Vizualizacija i uređivanje molekula alatom Avogadro
Avogadro je besplatan digitalni alat otvorenog koda namijenjen vizualizaciji, izradi i uređivanju molekula. Dizajniran je za korištenje na više platformi u računalnoj kemiji, modeliranju molekula, bioinformatici, znanosti materijala i srodnim područjima. Ovaj alat podržava uvoz različitih vrsta podataka specifičnih za kemiju, poput Open Babela. Također omogućuje izravno učitavanje podataka iz baza podataka proteina (engl. Protein Data Bank, PDB) i kemijskih molekula.
Avogadro se može preuzeti sa stranice projekta na SourceForgeu, a detaljne upute za rad s programom mogu se pronaći na službenim stranicama Avogadra.
Sučelje alata Avogadro
Korisničko sučelje sastoji se od platna za crtanje (crni ekran), pri čemu je u donjem lijevom kutu označen Kartezijev koordinatni sustav. Gornji dio prozora sadrži alatnu traku s osnovnim funkcijama poput crtanja, navigacije, mjerenja itd., a s lijeve strane platna za crtanje nalaze se alatni okviri s proširenim funkcionalnostima alata.
Za brže snalaženje, možemo koristiti miš za navigaciju:
- lijevi klik: dodavanje atoma
- lijevi klik + povlačenje: dodavanje atoma i veze
- lijevi klik na molekulsku vezu: mijenjanje broj veza
- desni klik: brisanje atoma ili veze
- desni klik + povlačenje: pomicanje slike
- srednji klik + povlačenje: rotiranje i uvećavanje slike
- srednji dvoklik: centrira i optimalno uvećanje slike
Crtanje atoma i molekula
Alat Draw Tool, u alatnoj traci, omogućuje crtanje i uređivanje molekulskih struktura u trodimenzionalnom prostoru. Lijevo u alatnom okviru za crtanje Draw pod Element možemo odabrati bilo koje atome iz periodnog sustava, a vrstu veze odabiremo pod Bond Order.
Dodatno, alatom Manipulation Tool možemo pomicati pojedine atome. Postoji i varijanta Bond Centric Manipulate Tool, a alatom za navigaciju Navigate Tool pomićemo, rotiramo i uvećavamo prikaz molekule.
Zadatak
Koristeći Avogadro alat za crtanje molekula nacrtajte: metan, etan, propan i butan. Koristeći alat za navigaciju, rotirajte i uvećajte prikaz molekula. Zatim, alatom za manipulaciju, rotirajte i razmaknite vodikove atome na veće udaljenosti od ugljikovih atoma.
Spremanje datoteke
Nakon što ste izradili molekulu odaberite opciju Save ili Save As ovisno o tome želite li spremiti postojeću datoteku ili stvoriti novu. Odaberite željeni format datoteke (npr. .cml) te kliknite na Save.
Ako želite izvesti molekulu u drugi format prikladnima za druge programe, u alatnoj traci odaberite Export Molecule i odaberite željeni format izvoza (npr. .sdf, .pdb, .xyz i sl.) i kliknite na Export.
Datotečni format
Prilikom spremanja ili izvoza datoteke, nužno je specificirati ekstenziju datoteke u njezinom imenu. Inače, može se pojaviti greška "Unable to find suitable file writer for the selected format".
Zadatak
Nacrtajte složenije molekulske spojeve jodne i sumporne kiseline te ih spremite redom u formate .sdf i .xyz.
Vrste prikaza molekula
Avogadro dolazi opremljen različitim vrstama prikaza molekula koji pomažu u molekulskoj interpretaciji. U okviru Display Types možemo odabrati različite reprezentacije molekula od kojih su nam najkorisnije Ball and Stick i Van der Waals Spheres.
Zadatak
Iz prethodog primjera uvezite nacrtane molekulske spojeve i prikažite ih pomoću Van der Waals Spheres reprezentacije molekula.
Optimizacija geometrije
U mnogim slučajevima prilikom crtanja molekule njezina geometrija možda nije ispravna ili ne izgleda potpuno savršeno. Da biste to ispravili potrebno je pod Extensions u Open Babel pronaći Optimize Geometry ili jednostavno koristiti kombinaciju tipki Ctrl+Alt+O. Na ovaj način postižemo realističan prikaz molekule.
