《分子動(dòng)力學(xué)》PPT課件.ppt

,分子模擬及 分子動(dòng)力學(xué)簡介,什么是分子模擬,什么是分子模擬 分子模擬是在分子模型的基礎(chǔ)上用計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)，“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)” 通過模擬微觀粒子的運(yùn)動(dòng)來計(jì)算宏觀性質(zhì),溫度 壓力 黏度 傳遞性質(zhì) 表面張力 ,分子間的作用模型,牛頓力學(xué) 量子力學(xué) 統(tǒng)計(jì)力學(xué)等,分子模擬的雙重性質(zhì),分子模擬具有理論和實(shí)驗(yàn)的雙重性質(zhì),分子模擬不能完全取代實(shí)驗(yàn),理論,實(shí)驗(yàn),模擬,理論的正確性,模擬參數(shù)的正確性,模擬方法的選擇 理論的更新,分子模擬的大致分類,與自然界相比的準(zhǔn)確程度,尺度（米）,時(shí)間（秒）,10-9,10-7,10-5,10-3,10-15,10-9,10-6,10-3,1,電子模擬（量化計(jì)算，DFT）,分子模擬（分子動(dòng)力學(xué)，蒙特卡洛）,顆粒方法,流體力學(xué),量子力學(xué)模擬：ab initio,原子結(jié)構(gòu),薛定諤方程,模擬電子云,能量性質(zhì)，化學(xué)鍵等信息,量子化學(xué)計(jì)算 一般處理幾個(gè)到幾十個(gè)原子 常見軟件：GAUSSIAN，NWCHEM等 密度泛函（DFT） 可以算到上百個(gè)原子 常見軟件：VASP,分子級別的模擬,分子水平的模擬 以分子的運(yùn)動(dòng)為主要模擬對象 采用經(jīng)驗(yàn)性的分子間作用函數(shù)模擬微粒之間的作用 一般情況下不考慮電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，因而不能準(zhǔn)確模擬化學(xué)成鍵作用 發(fā)展最早 1950s，Alder，勞倫斯利物默實(shí)驗(yàn)室，分子動(dòng)力學(xué)模擬32個(gè)原子 1950s，Metropolis，洛斯阿洛莫斯實(shí)驗(yàn)室，蒙特卡洛模擬32個(gè)原子 分子級別的模擬應(yīng)用的領(lǐng)域很廣 廣泛應(yīng)用于化學(xué)，物理，生物，化工，材料，機(jī)械，治藥等領(lǐng)域 簡單易學(xué),蒙特卡洛方法,蒙特卡洛是一種優(yōu)化方法 通過蒙特卡洛算法來尋求能量最優(yōu)點(diǎn) 隨機(jī)方法 通過系綜平均來求取宏觀性質(zhì) 模擬的是平衡狀態(tài)，不涉及時(shí)間效應(yīng)（KMC除外） 優(yōu)點(diǎn)是可以跨越時(shí)間因素，缺點(diǎn)是得不到有關(guān)時(shí)間信息的性質(zhì),分子動(dòng)力學(xué),可以模擬平衡狀態(tài)，也可以模擬中間狀態(tài) 可以獲得有關(guān)時(shí)間的信息 受時(shí)間的限制，無法模擬緩慢過程,分子體系 （幾百幾億）,求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程,宏觀性質(zhì),CPMD:考慮量子效應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué),同時(shí)考慮原子核的運(yùn)動(dòng)（牛頓力學(xué)）和電子的運(yùn)動(dòng)（量子力學(xué)） 能同時(shí)準(zhǔn)確模擬物理作用和化學(xué)鍵作用 目前來說CPMD可以處理的體系還很?。