für biologische Anwendungen

Präsentation zum Thema: "für biologische Anwendungen"—  Präsentation transkript:

1 für biologische Anwendungen
Moleküldynamik für biologische Anwendungen SimuLab Forschungszentrum caesar Vortragender: Stefan Hartmann

2 Themen Mathematische Modellierung von Atomen und Molekülen
Newtonsche Bewegungsgleichungen Kräfte zwischen Teilchen (Potentiale) Biologische Anwendungen Proteine, Lipidschichten, Micellen

3 Einführung Jegliches Material ist aus Molekülen und diese sind aus Atomen aufgebaut. Atome selber bestehen aus Atomkern und Elektronen. Bindungen entstehen durch elektronische Wechselwirkungen.

4 Gasförmig Flüssig Festkörper
Aggregatzustände Gasförmig Flüssig Festkörper

5 Skala Physikalische Effekte entstehend auf vielen Skalen in Raum und Zeit Mikroskopische Effekte haben Konsequenzen auf dem makroskopischen Level. Mathematische Modellierung und numerische Simulationstechnik muss die geeignete Skala berücksichtigen!

6 Beispiel: Rissausbreitung
Kontinuums-Skala Elastizitätsgleichung Quanten-Skala Schrödingergleichung atomistische Skala Newtongleichung Moleküldynamik

7 HIV Proteinase-Komplex
Gesamtmolekül: atomistische Skala Newtongleichung Moleküldynamik reaktive Stelle: Quanten-Skala Schrödingergleichung

8 Klassische Potentialfunktionen
Lennard –Jones Potentialparameter Coulomb, Gravitation

9 Moleküldynamik N Partikel Zeit Partikelorte Massen Geschwindigkeiten
It is the chemical genius of carbon - the ability to satisfy ist four valence electrons by bonding with three neighbors - that make the above structures possible in graphite and ist fullerene relatives. Each of three electrons iw assigned to a partner., the fourth is shared by everybody , being delocalized all over the network these shared elextrons. Called π electrons, make fullerenes aromatic and allow some nanotubes to conduct electricity. Newton-Gleichungen wird aus der gewählten Potentialfunktion berechnet.

10 Algorithmus t=0: Wähle Anfangspartikelorte und Anfangsgeschwindigkeiten, berechne die zugehörigen Kräfte für Zeitschritte k=1,2,3…. berechne neue Geschwindigkeiten berechne neue Partikelorte berechne neue Kräfte It is the chemical genius of carbon - the ability to satisfy ist four valence electrons by bonding with three neighbors - that make the above structures possible in graphite and ist fullerene relatives. Each of three electrons iw assigned to a partner., the fourth is shared by everybody , being delocalized all over the network these shared elextrons. Called π electrons, make fullerenes aromatic and allow some nanotubes to conduct electricity.

11 Astrophysik: Gravitationpotential
Partikel sind Planeten oder ganze Galaxien Simulation von Planetenbewegungen, großräumige Struktur des Universums

12 Beispiele mit VMDL ein, zwei, drei und mehr Teilchen
25 Teilchen (Gas mit geringer Dichte) Exp1: 144 Teilchen (Gas mit hoher Dichte) Exp 1a: Kondensation in Tropfen Exp 1b: Kristallbildung

13 Makroskopische physikalische Größen
Energie: mit kinetischer Energie Gleichverteilungssatz der Thermodynamik It is the chemical genius of carbon - the ability to satisfy ist four valence electrons by bonding with three neighbors - that make the above structures possible in graphite and ist fullerene relatives. Each of three electrons iw assigned to a partner., the fourth is shared by everybody , being delocalized all over the network these shared elextrons. Called π electrons, make fullerenes aromatic and allow some nanotubes to conduct electricity. Temperatureinstellen durch Skalieren der Geschwindigkeiten

14 Beispiele mit VMDL eine Teilgebiet mit Teilchen gleichen Typs füllen, anschließend sukzessive die Temperatur erniedrigen. Wer schafft es einen Kristall zu erzeugen ? Bei welcher Temperatur entsteht der Kristall ?

