分子模擬第一章

1、1分子模擬原理及應(yīng)用分子模擬原理及應(yīng)用molecular modellingmolecular modellingprinciples and appilicationsprinciples and appilications計明娟 2006.92第一章第一章 序言序言化學(xué)就其物質(zhì)的根本組成來說，是由電子及原子核化學(xué)就其物質(zhì)的根本組成來說，是由電子及原子核構(gòu)成的。構(gòu)成的。1964年，加州大學(xué)的年，加州大學(xué)的Walter Kohn教授和教授和Hohenberg博士從薛定諤方程出發(fā)，嚴(yán)格證明了博士從薛定諤方程出發(fā)，嚴(yán)格證明了一個重要性質(zhì)：一個重要性質(zhì)： 分子結(jié)構(gòu)決定了分子性質(zhì)分子結(jié)構(gòu)決定了分子性質(zhì)

2、Ps：上述二人共同獲得：上述二人共同獲得1998年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎因此分子模擬就是要用理論方法（模擬分子結(jié)構(gòu)）因此分子模擬就是要用理論方法（模擬分子結(jié)構(gòu)）去實現(xiàn)以往用實驗才能證明的東西（性質(zhì)）。去實現(xiàn)以往用實驗才能證明的東西（性質(zhì)）。3The definition of modelThe definition of model in Oxford English Dictionary：a simplified or idealized description of a system or process, often in mathematical terms, devised to

3、 facilitate calculations and predictions.Model的特點：只顯示分子的三維結(jié)構(gòu)的特點：只顯示分子的三維結(jié)構(gòu)常見的常見的model如下面所示如下面所示, “stick”模型（模型（Dreiding發(fā)明）發(fā)明） “CPK” （ “space filling” ）模型（）模型（ Corey,Pauling和和Koltun），）， “Ribbon飄帶模型飄帶模型 。4The definition of molecular modellingMolecular modeling is a technique for deriving, representing

4、, manipulating the structures and reactions of molecules, and those properties that are dependent on these three dimensional structures簡單的說：計算機(jī)圖形學(xué)和計算理論的結(jié)合簡單的說：計算機(jī)圖形學(xué)和計算理論的結(jié)合特點：更抽象的模型有關(guān)特點：更抽象的模型有關(guān) 5常見的分子模型常見的分子模型線框模型球棍模型棍狀模型CPK模型6常見的生物分子模型常見的生物分子模型碳骨架模型飄帶模型1飄帶模型2片狀管狀模型7應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例分子動力學(xué)分子動力學(xué)8分子模擬計算理論分子模擬

5、計算理論根據(jù)基本原理的不同，分子模擬主要有量子力學(xué)根據(jù)基本原理的不同，分子模擬主要有量子力學(xué)模型和分子力學(xué)模型兩類模型和分子力學(xué)模型兩類考慮電子運動考慮電子運動狀態(tài)狀態(tài)考慮核運動狀考慮核運動狀態(tài)（電子運動態(tài)（電子運動作近似假設(shè)）作近似假設(shè)）量子力學(xué)模型量子力學(xué)模型 用波函數(shù)表示用波函數(shù)表示 分子力學(xué)模型分子力學(xué)模型用質(zhì)點運動軌用質(zhì)點運動軌跡表示跡表示解薛定諤方程解薛定諤方程解力學(xué)方程解力學(xué)方程（經(jīng)典牛頓力（經(jīng)典牛頓力學(xué)方程）學(xué)方程）9幾個容易混淆的術(shù)語幾個容易混淆的術(shù)語理論化學(xué)理論化學(xué)利用數(shù)學(xué)模型來描述化學(xué)，常常利用數(shù)學(xué)模型來描述化學(xué)，常常認(rèn)為與量子化學(xué)同義認(rèn)為與量子化學(xué)同義計算化學(xué)計算化學(xué)包

6、含量子力學(xué)和分子力學(xué)、極小包含量子力學(xué)和分子力學(xué)、極小化、構(gòu)象分析和基于計算機(jī)的其他方法，或者化、構(gòu)象分析和基于計算機(jī)的其他方法，或者說數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)化說數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)化分子設(shè)計分子設(shè)計利用計算機(jī)和計算化學(xué)的基本方利用計算機(jī)和計算化學(xué)的基本方法來設(shè)計和改造分子法來設(shè)計和改造分子分子模擬分子模擬更廣的一個定義，包括上述全部更廣的一個定義，包括上述全部10分子模擬歷史及意義分子模擬歷史及意義 分子模擬的思想溯源于上世紀(jì)初量子力學(xué)的興起分子模擬的思想溯源于上世紀(jì)初量子力學(xué)的興起 19251925年年 HeisenbergHeisenberg發(fā)表了第一篇量子力學(xué)的文章，發(fā)表了第一篇量子力學(xué)的文章，

