a linda # bu kismi degis?rmeyin !!! #BSUB -‐J LINDA # LSF is ismi #BSUB -‐o %J.out # LSF stdout dosyasi ismi #BSUB -‐e %J.err # LSF stderr dosyasi ismi #BSUB -‐q mid # short, long, mid, vlong olabilecek kuyruk ismi #BSUB -‐n 16 # Kullanacaginiz core sayisi #BSUB -‐m karadeniz_temp1 # Kullanılacak kuyruğa göre sunucu sistemi adı # # Asagidaki sa?rlari degis?rmeyin! # -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ # gecici host dosyalarinin silinmesi rm -‐f tsnet.nodes .tmp.hos{ile # makina isimlerinin belirlenmesi np=`echo $LSB_HOSTS` #yeni makina dosyasinin olusturulmasi for i in $np do echo $i >> .tmp.hos{ile done uniq .tmp.hos{ile > tsnet.nodes ### Cevre degikenlerine ilk değerlerinin verilmesi g09root=/RS/progs GAUSS_SCRDIR=$PWD export g09root GAUSS_SCRDIR . $g09root/g09/bsd/g09.profile LINDA=/RS/progs/g09/g09 export GAUSS_FLAGS='-‐nodelist -‐opt "Tsnet.Node.lindasharg:ssh"' # -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ # Asagidaki sa?rda ilgili girdi (*com/*gjf) dosyasinin adini yaziniz ${LINDA} $PWD/input.gjf


İyi Paralelleşen Yöntemler HF and DFT Enerji ve Frekans hesapları, MP2 Enerji MP2 yalnızca SMP için frekanslar Coupled Cluster enerjileri –SMP için CIS Enerji, frekans TD-‐DFT Enerjileri İyi Paralelleşmeyen Yöntemler – • CCSD – • CCSD(T) – • AM1 Doğru İşlemci Sayısı Seçimi Öneri: Maksimum 16 işlemci SMP Makineler için işlemci sayısı 64 e kadar çıkabiliyor. Doğrusal bir hızlanma görülüyor.


Input dosyası hazırlama Input dosyası; 1. % Kaynak yöne?mi 2. # Route card 3. Title sec?on 4. Koordinatlar 5. Geometrik değişkenler 6. Diğer değişkenler (isotope masses, basis sets, …) bölümlerinden oluşur


Kaynak İşlemci %nprocshared: bir düğümde kaç işlemci %nproclinda: kaç düğüm UYBHM kullanımı için : %nprocshared=8 %nproclinda=2


Route Card Tanımı: – keyword ve seçimleri belirler –# karakteri ile başlar – herhangi bir sırada keywordlar tanımlanabilir. !– seçimler parantez içinde gruplanır Ör: opt=(noeigen,calcfc, ts) scrf=(solvent=water,iefpcm) – Bu bölüm en fazla 5 saZr olabilir – Boş saZr ile bi?rilir.


• Koordinat Çeşitleri • – Kartezyen • – Z-‐matrix • Yapı için ilk tahmin • – hesapsal verilen • – kimya bilgileri • – öncek hesaplar (literatür) q Geometriyi nasıl hazırlamalıyım?

• Z –matrix yazarak (Büyük moleküller için neredeyse imkansız, hata olasılığı yüksek) • Program kullanarak (Gaussview) gview&


%mem • %mem=240MW • DFT yöntenleri için 240 MW ya da 2gb yeterli • MP2 gibi yöntemlerde ise %mem=4gb hızı arZrır. %chk The checkpoint dosyaları log dosyalarında yeralmayan birçok bilgiyi içerir. Orbital enerjileri, son geometri parametreleri gibi... Ancak çok yer kaplar.(disk alanı) • %chk=filename


Basis set seçimi neden önemlidir? ü Kimyasal olarak anlam taşıyan sonuçlar verecek kadar büyük olmalı ü Hesapsal kaynaklar açısından da değerlendirilmesi ü Integraller hızlı ve doğru hesaplanabilir olmalı KARAR: Kullanılacak kaynak, çalışılacak projenin gerekleri ve sonuçların doğruluğu arasında hassas denge kurulmalıdır.




