分子模擬課件-第二章-力場(chǎng)

計(jì)算化學(xué)-多學(xué)科交叉化學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算化學(xué)環(huán)境科學(xué)計(jì)算化學(xué)-多學(xué)科交叉化學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)材料科學(xué)生命科學(xué)數(shù)1體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)CAD合成路線CAD化學(xué)CAI數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析及其它應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)量子化學(xué)計(jì)算分子模擬分子結(jié)構(gòu)建模與圖象顯示化學(xué)人工智能分子力學(xué)(MM)分子動(dòng)力學(xué)(MD&MC)計(jì)算化學(xué)計(jì)算機(jī)化學(xué)的主要內(nèi)容體系數(shù)據(jù)和性質(zhì)的綜合分析分子(材料)合成路線化學(xué)CAI數(shù)2模型與模擬模型：在概念上、數(shù)學(xué)上是模擬系統(tǒng)的代表，其行為應(yīng)與系統(tǒng)行為相似，由于常常忽略許多不重要的相互作用項(xiàng)，因此，它涉及了較少的系統(tǒng)的態(tài)。模擬：基于模型運(yùn)動(dòng)軌跡，利用數(shù)值方法表述模型的性質(zhì)。模型與模擬模型：在概念上、數(shù)學(xué)上是模擬系統(tǒng)的代表，其行為應(yīng)與3模型與模擬模型與模擬4分子模擬的模型模擬模型=分子相互作用（分子結(jié)構(gòu)，力場(chǎng)函數(shù)形式及參數(shù)選?。┻吔鐥l件（系統(tǒng)的大小）+分子模擬的模型模擬模型=分子相互作用邊界條件+5分子的微觀結(jié)構(gòu)模型分子的結(jié)構(gòu)-分子構(gòu)象（理論與實(shí)驗(yàn)）模擬系統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)分子的微觀結(jié)構(gòu)模型分子的結(jié)構(gòu)-分子構(gòu)象（理論與實(shí)驗(yàn)）6分子的微觀的表述模型分子的幾何坐標(biāo)直角坐標(biāo)內(nèi)坐標(biāo)幾何坐標(biāo)的獲得實(shí)驗(yàn)方法理論計(jì)算（量子化學(xué)）笛卡爾直角坐標(biāo)系例如：XYZO-0.4640.1770.0H-0.4641.1370.0H0.441-0.1430.0內(nèi)坐標(biāo)OH11.0H11.02104.0分子的微觀的表述模型分子的幾何坐標(biāo)笛卡爾直角坐標(biāo)系7分子的原子、基團(tuán)表述全原子模型聯(lián)合原子模型粗粒模型REMARK蛋白質(zhì)PDB庫(kù)ATOM1O5*DT51-4.58112.5206.8131.000.00OATOM2C5*DT51-5.60311.9605.9811.000.00CATOM3C4*DT51-6.49010.9906.7571.000.00CATOM4O4*DT51-5.6769.9627.3461.000.00OATOM5C1*DT51-5.8519.9548.7711.000.00C分子的原子、基團(tuán)表述全原子模型REMARK8模擬系統(tǒng)的幾何坐標(biāo)晶體模型法蒙特卡羅隨機(jī)采樣法模擬系統(tǒng)的幾何坐標(biāo)晶體模型法9分子內(nèi)能分子的振動(dòng)自由度=3N-6非線性=3N-6線性分子的振動(dòng)能分子的能量分子內(nèi)能分子的振動(dòng)自由度=3N-6非線性分子的10分子間相互作用能范德華能靜電能分子間相互作用能范德華能11微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì)

微觀性質(zhì)T,PU,H,A,G,Sm,Cp,…宏觀性質(zhì)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)分子特性熱力學(xué)性質(zhì)勢(shì)能動(dòng)能uijr微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì)