7、 19261926年年 SchrodingerSchrodinger發(fā)表了著名的波動方程發(fā)表了著名的波動方程 19271927年年 采用量子力學(xué)的方法計算了氫分子的軌道，采用量子力學(xué)的方法計算了氫分子的軌道， 量子化學(xué)由此誕生；量子化學(xué)由此誕生； 19301930年年 AndrewsAndrews提出分子力學(xué)的基本思想；提出分子力學(xué)的基本思想； 19331933年年 Bernal, J. D.Bernal, J. D.和和FlowlerFlowler, R. H, R. H提出了水的提出了水的 原子模型；原子模型； 19461946年年 Frank WestheinerFrank Westhe

8、iner完成了第一次分子力學(xué)計完成了第一次分子力學(xué)計 算；算； 11分子模擬歷史及意義分子模擬歷史及意義 1974 1974年年 AllingerAllinger等人發(fā)布了分子等人發(fā)布了分子力場力場MMMM 1981 1981年年 Peter KollmanPeter Kollman發(fā)表了發(fā)表了AMBERAMBER力場；力場； 19831983年年 Martin KarplusMartin Karplus發(fā)布了分子力學(xué)與分子動力學(xué)模擬程序發(fā)布了分子力學(xué)與分子動力學(xué)模擬程序CHARMMCHARMM； . 分子模擬曾經(jīng)限制在部分科學(xué)家手中，現(xiàn)在隨著理論和計算機(jī)分子模擬曾經(jīng)限制在部分科學(xué)家手中，現(xiàn)在

9、隨著理論和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，任何有興趣的人都可以應(yīng)用。而且應(yīng)用范圍越來越廣，技術(shù)的發(fā)展，任何有興趣的人都可以應(yīng)用。而且應(yīng)用范圍越來越廣，尤其在生命科學(xué)，高分子，材料科學(xué)等多個領(lǐng)域取得了重要成果。尤其在生命科學(xué)，高分子，材料科學(xué)等多個領(lǐng)域取得了重要成果。 2121世紀(jì)也正好是這些領(lǐng)域大展身手的世界，分子模擬的作用也世紀(jì)也正好是這些領(lǐng)域大展身手的世界，分子模擬的作用也將更加重要。將更加重要。 12分子模擬的主要方法分子模擬的主要方法從頭計算半經(jīng)驗計算固體計算分子力學(xué)分子動力學(xué)統(tǒng)計力學(xué)13分子模擬的主要步驟分子模擬的主要步驟確定描述體系所用的模型確定描述體系所用的模型 1. 量子力學(xué)量子力學(xué) 2.

10、分子力學(xué)分子力學(xué)計算計算 1.能量優(yōu)化，能量優(yōu)化， 2.分子動力學(xué)分子動力學(xué) 3.蒙特卡羅模擬，蒙特卡羅模擬， 4.構(gòu)象搜索等構(gòu)象搜索等 分析分析 1，計算體系性質(zhì)，計算體系性質(zhì) 2，檢驗結(jié)果，檢驗結(jié)果14分子模擬的常用軟件分子模擬的常用軟件1，常用的平臺軟件，常用的平臺軟件 1，SYBYL 2，InsightII 3，HyperChem 4，PCmodel2， 常用的分子動力學(xué)軟件常用的分子動力學(xué)軟件 1，AMBER（Assisted Model Building with Energy Refinement ) 2，GROMACS，免費，免費 15分子模擬的常

11、用軟件分子模擬的常用軟件5，常用的分子對接軟件，常用的分子對接軟件 1，flex，SYBYL的一個模塊的一個模塊 2，affinity，InsightII的一個模塊的一個模塊 3，dock，免費，免費 / 4，autodock，免費，免費 /mb/olson/doc/autodock/6，常用的分子顯示軟件，常用的分子顯示軟件 1，Viewlite，免費，免費 2，VMD，免費，免費 /Research/vmd/ 3，Pymol，免費，免費 7，常用的數(shù)據(jù)庫，常用的數(shù)據(jù)庫 1，MDL， 2，ACD

12、，可用晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，可用晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫 3，CSDC，劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫 4，PDB庫，美國布魯克海文國家重點實驗室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，免費庫，美國布魯克海文國家重點實驗室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，免費 /pdb/Welcome.do16分子模擬相關(guān)雜志分子模擬相關(guān)雜志 J. Compt. Chem. J. Molecular Modeling J. Comp. Aid. Mol. Des. J. Chem. Inf. & Comp. Sci. J. Molecular Graphics and Modeling Network Science