Görselleştirme • GAUSSVIEW • CYLVIEW • MOLDEN • CHEMCRAFT


• GaussView: G03/G09 Grafik arayüzü (Ücretli) • Molden: Gaussian ve diğer birçok program için grafik arayüzü (Ücretsiz) • Cylview: Ücretsiz görselleş?rme (dosyalar png formaZnda saklanabilir) • ChemcraY: 150 gün ücretsiz deneme sürümü -‐Frekans görselleş?rme (movie dosyaları)


POTANSİYEL ENERJİ YÜZEYLERİ TS MODELLEME



Transi;on State (Geçiş Konumu) Modelleme


Genel Kurallar • Teori ve baz se? arasında denge sağlanmalı. •HF/6-‐31G(d) •B3LYP/6-‐31+G(d,p) •MP2/6-‐311++G(2df,2pd) •CCSD(T)/cc-‐pVQZ • Seçimler problemin yapısına uygun olmalı. •Dipole moment, transi?on state, gibi hesaplamalar için difuse fonksiyonlar •H-‐bonding ve dispersion elektron corelasyonun iyi tanımlandığı yöntemler. • Basit yotemlerle baslayarak seviyeyi yavas yavas arbrin

AM1 → HF → DFT → MP2 → CCSD(T) • Geometri op?mizayonlarınızı daha dusuk seviyede yaparken mutlaka yuksek seviyede single point enerji hesabı gerçekleş?rin •CCSD(T)/cc-‐pVQZ//MP2/cc-‐pVTZ


Transi;on State; Neden daha zor? • Tepken ve ürünler daha iyi tanımlanmışlardır. • TS ler uzayan bağlar, yarı bağ yapıları ile tanımlanması daha zordur. • Deneysel olarak gözlemlenemediği için kullanılan parametrelerin kesin doğruluğu yoktur. • Matema?ksel olarak daha az önem verilir. Daha az sayıda algoritma bulunmaktadır.


• TS etra�ndaki PES tepkenin etra�ndakine göre daha düzdür. Türevler alınırken sıkınZ yaşanması daha olasıdır. • TS ler yarı bağlanma (par?al) içerdiği için düşük seviyelerde modellenmesi neredeyse imkansızdır. • TS geometrisi hakkından tüm bildiklerimiz neredeyse yalnızca hesaptan gelir. Bu karşılık tepken ve ürünlerin geometrilerini tahmin çok daha kolaydır.


En İyi Yöntem • Geçiş konumu geometrisi tahmininde bulunun • Düşük seviyede ilk hesaplamaları gerçekleş?rin B3LYP/6-‐31G* • Bulduğunuz noktayı daha sonraki yüksek seviyeler için başlangıç noktası olarak kabul edin.


• Frekans hesabınızın doğruluğunu ve tek nega?f frekansın tepkime koordinaZna ait olup olmadığını görselleş?rme araçları ile teyit ediniz. • Mutlaka IRC hesabı ile tepe noktasının sağında ve solunda yeralan geometrileri bulunuz. Doğru geometri olduğundan olduğundan emin olunuz. • En iyi enerji değeri için elektron korelasyonunu iyi tanımlayan bir yöntem ile enerji (single point)hesaplayın.(e.g., nı MP2)


TS Geometri Tahmini • Kimya ve literatür bilgilerinizi birleş?rerek öneride bulunun. VEYA • Tepken ve ürünlerin geomerilerinin yaklaşık ortalama geometrisini tahmin eden (Linear Synchronous Transit ) LST yöntemini kullanın. (Spartan veyaGaussian). • G09 Quadra;c Synchronous Transit yöntemini de içerir. (QST2)


Tüm tepkimeler bariyere sahip midir? • Hayır, Literatürde bariyersiz gerçekleşen birçok tepkime bulunmaktadır. – Radikal bileşimleri – Alkenlerin radikallere eklenmesi – İyonların gaz fazında nötral moleküllerle tepkimesi


BİOMOLEKÜLLERDE G09 İLE

MODELLEME


1. Problemin tanımı 2. Olası çözümler 3. Input dosyası hazırlama 4.UHEM‘de İş Teslimi 5. ÇıkZ dosyalarının analizi ve görselleş?rilmesi 6. Olası hatalar ve çözümleri