Uvoz putem imena molekule
Molekule možemo dobiti i putem uvoza koristeći njihova imena. Pod File u Import odaberemo Download by Name... te upišemo željeno ime molekule, npr. diclofenac.
Uvoz iz baze molekula
Zadatak
Na web stranici PubChem pronđite molekulu saharina i preuzmite njezinu .sdf datoteku. Otvorite ju i prikažite u programu Avogadro.
Izrada molekula pomoću formata SMILES
Format SMILES omogućuje izgradnju 3D molekula putem niza teksta. U izborniku Build, pod opciju Insert, odaberite SMILES.... Unesite željeni SMILES tekst i pritisnite OK.
Zadatak
Prisjetite se formata SMILES s prethodnih vježbi te pomoću SMILES teksta generirajte slike ugljikovog dioskida, ciklookata i izopropanola.
Mjerenje u Avogadru
Koristeći alat za mjerenje Measure Tool možemo odrediti duljine veza, kuteve i dihedrale.
Alat omogućuje odabir do četiri atoma za mjerenje. Klikom na dva atoma, računa se udaljenosti između odabranih atoma. Ako odaberemo najmanje tri atoma, izračunat će se kut između njih, koristeći drugi atom kao vrh. Kod odabira četiri atoma, alat određuje dihedralni kut. Lijevim klikom na prikaz resetira se odabir prethodno odabranih atoma.
Zadatak
Uvezite molekulu kofeina putem njezina imena i odredite duljinu veze, kuteve i dihedrale bilo koja četiri susjedna atoma po izboru.
Elektrostatički potencijal
Elektrostatičke potencijalne sfere pomažu vizualizaciji distribucije naboja i drugih svojstava povezanih s nabojima molekula.
U izborniku Extensions, odaberemo Create Surfaces.... Pojavit će se dijaloški okvir s različitim opcijama površine. Pod Color By, odaberemo Electrostatic Potential, a zatim kliknemo na Calculate. Nakon što Avogadro izračuna površinu, kliknemo Close.
Na stvorenoj elektrostatičkoj površini možemo vidjeti gdje se nalazi najveća gustoća elektrona (područja označena crvenom bojom) i gdje je najmanja gustoća elektrona (tamnoplava područja). Opcije poput prozirnosti i boje površine mogu se mijenjati klikom na ključ pored prikaza Surfaces.
Planarne molekule
Baze kemijskih spojeva kao što je ChEMBL uglavnom imaju spojeve u 2D-u s nerealno kratkim kemijskim vezama. Kod otvaranja takvih spojeva Avogadro će ponuditi pretvorbu koordinata u 3D.
Avogadro 2
Avogadro je danas robusno, fleksibilno rješenje koje povezuje i koristi snagu Visualization Toolkit (VTK), program otvorenog koda za 3D grafiku, procesiranje slika i vizualizaciju, uz dodatne mogućnosti analize i vizualizacije.
Avogadro projekt je u završim fazama ponovnog pisanja središnjih struktura podataka, algoritama i sposobnosti vizualizacije kojeg su autori nazvali Avogadro 2, iako se na službenim stranicama Avogadra još uvijek preporuča stara verzija.
Avogadro 2 nije samo nova verzija Avogadra -- umjesto ažuriranja i nadogradnje ranijih verzija, cijeli kod je nanovo napisan zbog problema u radu Avogadra sa većim skupovima podataka, nesavršenog sučelja i želje da se proširi područje primjene originalno namijenjeno korisnicima Avogadra. Također, jedna od bitnih promjena u odnosu na originalni Avogadro je primjena modularnosti u dizajnu koja dopušta veće korištenje komponenti, kao i manji broj međuovisnosti na druge alate. Autori ističu kako Avogadro 2 još uvijek nema sve funkcionalnosti Avogadra, stoga je moguće imati i koristiti oba na istom sistemu.
Author: Matea Turalija, Irena Hartmann, Vedran Miletić