13、Computers and Chemsitry 計算化學(xué)郵件列表計算化學(xué)郵件列表 (http:/ （注：可以提問，討論相關(guān)問題）（注：可以提問，討論相關(guān)問題）17課程目的課程目的提供一些在分子模擬和計算化學(xué)中所使用提供一些在分子模擬和計算化學(xué)中所使用的技術(shù)。的技術(shù)。介紹這些技術(shù)如何用于研究物理、化學(xué)和介紹這些技術(shù)如何用于研究物理、化學(xué)和生物的現(xiàn)象。生物的現(xiàn)象。對模擬者提供分子模擬中許多有效方法的對模擬者提供分子模擬中許多有效方法的一些理論背景。一些理論背景。通過課程學(xué)習(xí)幫助同學(xué)解開分子模擬的神通過課程學(xué)習(xí)幫助同學(xué)解開分子模擬的神秘，以致非專業(yè)的人也能領(lǐng)會有效的計算秘，以致非專業(yè)的人也能領(lǐng)會有效

14、的計算工具工具 18課程內(nèi)容課程內(nèi)容第一章第一章 分子模擬中的基本概念分子模擬中的基本概念 坐標(biāo)系，勢能面，分子圖形，長度和能量單位，坐標(biāo)系，勢能面，分子圖形，長度和能量單位，第二章第二章 經(jīng)典力學(xué)模型（分子力學(xué)）經(jīng)典力學(xué)模型（分子力學(xué)） 力場的一般特征，能量的表達(dá)形式，經(jīng)驗勢中多體作用和力場的一般特征，能量的表達(dá)形式，經(jīng)驗勢中多體作用和有效對勢，氫鍵和液體水模擬的力場模型，聯(lián)合原子力場有效對勢，氫鍵和液體水模擬的力場模型，聯(lián)合原子力場和簡化表達(dá)，能量函數(shù)的微分，利用力場計算熱力學(xué)性質(zhì)，和簡化表達(dá)，能量函數(shù)的微分，利用力場計算熱力學(xué)性質(zhì)，力場參數(shù)和它的轉(zhuǎn)移，離域力場參數(shù)和它的轉(zhuǎn)移，離域-體系和

15、無機(jī)體系的力場。體系和無機(jī)體系的力場。第三章第三章 分子動力學(xué)模擬方法分子動力學(xué)模擬方法 簡單模型的分子動力學(xué)，具有連續(xù)勢的分子動力學(xué)，設(shè)置簡單模型的分子動力學(xué)，具有連續(xù)勢的分子動力學(xué)，設(shè)置和運行動力學(xué)模擬，限制分子動力學(xué)，合并溶劑效應(yīng)的分和運行動力學(xué)模擬，限制分子動力學(xué)，合并溶劑效應(yīng)的分子動力學(xué)，由分子動力學(xué)模擬引起的構(gòu)象變化，側(cè)鏈親水子動力學(xué)，由分子動力學(xué)模擬引起的構(gòu)象變化，側(cè)鏈親水分子的分子動力學(xué)模擬分子的分子動力學(xué)模擬 19課程內(nèi)容課程內(nèi)容第四章第四章 蒙特卡羅模擬方法蒙特卡羅模擬方法 Metropolis，Monte Carlo 方法的理論背景和應(yīng)用，分子的方法的理論背景和應(yīng)用，分子

16、的Monte Carlo模模擬，高分子擬，高分子Monte Carlo模擬中的模型使用，模擬中的模型使用，Biased Monte Carlo 方方法，由不同系綜的法，由不同系綜的Monte Carlo，化學(xué)勢的計算，化學(xué)勢的計算，The configuration bias Monte Carlo 方法，通過方法，通過Gibbs 系綜系綜Monte Carlo 方法模擬相平衡，方法模擬相平衡，Monte Carlo和分子動力學(xué)比較。和分子動力學(xué)比較。第五章第五章 構(gòu)象分析構(gòu)象分析 模型構(gòu)建方法，構(gòu)象空間搜索方法，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分子擬合，簇算法和模式模型構(gòu)建方法，構(gòu)象空間搜索方法，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和分子擬

17、合，簇算法和模式識別技術(shù)，在預(yù)測肽和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)象分析的規(guī)則。識別技術(shù)，在預(yù)測肽和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)象分析的規(guī)則。第六章第六章 利用分子模擬方法尋找和設(shè)計新分子利用分子模擬方法尋找和設(shè)計新分子 分子設(shè)計的基本原理，藥物分子設(shè)計簡介，高分子設(shè)計簡介，分子篩設(shè)計分子設(shè)計的基本原理，藥物分子設(shè)計簡介，高分子設(shè)計簡介，分子篩設(shè)計簡介。簡介。 第七章第七章 應(yīng)用程序和分子圖形簡介應(yīng)用程序和分子圖形簡介 HyperChem，Pcmodel，Mopac，Origin and Chemsket 。20教材教材 Molecular Modelling Principles and Applications. Andrew R. L 世界圖書出版社世界圖書出版社, 1996主要參考書：主要參考書： （1） 計算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計計算