微觀性質(zhì)T,P宏觀性質(zhì)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)分子特性12分子力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)模特卡羅模擬力場(chǎng)量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分子模擬分子力場(chǎng)力場(chǎng)量子化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分子模擬13第二章：力場(chǎng)第二章：力場(chǎng)14力場(chǎng)簡(jiǎn)述分子的總能量為動(dòng)能與勢(shì)能的和，分子的勢(shì)能通常可表示為簡(jiǎn)單的幾何坐標(biāo)的函數(shù)。復(fù)雜的分子的總勢(shì)能一般可分為各類(lèi)型勢(shì)能的和，這些類(lèi)型包括：總勢(shì)能=鍵伸縮勢(shì)能+鍵角彎曲勢(shì)能+二面角扭曲勢(shì)能+非鍵結(jié)勢(shì)能+庫(kù)侖靜電勢(shì)能+交叉項(xiàng)

勢(shì)能項(xiàng)習(xí)慣用以下符號(hào)表示：這樣以簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)形式表示的勢(shì)能函數(shù)稱(chēng)為力場(chǎng)，力場(chǎng)的完備與否決定計(jì)算的正確程度。力場(chǎng)簡(jiǎn)述分子的總能量為動(dòng)能與勢(shì)能的和，分子的勢(shì)能通常可表示為15各項(xiàng)表示

Estr

:伸展能

Ebend

:彎曲能

Etor

:扭轉(zhuǎn)能

Evdw:范德華能

Eel:靜電勢(shì)能

Ecross:前三項(xiàng)的耦合能鍵相互作用分子間非鍵相互作用力場(chǎng)作用項(xiàng)的一般形式各項(xiàng)表示鍵相互作用分子間非鍵相互作用力場(chǎng)作用項(xiàng)的一般形式16

Estr:AB鍵伸縮能

平衡鍵長(zhǎng)

能量最低

平衡鍵長(zhǎng)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)AB設(shè)為

0最小能量為0簡(jiǎn)化:諧振子鍵伸縮能Estr:AB鍵伸縮能AB設(shè)為0最小能量為0簡(jiǎn)化:17諧振形式是最簡(jiǎn)化的可能形式當(dāng)鍵長(zhǎng)伸展較大時(shí),預(yù)測(cè)的結(jié)果不可靠多項(xiàng)式展開(kāi)

更多的參數(shù)在若干情形下，極限性質(zhì)是不對(duì)的

(如

3rd,5th展開(kāi)情況…)優(yōu)化時(shí)考慮要注意(長(zhǎng)距離能量的截?cái)?/p>

)鍵伸縮能諧振形式是最簡(jiǎn)化的可能形式鍵伸縮能18Morse勢(shì)

D:解離能

精確的真實(shí)行為問(wèn)題由于指數(shù)項(xiàng)評(píng)價(jià)所需更多的計(jì)算時(shí)間，若開(kāi)始于不良幾何構(gòu)型，慢收斂

通常采用方法:Morse勢(shì)的nth級(jí)展開(kāi)鍵伸縮能Morse勢(shì)鍵伸縮能19

Ebend:彎曲A-B-C三原子鍵角的能量

諧振子近似可加入更多的項(xiàng)加以改進(jìn)調(diào)整高次項(xiàng)進(jìn)行修正對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用,諧振子簡(jiǎn)化完全足夠

MM3力場(chǎng)

:6th項(xiàng)

q角彎曲能Ebend:彎曲A-B-C三原子鍵角的能量q角彎曲20A-B-C-D原子序中B-C鍵的角旋轉(zhuǎn)

與伸縮能和彎曲能間的差別能量函數(shù)必須以w角為周期扭曲所引起的能量通常很低。

偏離極小值較大的扭曲可以發(fā)生傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)二面角扭轉(zhuǎn)能A-B-C-D原子序中B-C鍵的角旋轉(zhuǎn)二面角扭轉(zhuǎn)能21建立在一些Vn為

0的基礎(chǔ)上n=1:360度周期n=2:180度周期n=3:120度周期乙烷:3個(gè)最大和3個(gè)最小n=3,6,9,…canhaveVn

二面角扭轉(zhuǎn)能建立在一些Vn為0的基礎(chǔ)上二面角扭轉(zhuǎn)能22

sp2-雜化原子

(ABCD)有一種重要能量與中心角錐的形成有關(guān)

