分子模擬復習綱要

1、與實驗相比，計算機模擬的優(yōu)點： （ p1）1）成本降低； 2）增加安全性； 3 ）可研究極快的反應和變化； 4）得到較佳的準確度； 5 ）增進對問題的 了解常見的分子模擬方法： （p1-p4）1）量子力學方法； 2）分子力學方法； 3 ）蒙特卡洛模擬； 4 ）分子動力學模擬； 5）布朗運動模擬。 關于模擬模型 模擬體系中分子模型的建立是實現分子模擬的基礎。通常情況下，基于力場的分子模擬其數學建模的建立 劃分為兩個階段： 1）原子、基團、分子的數學坐標的建立；2）力場函數形式的選取及參數的分配。模擬計算的成敗很大程度上取決于力場的適用性、計算速度的快慢、計算方法的正確性以及起始結構的合 理性。一

2、般常用分子力學方法計算分子的最低能量構象、構型轉換能障、振動頻率和各種熱力學性質。以 108 個水分子的模擬為例A. 選擇模擬軟件 常用的分子動力學模擬軟件包 ： AMBER ；CHARMM ； GROMACS;NAMD;DLPOLY1）TINKER 軟件包是 Jay William Ponder 教授開發(fā)的一個較完整的分子模擬軟件包，涵蓋分子力學、分子動力學模擬、蒙特卡羅模擬等計算?？梢允褂迷S多常用的力場及參數，如 Amber 力場 ,CHARMM力場,OPLSAA力場、MM系列力場以及 Ponder等發(fā)展的AMOEBA極化原子多極 矩力場。B. 小分子建模軟件 Gaussview 3.0獲

3、得單分子坐標 TINKER Crystal 獲得單胞、晶體坐標C. 關于坐標利用實驗手段獲得分子結構（數學坐標）一般是模擬工作者的第一選擇。目前，可以獲得分子結構的 實驗手段主要包括： X 射線衍射法， NMR 譜等。實際模擬中，一些大分子蛋白及核酸 3D 晶體結構可以從 蛋白質數據庫得到。此外，許多模擬對象的幾何結構也可以通過理論計算和一些建模軟件得到全原子力場 若力場考慮系統(tǒng)中所有原子，稱為全原子力場 聯合原子力場將原子基團合并考慮，稱為聯合原子力場 如針對長鏈烷基化合物所設計的力場。此力場將甲基與亞甲基均視為一原子團，質量分別為15 及 14 原子質量單位。原子團的中心位于碳原子上。分子

4、內坐標OH1B1H1B2 2A1B10.96000000B20.96000000A1109.50000006分子的內坐標 是由原子序號、 原子類型、 鍵長、鍵角和二面角等組成， 用以表述分子的結構信息。 （TINKER 坐標 正丁烷 ）14 C4H10 /charmm271 CT3-1.851851850.959595950.000000002723452 HA-1.495179011.463994140.87365150113 HA-1.495179011.46399414-0.87365150114 HA-2.921851850.959609130.00000000115 CT2-1.33

5、853613-0.492336210.000000002616786 HA-1.69520716-0.996733750.87365262157 HA-1.69521086-0.99673560-0.87365004158 CT20.20146387-0.49235441-0.000003772659 10 119 HA0.558134020.01034635-0.874634181810 HA0.558138840.013740310.872665181811 CT30.71477959-1.944283820.0028155627812 13 1412 HA0.35773857-2.450

6、50723-0.8696290411113 HA1.78477949-1.944297370.0023650011114 HA0.35847495-2.446854550.87766964111第1行給出總原子數并注釋，第2-15行分別描述每個原子，具體地，第1-6列分別為原子序號、原子類型、x, y，z坐標、原子的類型數，第 7-10列為與該原子鍵連的原子序號。分子的自由度（p24） N個原子的分子，其勢能為 3N個笛卡爾坐標的函數；亦可以表述為3N-6 （線性分子為3N-5）個內坐標函數。關于勢能面 （p52 ）分子的任一幾何位置坐標，即任何一種構象，對應于勢能面的一點， 具有一定的勢能。

7、勢能面上兩極小點間的轉換途徑稱為反應（途徑）路徑。將反應路徑中各點能量連成的曲線稱為反應能量 曲線，進行路徑的變化坐標稱為反應坐標。D. 選擇力場常用的力場（p13-p16）1） MM 形態(tài)力場2） AMBER 力場3） CHARMM 力場4） CVFF力場5）第二代力場6）OPLSAA 力場atom58OW"SPC Water 0"815.9952atom57HW"SPC Water H"1 1.008 1bond5758527.21.0000angle57585737.95109.47vdw583.1655552960.155406042vdw570