◣资畟€(gè)原子）,顆粒方法（Coarse Grain）,將分子基團(tuán)（幾個(gè)或者幾十上百個(gè)原子）當(dāng)成單個(gè)的微粒來處理 微粒之間的作用也是通過類似于分子動(dòng)力學(xué)的未能函數(shù)來描述 可以模擬更長的時(shí)間跨度,電子,原子核,原子,量子級別模擬,分子級別模擬,CG級別模擬,分子動(dòng)力學(xué)簡介,勢能模型,分子動(dòng)力學(xué)對勢能函數(shù)的依賴性：所有從分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算出來得到的宏觀性質(zhì)最終都取決于勢能模型,分子動(dòng)力學(xué)的核心：牛頓運(yùn)動(dòng)方程,勢能（位能）模型：,簡單分子的勢能模型,r,U,r,例：甲烷，某些惰性氣體,質(zhì)點(diǎn)處理,U,r,方阱模型,U,r,階梯模型,復(fù)雜分子的勢能模型,鍵的振動(dòng),鍵角,扭矩,分子內(nèi)部各原子（基團(tuán)）之間的范德華力、靜電力 一般要計(jì)算1-4（相隔超過兩個(gè)鍵的原子或基團(tuán)對）,1,5,4,3,2,復(fù)雜分子的勢能模型,q,q,q,分子之間的范德華力,分子之間的靜電力,例子：丙烷,C,C,C,H,H,H,H,H,H,H,H,10根鍵長作用 18個(gè)鍵角作用 8個(gè)扭矩作用 27個(gè)范德華力作用 27個(gè)靜電作用,鍵長,Morse類鍵長模型,能量阱深參數(shù),鍵長,平衡鍵長參數(shù),胡克類鍵長模型,鍵長,平衡鍵長參數(shù),鍵角,胡克類鍵角模型,鍵角,平衡鍵角參數(shù),扭矩,扭矩障礙參數(shù),扭動(dòng)360度所經(jīng)過的能量最低點(diǎn)的次數(shù),范德華力,Lennard-Jones模型,U,r,不同類別原子之間的作用,混合規(guī)則,A,B,A,B,通常都取1,靜電力,一般情況下只考慮點(diǎn)電荷之間的作用力 不考慮極化作用所帶來的長程項(xiàng)的作用,分子A的點(diǎn)電荷總數(shù),分子B的點(diǎn)電荷總數(shù),周期邊界條件,用有限的微觀分子體系模擬實(shí)際宏觀體系的必要手段,3,2,1,4,3,4,2,1,2,1,計(jì)算周期邊界條件下兩個(gè) 微粒之間的作用,宏觀體系,微觀體系,靜電力的長程校正,主盒,影子,影子,影子,Ewald方法 Particle Mesh Ewald 方法（PME) 計(jì)算量很大,多體作用,B,A,C,處理方法,模型參數(shù)的獲得,通過量子化學(xué)模擬回歸得到 點(diǎn)電荷 范德華力 鍵長、鍵角、扭矩力 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸 鍵長 鍵角 范德華力,分子動(dòng)力學(xué)程序的一般步驟,初始化,能量優(yōu)化,平衡,數(shù)據(jù)產(chǎn)出,避免局部分子重疊， 并不是動(dòng)力學(xué)模擬,根據(jù)所有分子的當(dāng)前坐標(biāo)計(jì)算個(gè)分子的受力（位能函數(shù)） 根據(jù)受力更新分子的坐標(biāo) 在此過程中收集用來計(jì)算宏觀性質(zhì)的有關(guān)信息,讀入模型參數(shù)，模擬控制參數(shù),初始能量優(yōu)化方法,去除某些可能存在的原子重疊 去除某些嚴(yán)重扭曲的鍵長、鍵角、扭矩等 方法 最速下降法 牛頓拉夫森方法 其他 一般優(yōu)化幾千到幾萬步,積分方法,Verlet法 簡單易行，但是有精度損失 Leap-frog法，Verlet法的變種 速度Verlet法 和Verlet法相比，可以同時(shí)獲得位置、速度、加速度，而且沒有精度損失 Beeman算法，速度計(jì)算精度更高，但是計(jì)算量大 預(yù)測-校正法 算法選擇 