Tutorial 2: Preparação de uma bicamada de POPC a partir de unidades lipídicas

tuto2.png

Para este tutorial serão necessários os seguintes arquivos e diretórios, presentes na tarball.


Programa 


   GROMACS v.2019.x compilado

   VMD

   Xmgrace ou outro visualizador de gráficos


Arquivos


   POPC/popc.gro
   POPC/popc.top
   POPC/minim.mdp
   POPC/nvt.mdp
   POPC/npt.mdp
   POPC/md.mdp


Diretório


   POPC/GROMOS54a7_mod.ff/

Preparo da bicamada de POPC com 50 fosfolipídios

Ajustar a caixa do lipídio. Com esse comando o lipídio ficará orientado paralelamente ao eixo z. 

 

$ gmx editconf -f popc.gro -o popc.gro -c -d 0

É interessante termos uma caixa com base quadrada. Para isso, altere a última linha do arquivo popc.gro para que os componentes x e y do vetor da caixa tenham o mesmo tamanho. Identifique o menor valor desses componentes e utilize-o para os dois. Assim

0.57000   0.91700   2.53600

deve ser substituído por: 

0.57000   0.57000   2.53600

Agora vamos replicar a caixa. Com esse comando você gerará um conjunto de 16 lipídios posicionados paralelamente. As flags -rot e -maxrot farão com que os lipídios sejam rotacionados aleatoriamente tendo o eixo z como eixo de rotação.

$ gmx genconf -f popc.gro -o popc8a.gro -nbox 5 5 1 -rot -maxrot 0 0 180

 

Agora vamos gerar a lamela inferior da membrana. Use o comando editconf para rotacionar a caixa e transladar-lá. O resultado será salvo em um novo arquivo. Note que o primeiro comando rotaciona o sistema tomando o eixo Y como eixo de rotação. Como por padrão os eixos se encontram na base da caixa e não no seu centro, a estrutura gerada está deslocada em relação à estrutura original. Daí o segundo comando para transladar a estrutura usando a flag translate. Um pequeno deslocamento para baixo no eixo Z garante que os centros dos átomos nas pontas das cadeias alquílica não se sobreponham. A sobreposição de átomos pode gerar problemas na simulação. Abra os dois arquivos juntamente no VMD para se certificar que o posicionamento das lamelas está correto.

O primeiro comando rotaciona a caixa em 180° no eixo y (observe o resultado no VMD). O segundo comando translada a caixa no eixo X e Z para que as lamelas fiquem alinhadas e suficientemente separadas. O espaço transladado em X foi igual ao componente X da caixa. Você pode usar o comando cat para juntar as duas lamelas em um único arquivo. 


$ cat  popc8a.gro  popc8b.gro > memb.gro

É necessário editar o arquivo memb.gro para que o GROMACS e o VMD reconheçam as lamelas como parte de uma única estrutura e não como duas estruturas independentes. Abra o arquivo com o VMD para entender melhor. Apenas uma das lamelas será mostrada. Isso acontece porque, ao chegar ao último átomo da primeira lamela o VMD entende que o arquivo chegou ao fim e desconsidera o restante das linhas. 

Abra o arquivo memb.gro e duplique o número de átomos contido na segunda linha do arquivo memb.gro. Apague as linhas 1303, 1304 e 1305. Essas linhas são referentes à última linha do arquivo popc8a.gro e as primeiras duas linhas do arquivo popc8b.gro. Feche o arquivo e altere o tamanho da caixa usando o comando:

$ gmx editconf -f memb.gro -o memb.gro -d 0 -c -resnr 1

A flag -resnr 1 vai re-numerar os átomos e resíduos no arquivo de texto. Não é essencial, mas vai deixar seu arquivo mais organizado. A caixa pode ser visualizada no VMD usando o comando:

$ pbc box

    É necessário abrir espaço para a água. Vamos adicionar aproximadamente 2 nm de cada lado da membrana. Assim, aumente a caixa no eixo z usando o editconf:

$ gmx editconf -f memb.gro -o memb.gro -box 4.85 4.61 12 -c

    O arquivo popc.top contém os parâmetros de uma única molécula de POPC. Altere a última linha desse arquivo para que o número abaixo de #mols (no final do arquivo) corresponda ao número de moléculas de POPC no seu sistema. Para adicionar as moléculas de água use o solvate:

$ gmx solvate -cp memb.gro -cs spc216.gro -p popc.top -o membsolv.gro

Será preciso retirar a água do interior da bicamada. Abra o arquivo membsolv.gro no VMD. Vá em Graphics > Representations. No campo Selected atoms da nova janela digite: 

not water or same residue as water z > 65 or not water or same residue as water z < 25


Clique em Apply. Para salvar a nova estrutura, selecione o arquivo na janela “VMD main”. Clique em File > Save Coordinates. Na nova janela, em File Type, escolha gro. Em Selected atoms, selecione:

not water or same residue as water z > 65 or not water or same residue as water z < 25

Aqui o arquivo será salvo como solv.gro. Atualize o número de moléculas de água no arquivo topol.top. Você pode verificar o número de moléculas usando:

$ gmx make_ndx -f membsolv.gro

Opcionalmente, você pode copiar para o diretório de trabalho o arquivo ./gromos54a7_old_ions.ff/vdwradii.dat, antes de usar o genbox e modificar o valor do raio de van der Waals do átomo de carbono de 0.15 nm para 0.50 nm. Este “truque” minimizará a adição de moléculas de solvente dentro da região lipídica da bicamada. Apague o arquivo vdwradii.dat de seu diretório de trabalho.