Problemin Tanımı


http://dx.doi.org/10.1021/jo3005815 JOC just accepted


Enzimlerde Mekanizma Aydınlaelması için Kullanılan Yöntemler • MD Simulasyonları – Tüm enzimin birlikte hareke?ni inceler. Ancak tepkime mekanizması hakkında detaylı bilgi vermez. • QM/MM Hesapları-‐ Enzimin ak?f bölgesinin yüksek seviye QM yöntemlerle tanımlarken, kalan enzimi ve etraYa olabilecek olası molekülleri MM ile tanımlar. Zaman kısıZnı iyi kullanmak gerekir. Ön çalışma olmadan sorun yaşanabilir. • QM Modelleri: Yalnız ak?f bölgeyi alır, yüksek seviyede hesaplamaları gerçekleş?r. (geçiş konumları, olası mekanizmaların tespi?)


Literatür Araşerması • Proton transferlerinde su önemlidir. • Uzun mesafelerde proton transferinin suyun yardımıyla gerçekleşebildiğini bilinmektedir. • [1,3] proton transferi için hesapsal verilen bulunmaktadır. Susuz ortam Sulu ortam ~50.o kcal/mol ~20.o kcal/mol


Model Yapıların Belirlenmesi • PLP üzerindeki keto/enol • -‐OPO3 -‐3 yerine -‐CH3 • Lys329 –CH3NH2 ile • Deneysel verilen sübstraZn karboksil ucunun Arginin (Arg192) tara�ndan Sabitlendiğini göstermiş?r.


Yöntem • B3LYP/6-‐31+G(d,p)

• Serbest enerji değerleri gaz fazında gerçekleşem 1atm ve 298 K sıcaklığındaki termal serbest enerji düzeltme teriminin eklenmesi ile elde edilmiş?r. • Bağıl serbest enerjiler her adımdaki TS ve tepkenlerin serbest enerji farkından elde edilmiş?r. • Çözücü etkisi, IEFPCM/6-‐31+G** seviyesinde op?mizasyon ile hesaplanmışZr. (YÜKLÜ YAPI VARLIĞI)

• MP2 /6-‐31+G(d,p) ile gaz fazı geometrileri için enerji hesaplamaları yapılmışZr.

PLP GEOMETRİ OPTİMİZASYONU ve ÇÖZÜCÜ ETKİSİ

1.  PLP yapı op?mizasyonu opt.lsf 2.  PLP single point çözücü etkisi opt_watsp.lsf

wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/opt.gjf wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/opt_watsp.gjf

Geçiş Konumu Modellemesi

wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/TS.gjf

Su Destekli Geçiş Konumu Modellemesi

wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/TS_wat.gjf

Log Dosyaları

•  wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/logs/TS.log •  wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/logs/TS_wat.log •  wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/logs/opt.log •  wget h�p://www.be.itu.edu.tr/~ha?ce.gokcan/workshop/logs/solvent_opt.log

ChemcraY (TS için animasyon içeren gif dosyası hazırlama)

v Dosya açıldıktan sonra frequencies kısmına Zklanarak frekanslar görülebilinir v 150 günlük deneme sürümü vardır

Uzaklıkları göstermek için iki atom seçilir ve al�a yer alan show tuşuna basılır

Ok kullanarak gösterim yapılmak istenirse, Auxilary designa;ons açık olmalıdır

Tools à Create Anima;on à Frequencies anima;on

Çıkan pencerede frekans seçilerek Ok tuşuna basılır

v Açılan yeni pencerede kare sayısı (Number of frames) seçilir ve Ok tuşuna basılır (en uygun sayı 20dir)

Açılan Anima?on frames penceresinde ilk olarak Animate tuşuna basılarak animasyon oluşturulur

Save tuşuna basıldıktan sonra açılan Save Anima?on Form penceresinde Animated gif seçilerek Save tuşuna basılır.

Documents

Biyomoleküllerde Modelleme - ITUtraining.uhem.itu.edu.tr/docs/13haziran_kimya/G09_SUMMER12v2.pdf · Hesaplamalı Kimya Biyomoleküllerde Modelleme Dr. Fethiye Aylin Sungur Date and