精度和運(yùn)算量的折衷,步長,體系 原子體系 剛性分子體系 非剛性分子，剛性鍵 非剛性分子,涉及到的分子運(yùn)動(dòng) 平動(dòng) 平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng) 平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、扭矩 平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、扭矩、振動(dòng),建議步長 10 fs 5 fs 2 fs -1 fs,復(fù)合步長,不同性質(zhì)的作用力采取不同的步長 最常見的方法：r-RESPA 成功用于多種體系，簡單流體，有機(jī)分子體系，蛋白質(zhì)等 和普通速度Verlet法相比，對于復(fù)雜分子體系（高分子，生物分子等），r-RESPA可以大大加快運(yùn)算速度，步長可以達(dá)到1-2 fs,SHAKE，RATTLE,為保證原子各自運(yùn)動(dòng)時(shí)分子的整體性而添加的分子內(nèi)部的約束條件算法 最常見的是針對氫原子，因?yàn)闅湓雍芨叩恼駝?dòng)頻率 Verlet算法：SHAKE 速度Verlet算法：RATTLE,NVE模擬,NVE，最簡單的分子動(dòng)力學(xué) E=K+U 恒定體積，而且和外界沒有能量或者物質(zhì)交換，只有動(dòng)能和勢能之間的轉(zhuǎn)換 通過監(jiān)視各能量項(xiàng)的變化，可以檢查程序是否基本正確,溫度的計(jì)算,體系總動(dòng)能和體系溫度的關(guān)系,原子總數(shù),體系總的約束條件數(shù),自由度,模擬開始時(shí)，體系中各微粒的初始速度也是可以根據(jù)這個(gè)關(guān)系計(jì)算,微粒 i 的動(dòng)量,微粒 i 的質(zhì)量,壓力的計(jì)算,壓力與分子間的作用勢能的關(guān)系,理想氣體,分子間的作用造成的剩余壓力,維利系數(shù)W的計(jì)算,其他常見性質(zhì),擴(kuò)散系數(shù),二元徑向分布函數(shù),x,t,x,通過斜率求取D,實(shí)際位置，不是PBC后的位置,NVT：溫度的控制,速度調(diào)節(jié) 簡單scale v=v*(T0/T(t)1/2 Berendsen法 增加調(diào)節(jié)參數(shù) 重新隨機(jī)設(shè)置速度 每隔一定步數(shù)，按照控制溫度隨機(jī)抽取一組高斯速度分布,熱量交換,NVT：溫度的控制,Nose-Hoover法 將交換熱源也當(dāng)成體系的一部分進(jìn)行積分 產(chǎn)生嚴(yán)格的NVT系綜,NPT：壓力控制,控制體積,活塞,類似于溫度控制 通過調(diào)節(jié)體系的體積來調(diào)節(jié)壓力 壓力的控制比溫度更難，因?yàn)閴毫湍芰康奈⒎至浚Γ┏烧龋恳徊降牟▌?dòng)更大,簡單小型體系,氣體的模擬 小分子體系，不需要復(fù)雜的勢能模型 幾百到幾千個(gè)分子，分子分布稀疏，大部分是短程作用 一般用一臺(tái)微機(jī)就可以處理，計(jì)算時(shí)間幾分鐘幾小時(shí) 簡單的液體，不涉及太多的界面性質(zhì) 小分子體系，勢能模型不是很復(fù)雜 幾百個(gè)分子，可能涉及到靜電作用，可能需要長程校正 用微機(jī)也可以處理，計(jì)算時(shí)間一般幾小時(shí)幾天,大型（復(fù)雜）體系和并行算法,必要性 體系越來越大 模擬時(shí)間越來越長 解決辦法 制造更快的處理器 并行計(jì)算機(jī),例子：50000原子的生物體系，1ns模擬 單個(gè)處理器：12天 16個(gè)并行處理器：1天,或者,MPI,Message Passing Interface 