8、.000 0.0000charge224-0.820charge2250.410第1-2行定義了 H2O的兩種類型原子，即 O和H原子，第2-7列分別對應每種原子的原子種類數、對應 原子種類的符號表述、原子的注釋、元素序號、相對原子量和原子鍵連個數。第3行為鍵的定義，第2-3列描述了該鍵對應的原子種類數，第4-5列給岀了該鍵的力場參數（諧振子函數）力常數Kb和平衡鍵長r0。第4行為鍵角的定義，第2-4列描述了該鍵角對應的三個原子的種類數，第5-6列給岀了該鍵角的力場參數（諧振子函數）力常數 KV和平衡鍵角第5-6行定義0、H原子的分子間范德華相互作用參數，第3-5列分別給出了對應原子類型的LJ

9、勢的;7和參數。（值得注意的是該模型忽略了H原子范德華相互作用）。第7-8行定義了 O、H原子的原子部分電荷，氧為-0.82，氫為0.41。 （OPLSAA原子既定義類型（type ）又定義種類（class）力場（p6 ）力場是勢能面的經驗表達式（數學形式），是表示分子勢能的函數。決定力場的兩個要素：函數形式，參數復雜的分子的總勢能一般可分為各類型勢能的和，即，總勢能=鍵伸縮勢能+鍵角彎曲勢能 +二面角扭曲勢能+非鍵結勢能+庫侖靜電勢能+交叉項水分子（不考慮氫鍵作用的oplsaa力場）N bN ；Nvdw-Nc q qU 八Kb（b-bo）2' K«0）2'L）12-

10、L）6' 蟲br r ijrij參數：Kb, b0鍵伸縮 Ke,00角彎曲oo,£o和甬，eH;范德華力q。、qH的電荷參數2 2加和項：108 X2鍵108 X1角 C108 X3 X3 庫侖作用 C108 X3 X3 范德華作用E. 水盒子的邊長、密度與水分子水的關系N =a3TN0/Mi08=（a 10'cm）3 1.0g cm 6.023 1023/18g molJ周期性邊界條件 模擬計算中，為使計算中系統(tǒng)的密度恒定，通常采用周期性邊界條件條件。位于中央的盒子表示所模擬的系統(tǒng)，其周圍的盒子與模擬系統(tǒng)具有相同的排列和運動。截斷半徑 模擬計算中，常采用最近鏡像的概

11、念，因此需采用截斷半徑的方法計算非鍵結的遠程作用力，否則會因重復計算粒子所受的力而導致不正確的結果。截斷半徑最大不能超過盒長的一半。長程作用力計算方法(p 152-165)1 ）中央多極展開法；2）Ewald求和法;3）作用場方法;4 ）鏡像電荷計算法;5）溶劑介電質模型Verlet 算法只對位移的進行演化，r (tt)二 2r(t) - r (t - t) 1 F (t) t2不對速度進行演化，速度的計算使用如下公式v（t） = r（t+;t） - r（t-;.t）/（2 ；.t）優(yōu)點：良好的穩(wěn)定性，能量守恒；良好的時間可逆性；缺點：不能自啟動；對位置和速度的處理不是同一精度；求速度時含1/

12、、tG.分子動力學模擬方框圖（p79）津槿并初始化求韻運動方程預悠平衡“建觀圭的樓愼肘辭 r是、a計算平均養(yǎng)里"結束"好的積分方法的判斷標準1）耗時少，儲存量少；2）允許長時間步長；3）滿足能量守恒定律；4）時間可逆；5）方程簡單，且易于程序化步長的選取 （p75 ）通常情況下，積分步長應小于系統(tǒng)中最快運動周期的1/10系統(tǒng)熱平衡判斷（p79 ）恒能系統(tǒng)中，當總動能在 3/2 Nk bT上下呈現約10%的漲落，此時系統(tǒng)已達熱平衡狀態(tài)力的計算 已知兩位點坐標（X1,y1,z1 ）和（X2,y2,z2）及位點間的相互作用勢 U（r）,求各位點的作用力1 21. U（r）=2kb

13、（r-r。）2f（xj =-（X1 - X2） Kb （r-r°）/rr =（X1 - X2）2（* - y?）2（召 一 zj2f (xj = -f(X2)2. UljW) =4 ；f （xj = - 'U （r）=（人-x2） （12 ；12r 3 _6 ；6r "）/ r ex/ 2 2 2r 八,（為-X2）（y - y2）（乙 - z?）f （xj 二-f （X2）平均量的計算A = A漲落量的計算n i 二£ （A A）2定容比熱計算正則系綜，N2 匚ECv1分子體系，平均溫度 t（ K）,能量漲落匚EkJ mol -（匚EkJ mol J）22 -_j2 （單位：JKmol，）R T28.314JK Jmol 二 仃K）2'開始'1F.蒙特卡羅模擬方框圖關于 Metropolis1）Metropolis2）Metropolis方法方法是Metropolis 等于1953年最先提