15 Wirken: MD NaCl-Schmelzen

16 Schwerkraft Schwerkraft ist zusätzliche globale Kraft im System

17 Beispiele mit VMDL Ordne eine Schicht schwerer Teilchen in der oberen Hälfte des Gebiets und eine Schicht leichter Teilchen in der unteren Hälfte an. Was passiert ?

18 Rayleigh-Taylor-Instabilität

19 Potentialfunktionen für Moleküle
Moleküle: Gruppe von Atomen mit Bindungen

20 Potentialfunktionen für Moleküle
Bindungstypen: Paar Winkel Komplizierte Funktionen! Dihedral-Winkel

21 Kohlenstoff-Nanotubes
It is the chemical genius of carbon - the ability to satisfy ist four valence electrons by bonding with three neighbors - that make the above structures possible in graphite and ist fullerene relatives. Each of three electrons iw assigned to a partner., the fourth is shared by everybody , being delocalized all over the network these shared elextrons. Called π electrons, make fullerenes aromatic and allow some nanotubes to conduct electricity.

22 Struktur von Kohlenstoff-Nanotubes
Kohlenstoff-Nanoröhren sind aufgerollte Graphitlagen θ metallisch: (n-m) ist ein Vielfaches von Drei halbleitend: (n-m) ist kein Vielfaches von Drei (n,n): armchair (θ=30) (n,0): zigzag (θ=0) (n,m): chiral (0<θ<30) It is the chemical genius of carbon - the ability to satisfy ist four valence electrons by bonding with three neighbors - that make the above structures possible in graphite and ist fullerene relatives. Each of three electrons iw assigned to a partner., the fourth is shared by everybody , being delocalized all over the network these shared elextrons. Called π electrons, make fullerenes aromatic and allow some nanotubes to conduct electricity. Einzigartige Materialeigenschaften: Große Festigkeit, niedriges Gewicht Hohe Stabilität und Elastizität Welcher Typ von Nanoröhre ist am stärksten unter Last ?

23 Carbon (7,0)-Tube Ziehen, bis es reißt => Zigzag tubes vertragen höhere Last als armchair tubes

24 Fullerene

25 Proteinsimulationen Simuliere die Dynamik von Peptiden und Proteinen in Lösung Studiere die Stabilität und Konformations-änderungen

26 Standard-Modellprotein,
bestehend aus 910 Atomen

27 Proteine Ohne umgebendes Wasser Mit umgebendem Wasser

28 Beispiele mit VMDL kleines Protein und nativer Zustand
Temperaturerhöhung (Kochen von Eiweiß) Anschließende sukzessive Temperaturerniedrigung. Wer schafft es, den ursprünglichen Zustand wieder herzubekommen? In welchen Schritten muss man die Temperatur erniedrigen?

29 Beispiele mit VMDL Lipidschichten Micellen
Wirkungsweise von Seife (Tensiden): Auflösen von Dreck

30 Proteinsimulationen Simulation sind heutzutage bis in den Mikrosekundenbereich möglich. Hauptproblem: Interessante Prozesse wie Faltung in tertiäre Strukturen findet auf größerer Zeitskala statt. Volle realistische Proteinfaltungs-simulation heutzutage noch nicht möglich, vielleicht in Jahren?

31 Bioproteine Insulinhormon (reaktiver Teil)
HIV-1 Protease mit Inhibitor SDZ Alzheimer-Amyloid ß Peptid Rinder-Prion It is the chemical genius of carbon - the ability to satisfy ist four valence electrons by bonding with three neighbors - that make the above structures possible in graphite and ist fullerene relatives. Each of three electrons iw assigned to a partner., the fourth is shared by everybody , being delocalized all over the network these shared elextrons. Called π electrons, make fullerenes aromatic and allow some nanotubes to conduct electricity.