90年代初制定和完善的一套并行語法 支持Fortran, C, C+ 簡單易學(xué),并行計(jì)算的主要矛盾,并行效率,需要1小時(shí),需要1/2小時(shí),完美的并行效率,處理器的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，大量的時(shí)間花在處理器之間的信息傳遞上了 CPU的速度幾乎是幾何級數(shù)增長 內(nèi)存的速度是代數(shù)級數(shù)增長 加快數(shù)據(jù)傳輸，盡量減少花在數(shù)據(jù)傳輸上的時(shí)間 數(shù)據(jù)傳輸硬件上的進(jìn)步 算法上做文章,數(shù)據(jù)復(fù)制法,每一個(gè)處理器負(fù)責(zé)處理一部分原子 每一步計(jì)算每一個(gè)處理器都要接受其它處理器負(fù)責(zé)處理的原子的相關(guān)信息 信息傳輸量大，使用的處理器越多并行效率效率越低 一般適合處理5-10萬左右微粒的體系,N=20,n=15,n=610,n=1620,n=1115,1,20,14,8,12,9,19,6,16,13,15,5,2,7,17,4,11,3,10,18,實(shí)際情況,區(qū)域分解法,按照體系的實(shí)際物理位置按區(qū)域劃分每個(gè)處理器的處理范圍 每一步計(jì)算每一個(gè)處理器只需要和相鄰的處理器交換信息 數(shù)據(jù)傳輸量小，并行效率高，適合處理大型體系（超過10萬微粒） 算法比較復(fù)雜（邊界的處理）,N=20,1,20,14,8,12,9,19,6,16,13,15,5,2,7,17,4,11,3,10,18,幾種常見的針對軟材料模擬 分子動(dòng)力學(xué)軟件,NAMD,主要針對與生物和化學(xué)軟材料體系 優(yōu)點(diǎn) 程序設(shè)計(jì)水平高，計(jì)算效率高，號稱可以有效并行到上千個(gè)處理器 兼容多種輸入和輸出文件格式，有很好的分析輔助軟件VMD 有很好的維護(hù)服務(wù) 不需安裝 免費(fèi) 缺點(diǎn) 萬一需要自己安裝的話比較麻煩,/Research/namd/,AMBER,主要針對生物體系，也適當(dāng)兼容一般化學(xué)分子 優(yōu)點(diǎn) 有很好的內(nèi)置勢能模型 自定義新模型和新分子很方便 有很完善的維護(hù)網(wǎng)站 缺點(diǎn) 計(jì)算效率不高（收斂到16個(gè)處理器），運(yùn)算速度慢 $400,,CHARMM,主要針對生物體系，也包含部分化學(xué)體系 優(yōu)點(diǎn) 勢能模型更新很快 自定義新模型比較方便 維護(hù)服務(wù)很好 缺點(diǎn) 運(yùn)算速度慢，計(jì)算效率低 $600,/,TINKER,一般性分子動(dòng)力學(xué)軟件，對生物體系略有偏重 優(yōu)點(diǎn) 支持多種模型 免費(fèi) 缺點(diǎn) 仍在開發(fā)中，某些方面還不完善,/tinker/,LAMMPS,一般性分子模擬軟件 優(yōu)點(diǎn) 兼容當(dāng)前大多數(shù)的勢能模型 編程水平高，計(jì)算效率高（比NAMD差，強(qiáng)于其他所有類似軟件） 可以模擬軟材料和固體物理系統(tǒng) 免費(fèi) 缺點(diǎn) 維護(hù)差,/sjplimp/lammps.html,DL-POLY,一般性分子模擬軟件 優(yōu)點(diǎn) 界面友好 計(jì)算效率高（有兩個(gè)版本供選擇，適合于不同大小的體系） 維護(hù)服務(wù)很好 缺點(diǎn) 兼容性不好 100英鎊,http:/www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/,GROMACS,主要針對生物體系，也適當(dāng)照顧一般化學(xué)體系 