Simulaciones para acompañar al Manual de prácticas de simulación molecular de proteínas: métodos atomísticos y de grano grueso con AMBER, GROMACS y Martini 3

Simulaciones de β-lactoglobulina Este repositorio contiene los recursos computacionales de apoyo para el Manual de Prácticas de Simulación de Dinámica Molecular Aplicado a Proteínas de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), Unidad Iztapalapa. Incluye las estructuras, topologías, trayectorias de dinámica molecular (DM) y archivos de entrada generados para el estudio de la β-lactoglobulina bovina (BLG, PDB: 7KP5), en sus estados apo (proteína libre) y holo (en complejo con dodecil sulfato de sodio, SDS), tanto en su forma monomérica como dimérica, mediante tres motores/representaciones distintas: AMBER (todo átomo), GROMACS (todo átomo, CHARMM36) y GROMACS/Martini 3 (grano grueso). Requisitos Necesitas tener instalado Miniconda. En el repositorio se incluye el archivo mdanalysis.yml con el ambiente conda y dependencias fijadas. Para recrearlo: mamba env create -f mdanalysis.yml mamba activate mdanalysis Datasets Incluye simulaciones de: Atómistico AMBER Atómistico GROMACS (CHARMM36) CG Martini 3 (modelos elnedyn, GoMartini3, OLIVES; Enhanced_GoMartini3 en los archivos de entrada del dímero) Sistemas simulados Sistema Estado Residuos proteicos Ligando Monómero Apo 162 (cadena A) — Monómero Holo 162 (cadena A) SDS Dímero Apo 324 (cadenas A + B) — Dímero Holo 324 (cadenas A + B) 2 × SDS Preparación de los sistemas Todos los sistemas fueron preparados a pH 6, con GLU-89 protonado en cada cadena (pKa calculado > 7, consistente con la conformación cerrada del asa E-F, transición de Tanford). La cadena B del dímero fue reconstruida con Modeller para completar los residuos faltantes en los extremos N-terminal (posiciones 1-6) y C-terminal (posición 162). El enlace disulfuro CYS-106/CYS-119 de la cadena B fue reparado manualmente en UCSF Chimera antes de la parametrización. Notebooks de análisis analisis_md.ipynb: flujo principal de análisis de trayectorias para el manual. Sistemas incluidos 1) Atómisticos (8 sistemas) Forma Estado Motor/FF Dímero APO AMBER (ff19SB) Dímero APO GROMACS (CHARMM36) Dímero HOLO AMBER (ff19SB) Dímero HOLO GROMACS (CHARMM36) Monómero APO AMBER (ff19SB) Monómero APO GROMACS (CHARMM36) Monómero HOLO AMBER (ff19SB) Monómero HOLO GROMACS (CHARMM36) 2) CG Martini 3 (6 sistemas) Forma Estado Modelo CG Dímero APO elnedyn Dímero APO GoMartini3 Dímero APO OLIVES Monómero APO elnedyn Monómero APO GoMartini3 Monómero APO OLIVES Organización del depósito Cada sistema se distribuye como un archivo .zip individual y autocontenido: incluye la trayectoria seca, la topología/coordenadas (secas y solvatadas, según el motor) y los archivos de entrada necesarios para reproducir la simulación (mdp/itp/top o archivos .in, según corresponda). No hay un zip por motor de simulación: cada sistema es independiente y puede descargarse por separado. Sistemas AMBER (blg_<forma>_<estado>_amber.zip): topología solvatada original (*_original.parm7, *_original.rst7), topología y coordenadas secas (*_dry.parm7, *_dry.rst7), trayectoria seca de producción (*_dry.nc) y archivos de entrada (.in de minimización, equilibración NVT/NPT y producción, ubicados en min/, eq/ y md/; para los sistemas holo, también SDS_amber/ con la parametrización del ligando: antechamber, sqm, SDS.mol2/.frcmod/.lib). blg_dimer_apo_amber.zip blg_dimer_holo_amber.zip blg_monomer_apo_amber.zip blg_monomer_holo_amber.zip Sistemas GROMACS atómisticos (blg_<forma>_<estado>_gromacs.zip): estructura solvatada e ionizada previa a la minimización (*_original.gro), estructura y trayectoria secas (*_dry.gro, *_dry.xtc), topología (topol.top y los .itp asociados; para los sistemas holo, también SDS.itp), archivos .mdp de minimización/equilibración/producción, y bitácora de comandos. blg_dimer_apo_gromacs.zip blg_dimer_holo_gromacs.zip blg_monomer_apo_gromacs.zip blg_monomer_holo_gromacs.zip Sistemas CG Martini 3 (blg_<forma>_apo_CG_<modelo>.zip): estructura y trayectoria secas (*_dry.gro, *_dry.xtc), topología (.itp/.top), archivos .mdp, y los mapas de contacto/insumos de restricción estructural propios de cada modelo (elnedyn, GoMartini3 u OLIVES). blg_dimer_apo_CG_elnedyn.zip blg_dimer_apo_CG_GoMartini3.zip blg_dimer_apo_CG_OLIVES.zip blg_monomer_apo_CG_elnedyn.zip blg_monomer_apo_CG_GoMartini3.zip blg_monomer_apo_CG_OLIVES.zip Recursos compartidos (referenciados por más de un