ABD,ABD,CBD角扭曲反映了聯(lián)合形成角錐的能量損耗平面外的彎曲能sp2-雜化原子(ABCD)平面外的彎曲能23

Evdw:描述兩個(gè)原子之間弱相互作用能量

:非鍵能互作用能不涉及原子電荷引起的靜電能排斥和吸引小距離,大排斥

電子云交迭中間距離,微小作用電子相關(guān)-+-+排斥吸引范德華能Evdw:描述兩個(gè)原子之間弱相互作用能量:-+-+24

排斥

+吸引提供兩個(gè)模型

Lennard-Jones勢(shì)

Exp-6勢(shì)也稱(chēng)為“Buckingham”或“Hill”類(lèi)型勢(shì)能范德華能排斥+吸引提供兩個(gè)模型范德華能25庫(kù)侖作用能點(diǎn)電荷近似浮動(dòng)電荷極化電荷庫(kù)侖作用能點(diǎn)電荷近似26常見(jiàn)力場(chǎng)MM系列力場(chǎng)AMBER力場(chǎng)CHARMM力場(chǎng)第二代力場(chǎng)常見(jiàn)力場(chǎng)MM系列力場(chǎng)27MM系列力場(chǎng)此力場(chǎng)為Alinger等所發(fā)展的，依其發(fā)展的先后順序分別稱(chēng)為MM2、MM3、MM4等此力場(chǎng)適用于各種有機(jī)化合物、自由基、離子。應(yīng)用此力場(chǎng)可得到十分精準(zhǔn)的構(gòu)型、夠性能、各種熱力學(xué)性質(zhì)、振動(dòng)光譜、晶體能量等。在MM形式的力場(chǎng)中仔細(xì)考慮了許多交叉作用項(xiàng)，其結(jié)果往往優(yōu)于其他形式的力場(chǎng)。相對(duì)的，其力場(chǎng)形式較為復(fù)雜，比較不易程序化，計(jì)算亦較為費(fèi)時(shí)。MM系列力場(chǎng)此力場(chǎng)為Alinger等所發(fā)展的，依其發(fā)展的先后28AMBER力場(chǎng)AMBER力場(chǎng)為美國(guó)加州大學(xué)的PeterKollman等所發(fā)展的。此力場(chǎng)主要適用于較小的蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生化分子。應(yīng)用此力場(chǎng)通?？傻玫胶侠淼臍鈶B(tài)分子幾何構(gòu)型、構(gòu)像能、振動(dòng)頻率與溶劑化自由能。AMBER力場(chǎng)的參數(shù)全來(lái)自計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比對(duì)。AMBER力場(chǎng)AMBER力場(chǎng)為美國(guó)加州大學(xué)的Peter29CHARMM力場(chǎng)CHARMM力場(chǎng)為美國(guó)哈佛大學(xué)所發(fā)展的。此力場(chǎng)參數(shù)除來(lái)自計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比對(duì)外，并引用了大量的量子計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。此力場(chǎng)可應(yīng)用于研究許多分子系統(tǒng)，包括小的有機(jī)分子、溶液、聚合物、生化分子等。除了有機(jī)金屬分子外，應(yīng)用此力場(chǎng)通常皆可得到與實(shí)驗(yàn)值相近的結(jié)構(gòu)、作用能、夠性能、轉(zhuǎn)動(dòng)能障、振動(dòng)頻率、自由能與許多與時(shí)間相關(guān)的物理量。CHARMM力場(chǎng)CHARMM力場(chǎng)為美國(guó)哈佛大學(xué)所發(fā)展的。此30第二代力場(chǎng)第二代力場(chǎng)的形式遠(yuǎn)較上述的經(jīng)典力場(chǎng)復(fù)雜，需要大量的力常數(shù)。其設(shè)計(jì)的目的為能精確地計(jì)算分子的各種性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、光譜、熱力學(xué)特性、晶體特性等資料。其力常數(shù)的推導(dǎo)除引用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，還參照精確的量子計(jì)算的結(jié)果。尤其適用于有機(jī)分子或不含過(guò)渡金屬元素的分子系統(tǒng)。第二代力場(chǎng)因其參數(shù)的不同，包括CFF91、CFF95、PCFF與MMFF93等。第二代力場(chǎng)第二代力場(chǎng)的形式遠(yuǎn)較上述的經(jīng)典力場(chǎng)復(fù)雜，需要大量的31常用軟件包TINKERAMBERCHARMMDLPOLYGROMACS常用軟件包TINKER32TINKER/tinker/TheTINKERmolecularmodelingsoftwareisacompleteandgeneralpackageformolecularmechanicsanddynamics,withsomespecialfeaturesforbiopolymers.TINKERhastheabilitytouseanyofseveralcommonparametersets,suchasAmber(ff94,ff96,ff98andff99),CHARMM(19and27),AllingerMM(MM2-1991andMM3-2000),OPLS(OPLS-UA,OPLS-AAandOPLS-AA/L),LiamDang'spolarizablepotentials,andourownAMOEBApolarizableatomicmultipoleforcefield.ThereleaseofTINKERversion4.2coincideswithagreatlyimprovedversionoftheForceFieldExplorer(FFE)visualizationprogramandGUI.ThismajornewreleaseofFFEcontainssignificantimprovementsinmanyareassuchasstability,featuresetandintegrationwithTINKER.TINKER's"MolecularMechanics"LogoIllustrationbyJayNelson.CourtesyofProf.RobertPaine,ChemistryDept.,Univ.ofNewMexico.TINKER/33AMBER/"Amber"referstotwothings:asetofmolecularmechanicalforcefieldsforthesimulationofbiomolecules;andapackageofmolecularsimulationprogramswhichincludessourcecodeanddemos.ThecurrentversionofthecodeisAmberversion10,whichisdistributedbyUCSFsubjecttoalicensingagreementdescribedbelow.Amberisnowdistributedintwoparts:AmberToolsandAmber10.AmberTools1.2&Amber10