優(yōu)點(diǎn) 算法好，計(jì)算效率高 界面友好 維護(hù)服務(wù)好 免費(fèi)軟件 缺點(diǎn) 兼容性不好,/,應(yīng)用舉例：C60和DNA的作用,背景,納米顆粒一般是人工合成物質(zhì) 納米管，納米球，納米棒等等 納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用(PNAS, v99, p6645, 2002) 藥物輸送，基因輸送 納米顆粒的生物安全性 (Science, v300,p243, 2003) C60在魚類腦部的累計(jì) (Environmental Health Perspectives, v112, p1058, 2004) C60導(dǎo)致老鼠的肺部病癥 (Toxicol. Sci. v77, p117, p126, 2004) 用分子動(dòng)力學(xué)研究C60和基因分子的作用,勢能模型和模擬方法,MD引擎 NAMD 靜電力-PME 恒溫 (300 K) 衡壓 (1 bar) 時(shí)間步長 = 2 fs 離子-中和體系 模擬時(shí)間 4-20 ns,DNA模型 AMBER 99 雙鏈, 12-20 堿基對 單鏈, 12-20 堿基 C60, sp2 碳原子用LJ 模型模擬 溶劑 4600到6000水分子 TIP3P模型,典型的起始結(jié)構(gòu),水，離子,水，離子,三個(gè)方向施加周期邊界條件,一個(gè)典型的MD過程, DNA/C60,1 ns 的動(dòng)畫,起始結(jié)構(gòu),C60和DNA的作用,C60和DNA能相互吸引，形成穩(wěn)定的雜化結(jié)構(gòu) 二者的最初作用一般發(fā)生在1-2納秒之內(nèi),C60和B-DNA之間的距離和時(shí)間的函數(shù),C60和A-DNA之間的距離與時(shí)間的函數(shù),結(jié)合能,C60和DNA分子之間典型的結(jié)合能大約在15-40 kcal/mol, 取決于二者的相對作用位置和結(jié)合點(diǎn) C60和DNA分子之間的結(jié)合能遠(yuǎn)大于熱波動(dòng)kT (0.6 kcal/mol) 同時(shí)也遠(yuǎn)大于在同等模擬環(huán)境下C60和C60之間的結(jié)合能 (7.5 kcal/mol),C60和B型DNA之間的作用,C60吸附于DNA側(cè)面,C60吸附于DNA尾部,C60和B-DNA形成穩(wěn)定的結(jié)合體，一般的結(jié)合能在20-40kcal/mol 比較穩(wěn)定的結(jié)合部位在DNA的尾部或者側(cè)面（minor grooves）,C60和A型DNA,C60進(jìn)入DNA尾部,C60和A型DNA的側(cè)面和尾部結(jié)合，而且，C60可以進(jìn)入A型DNA的尾部,C60和A-DNA,如果沒有C60吸附，尾部的堿基對形成氫鍵的原子對之間的距離,穿入DNA尾部的C60破壞了DNA尾部的堿基對的氫鍵,C60進(jìn)入DNA尾部后，尾部的堿基對形成氫鍵的原子對之間的距離,C60對DNA結(jié)構(gòu)的影響,變形的角度,吸附在A型DNA側(cè)面的DNA使得DNA堿基對之間的相對結(jié)構(gòu)變形。本應(yīng)平行的堿基對變形形成了一個(gè)大約20度的角,C60和單鏈DNA的作用,C60和單鏈DNA之間的結(jié)合導(dǎo)致單鏈DNA的嚴(yán)重變形 C60被單鏈DNA的某些部分包圍，疏水的堿基平面和C60緊密接觸 C60和單鏈DNA的結(jié)合能大約在20到30 kcal/mol,結(jié)合部位水的結(jié)構(gòu),C60和DNA之間結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力是疏水作用,DNA親水部位的水密度