sistema, pero distribuidos aparte para no duplicarlos en cada zip): md_files_gromacs.zip: campo de fuerza CHARMM36 (jul2022) y scripts de preparación compartidos (cambio de hidrógenos, ajuste del ligando SDS, ensamblaje del sistema). martini_forcefield_v3.0.0.zip: campo de fuerza Martini 3.0.0 (proteína, iones, solventes). md_files_amber.zip: parámetros GAFF2 del ligando SDS (SDS.frcmod, SDS.lib), idénticos en blg_dimer_holo_amber y blg_monomer_holo_amber, junto con una plantilla comentada del bloque tleap que los utiliza. A diferencia de CHARMM36, los campos de fuerza de proteína y agua (ff19SB, GAFF2, OPC) se distribuyen con AmberTools y se cargan por nombre en tleap, por lo que no se redistribuyen aquí. Protocolo de simulación (AMBER) Campo de fuerza proteico: ff19SB Campo de fuerza del ligando: GAFF2 con cargas AM1-BCC Modelo de agua: OPC (caja octaédrica, 10 Å de padding mínimo) Redistribución de masa de hidrógeno (HMR): aplicada con ParmEd sobre *_original.parm7 (véase reproducibilidad, abajo); paso de tiempo de 4 fs en producción Termostato: Langevin (γ = 4 ps-1); temperatura de producción: 300 K Barostato: Monte Carlo; presión de referencia: 1 atm Puentes disulfuro declarados en tleap: CYS-66/CYS-160 y CYS-106/CYS-119 por cadena Equilibración: calentamiento progresivo NVT (100 K → 310 K) seguido de etapas NPT con liberación progresiva de restricciones de posición Producción: NPT sin restricciones con pmemd.cuda; trayectorias guardadas en formato NetCDF Reproducibilidad: topología con redistribución de masa de hidrógeno Para reproducir la topología con HMR utilizada en producción a partir de *_original.parm7, ejecutar con ParmEd: parmed.py blg_X_amber_original.parm7 > HMassRepartition > outparm blg_X_amber_hmr.parm7 donde blg_X_amber_original.parm7 corresponde al sistema de interés. Las coordenadas (*_original.rst7) no cambian con este paso, ya que HMR solo redistribuye masas, no posiciones. Software y versiones (AMBER) AMBER 24 (pmemd.cuda, sander, tleap, parmed, pdb4amber) UCSF Chimera 1.19 (preparación estructural y reparación de enlaces disulfuro) Modeller 10.8 (reconstrucción de residuos faltantes, cadena B del dímero) PROPKA 3 (asignación de estados de protonación a pH 6) PDBFixer (adición de hidrógenos explícitos) Uso recomendado Los archivos *_dry.parm7/*_dry.nc (AMBER) y *_dry.gro/*_dry.xtc (GROMACS y CG) están diseñados para su uso directo con herramientas de análisis de trayectorias como CPPTRAJ, MDAnalysis o MDTraj. Los archivos *_original.parm7/*_original.rst7 (AMBER) y *_original.gro (GROMACS) permiten reproducir la preparación completa del sistema, incluyendo solvatación e iones, desde el punto previo a la minimización. Para reproducir la preparación del sistema desde la estructura cristalográfica (PDB: 7KP5) o para ejecutar simulaciones adicionales, consultar los archivos de entrada incluidos en el zip de cada sistema (y los campos de fuerza compartidos, cuando aplique) junto con el manual de prácticas asociado a este depósito. Corrección de SDS.itp (sistemas monómero y dímero holo, GROMACS) Una versión anterior de SDS.itp, generada copiando manualmente las secciones [atoms] y [bonds] de charmm36-jul2022.ff/lipid.rtp, carecía de las secciones [pairs], [angles] y [dihedrals]. Sin estos términos, y con las exclusiones no enlazadas resultantes del valor de nrexcl empleado, la geometría del ligando no estaba restringida por ningún potencial angular durante la minimización ni la producción. Esto produjo configuraciones geométricamente inválidas: los ángulos de enlace instantáneos, verificados numéricamente a partir de las coordenadas, se ubicaron entre 2.6° y 167.1°, frente al valor ideal sp3 de 109.5°. La topología corregida se generó ejecutando gmx pdb2gmx directamente sobre la geometría de referencia (sds.pdb) con el campo de fuerza CHARMM36, procedimiento estándar que genera automáticamente los términos angulares y diedros a partir de la conectividad de enlaces. Las trayectorias de minimización, equilibración y producción de ambos sistemas holo de GROMACS que empleaban la topología anterior quedaron invalidadas por esta razón. Las corridas se repitieron íntegramente (minimización, NVT, NPT y producción) con la topología corregida; las trayectorias incluidas en blg_monomer_holo_gromacs.zip y blg_dimer_holo_gromacs.zip corresponden ya a estas corridas repetidas. Véase la Sección 6.7.2 del manual (Práctica 6) para la documentación completa del error y su corrección. Cita recomendada