Programování v jazyce C pro chemiky (C2160) - závěrečné cvičení 7. Ramachandranův diagram
Zadání
Vytvořte program, který zobrazí Ramachandranův diagram, tj. graf závislosti úhlu peptidické páteře \\i na cp (viz. https://en.wikipedia.org/wiki/Ramachandran ploť). V grafu vyznačí oblasti charakteristické pro alfa-šroubovice a beta-listy. Program bude mít následující vlastnosti:
• Bude načítat PDB soubor s proteinem (pouze standardní residua z řádků ATOM)
• Budou určeny atomy peptidické páteře N, C a C-alfa
• Bude implementována funkce pro výpočet torzního úhlu
• Budou spočítány úhly pro jednotlivá \\i na cp residua
• Bude zobrazovat graf kde na ose x bude úhel cp a na y úhel ijj. Body v grafu odpovídající jednotlivým residuím budou barevně odlišeny pro různé typy residuí.
• V grafu budou barevně vyznačeny oblasti charakteristické pro alfa-šroubovice (-110° < cp < -40°, -80° < ijj < -20°) a beta-listy (-150° < cp < -50°, 90° < ijj < 170°)
• Graf bude obsahovat barevnou legendu, nadpis a jméno PDB souboru
• Jméno vstupního PDB souboru bude specifikováno jako parametr na příkazovém řádku
• Program bude uživatele informovat o chybě při otevření souboru, načítání konfiguračního souboru, překročení maximální přípustné velikosti polí a pod.
• Zdrojový kód programu bude opatřen komentáři Nepovinné rozšíření (+5 bodů):
• Program bude načítat konfigurační soubor, ve kterém bude specifikováno jméno vstupního PDB souboru na řádku ve formátu "INPUT_FILE = jmeno_pdb_souboru", dále bude v konfiguračním souboru na samostatném řádku specifikována velikost okna ve formátu "WINDOW_SIZE = sirka, vyska"
• Název konfiguračního souboru bude předán programu jako parametr na příkazovém řádku
Program otestujte se strukturou crambinu (ljxy_noal.pdb) a enzymu haloalkan dehalogenáza (2dhc.pdb), které najdete mezi studijními materiály v IS MU ve složce „data".
Rsraschsndrsnuv diagram
UNK ALA I ARG ASW
GLN GLU GLY
AHahelfciy PDBsoiabor: ljxy_noal.pdb
Ramachatidratiuv diagram
□ □	□
□ ma □	□ □ □ □
	□ □
	□
	
□	□
□ □ □ n	□ □
■ UNK
ALA
■ ARG
■ ASN
■ ASP CYS
■ GLN
■ GLU
■ GLY HIS
■ ILE
■ LEU
■ LYS
■ MET
■ PHE PRO SER
■ T HR
■ TRP TYR
■ VAL
-180 -90 0
phi
h Alfahejixy Betalisty PDB soubor: 2dhc_noH20.pdb
Dodržujte následující pravidla
• Dbejte na správné odsazování textu
• Pro reálné proměnné používejte typ double, ne f loat
• Při každém použití operátoru dělení si ujasněte, zdali dochází k celočíselnému nebo reálnému dělení a jaký typ dělení požadujete
• Proměnné vždy inicializujte vhodnou hodnotou
• Při použití funkcí pro práci s řetězci a při práci s poli dbejte na to, aby nedošlo k překročení velikosti pole
• Dobře zvažte, které proměnné budou lokální a které globální
• Názvy globálních proměnných volte tak aby z nich byl jasný význam proměnné, volte raději delší názvy
• Názvy funkcí volte tak, aby z nich bylo jasné, jakou činnost funkce vykonává
• Pro překlad programů používejte nástroj make (tj. vytvořte si příslušný Makefile)
• Z programu odstraňte veškerý kód, který není nutný pro splnění zadání (např. pozůstatky z minulých cvičení, zakomentované části kódu). Ponechat můžete funkci pro zápis PDB
• Program nesmí při překladu vypisovat žádné varovné hlášky (při použití parametrů -Wall  - pedantic)
• Na začátek programu umístěte stručný komentář obsahující jméno autora, rok vytvoření, popis funkce programu, parametry příkazového řádku, popř. formát konfiguračního souboru popisující činnost programu
• Všechny funkce a proměnné opatřete komentářem
Nápověda
1. Upravte funkci pro načítání PDB souboru tak, že bude načítat pouze řádky ATOM a nikoliv HETATM.
2. Ve struktuře proteinu vyhledejte pro každé residuum atomy peptidické páteře, tj atomy se jménem " N ", " CA", " C ", " O " (vč. mezery na začátku a na konci) - viz. úloha 3 ze cvič. 9
3. Pro pohodlnější práci s těmito atomy přidejte do struktury RESIDUE čtyři celočíselné proměnné (např. atom_C , atom_c_alpha, atom_n, atom_o) které budou obsahovat index příslušných atomů v poli atomů (tj. pořadí v poli atomů). Hodnoty proměnných nastavte pro každé residuum ve funkci pro vyhledávaní residuí nebo v samostatné funkci.
4. Do struktury RESIDUE přidejte dvě proměnné, které budou obsahovat hodnoty torzního úhlu (p a ijj (pojmenované např. angle_phi, angle_psi).
5. Spočítejte hodnoty obou torzních úhlů pro každé residuum (s výjimkou prvního a posledního, pro které nejsou definovány). Uhel se počítá pro atomy peptidické páteře "N", "CA", "C" následovně: cp je úhel mezi atomy C(i-l) -N(i) - CA(i) - C(i) a iJj je uhel mezi atomy N(i) - CA(i) -C(i) - N(i+1) (i je pořadí residua v sekvenci)
6. Pro výpočet torzního úhlu vytvořte samostatnou funkci, které předáte indexy (tj. pořadí v poli atomů) čtyř atomů a funkce vrátí torzní úhel mezi nimi. Torzní úhel (https://en.wikipedia.org/wiki/Dihedral angle) vypočítáme následovně:
Pro atomy se souřadnicemi pl, p2, p3, p4 spočítáme vektory b2 = p2-pl, b2 = p3-p2, b3 = p4-p3 (viz obrázek), torzní úhel pak spočítáme:
uhel = atan2(|b2| • bl • [b2xb3], [blxb2] • [b2xb3]) kde |b2| je velikost vektoru b2, • symbolizuje skalární součin a x vektorový součin
|b2| = sqrt(b2x2 + b2y2 + b2z2)
a • b = ax • bx + ay • by + az • bz
a x b = [aybz - az-by, az-bx-ax-bz, ax-by-aybx]
Testovací data
Příklad výpočtu torzního úhlu pro první torzní úhel (p residua THR2 ze struktury crambinu (ljxy_noal.pdb):
pl = (15.614, 12.736, 5.075)
p2 = (15.046, 11.539, 5.178)
p3 = (13.824, 11.392, 5.952)
p4 = (14.140, 10.687, 7.279)
uhel(v radianech) = atan2(|b2|-bl-[b2xb3], [blxb2]-[b2xb3]) = atan2(1.454 • (-0.568, -1.197, 0.103) • (0.351, 1.866, 0.908), (-0.911, 0.314, -1.379) • (0.351, 1.866, 0.908))
= atan2(-3.401, -0.986) = -1.853 radiánu (tj. -106.2°)
Úhly (p a iJj (ve stupních) pro prvních 5 residuí crambinu (soubor ljxy_noal.pdb):
THR2:	-106	2,	142	6
CYS3:	-132	4,	136	0
CYS4:	-124	0,	147	4
PR05:	-76	2,	-19	3
SER6:	-157	9,	168	1