isnowavailable!AmberwasoriginallydevelopedundertheleadershipofPeterKollman,andVersion9isdedicatedtohismemory.AMBER/34CHARMM/CHARMMisaversatileandwidelyusedmolecularsimulationprogramwithbroadapplicationtomany-particlesystems。Ithasbeendevelopedwithaprimaryfocusonthestudyofmoleculesofbiologicalinterest,includingpeptides,proteins,prostheticgroups,smallmoleculeligands,nucleicacids,lipids,andcarbohydrates,astheyoccurinsolution,crystals,andmembraneenvironments.Itprovidesalargesuiteofcomputationaltoolsthatencompassnumerousconformationalandpathsamplingmethods,freeenergyestimates,molecularminimization,dynamics,andanalysistechniques,andmodel-buildingcapabilitiesTheCHARMMpackageisupdatedeveryhalfyear.Thelatestversionis

CHARMM35(c32b2).Thefollowingliststhepresentdevelopers:IoanAndricioaei,GeorgiosArchontis,StefanBoresch,AmedeoCaflisch,MikeCrowley,QiangCui,AaronDinner,StefanFischer,JialiGao

CHARMM/35DLPOLYhttp://www.cse.scitech.ac.uk:/ccg/software/DL_POLY/DL_POLYisageneralpurposeserialandparallelmoleculardynamicssimulationpackagedevelopedatDaresburyLaboratorybyW.Smith,T.R.ForesterandI.T.Todorov.TwoversionsofDL_POLYarecurrentlyavailable.DL_POLY_2istheoriginalversionwhichhasbeenparallelizedusingtheReplicatedDatastrategyandisusefulforsimulationsofupto30,000atomson100processors.DL_POLY_3isaversionwhichusesDomainDecompositiontoachieveparallelismandissuitableforsimulationsoforder1millionatomson8-1024proces