分子模擬第一章PPT課件

1、2021/6/71 分子模擬原理及應(yīng)用分子模擬原理及應(yīng)用 molecular modellingmolecular modelling principles and appilicationsprinciples and appilications 計(jì)明娟 2006.9 2021/6/72 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(gè)重要性質(zhì)：一個(gè)重

2、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) 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(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 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(shí)現(xiàn)以往用實(shí)驗(yàn)才能證明的東西（性質(zhì)）。去實(shí)現(xiàn)以往用實(shí)驗(yàn)才能證明的東西（性質(zhì)）。 2021/6/73 The definition of model The definition of model in Oxford English Dictionary： a simplified or idealized description of a system or proces

3、s, often in mathematical terms, devised to facilitate calculations and predictions. Model的特點(diǎn)：只顯示分子的三維結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：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 。 2021/6/74 The definition of molecular modelling Molec

4、ular modeling is a technique for deriving, representing , manipulating the structures and reactions of molecules, and those properties that are dependent on these three dimensional structures 簡(jiǎn)單的說：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算理論的結(jié)合簡(jiǎn)單的說：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算理論的結(jié)合 特點(diǎn)：更抽象的模型有關(guān)特點(diǎn)：更抽象的模型有關(guān) 2021/6/75 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 2

5、021/6/76 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 2021/6/77 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例分子動(dòng)力學(xué)分子動(dòng)力學(xué) 2021/6/78 分子模擬計(jì)算理論分子模擬計(jì)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(yùn)動(dòng)考慮電子運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)狀態(tài) 考慮核運(yùn)動(dòng)狀考慮核運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)（電子運(yùn)動(dòng)態(tài)（電子運(yùn)動(dòng) 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(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌 跡表示跡表示 解薛定諤方程解薛定諤方

6、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） 2021/6/79 幾個(gè)容易混淆的術(shù)語(yǔ)幾個(gè)容易混淆的術(shù)語(yǔ) 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(jì)算化學(xué)計(jì)算化學(xué)包含量子力學(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(jì)算機(jī)的其他方法，或者化、構(gòu)象分析和基于計(jì)算機(jī)的其他方法，或者 說數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)化說數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)化 分子設(shè)計(jì)分子設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)和計(jì)算化學(xué)的基本方利用計(jì)算機(jī)和計(jì)算化學(xué)的基本方 法來設(shè)計(jì)和改造分子法來設(shè)計(jì)和改造分子 分子模擬分子模擬更廣的一個(gè)定義，包括上述全部更廣的

7、一個(gè)定義，包括上述全部 2021/6/710 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， 19261926年年 SchrodingerSchrodinger發(fā)表了著名的波動(dòng)方程發(fā)表了著名的波動(dòng)方程 19271927年年 采用量子力學(xué)的方法計(jì)算了氫分子的軌道，采用量子力學(xué)的方法計(jì)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

8、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Flowler, R. HFlowler, 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 Westheiner完成了第一次分子力學(xué)計(jì)完成了第一次分子力學(xué)計(jì) 算；算； 2021/6/711 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)布了分子力場(chǎng)等人發(fā)布了分子力場(chǎng)MMMM 1981 1981年年 Peter KollmanPeter Kollman發(fā)表了發(fā)表

9、了AMBERAMBER力場(chǎng)；力場(chǎng)； 19831983年年 Martin KarplusMartin Karplus發(fā)布了分子力學(xué)與分子動(dòng)力學(xué)模擬程序發(fā)布了分子力學(xué)與分子動(dòng)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(jì)算機(jī)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(jì)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(gè)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(gè)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

10、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。 2021/6/712 分子模擬的主要方法分子模擬的主要方法 從頭計(jì)算 半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算 固體計(jì)算 分子力學(xué) 分子動(dòng)力學(xué) 統(tǒng)計(jì)力學(xué) 2021/6/713 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. 分子力學(xué)分子力學(xué) 計(jì)算計(jì)算 1.能量?jī)?yōu)化，能量?jī)?yōu)化， 2.分子動(dòng)力學(xué)分子動(dòng)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(jì)算體系性質(zhì)，計(jì)算體系性質(zhì) 2，檢驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)結(jié)果 2021/6/714 分子模擬

11、的常用軟件分子模擬的常用軟件 1，常用的平臺(tái)軟件，常用的平臺(tái)軟件 1，SYBYL 2，InsightII 3，HyperChem 4，PCmodel 2， 常用的分子動(dòng)力學(xué)軟件常用的分子動(dòng)力學(xué)軟件 1，AMBER（Assisted Model Building with Energy Refinement ) 2，GROMACS，免費(fèi)，免費(fèi) 2021/6/715 分子模擬的常用軟件分子模擬的常用軟件 5，常用的分子對(duì)接軟件，常用的分子對(duì)接軟件 1，flex，SYBYL的一個(gè)模塊的一個(gè)模塊 2，affinity，InsightII的一個(gè)模塊的一個(gè)模塊 3，dock

12、，免費(fèi)，免費(fèi) / 4，autodock，免費(fèi)，免費(fèi) /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(fèi)，免費(fèi) 2，VMD，免費(fèi)，免費(fèi) /Research/vmd/ 3，Pymol，免費(fèi)，免費(fèi) 7，常用的數(shù)據(jù)庫(kù)，常用的數(shù)據(jù)庫(kù) 1，MDL， 2，ACD，可用晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，可用晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) 3，CSDC，劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) 4，PDB庫(kù)，美國(guó)布魯克海文國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，免費(fèi)庫(kù)，美國(guó)布魯克海文國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

13、室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，免費(fèi) /pdb/Welcome.do 2021/6/716 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 Computers and Chemsitry 計(jì)算化學(xué)郵件列表計(jì)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） 2021/6/

14、717 課程目的課程目的 提供一些在分子模擬和計(jì)算化學(xué)中所使用提供一些在分子模擬和計(jì)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(duì)模擬者提供分子模擬中許多有效方法的對(duì)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(huì)有效的計(jì)算秘，以致非專業(yè)的人也能領(lǐng)會(huì)有效的計(jì)算 工具工具 2021/6/718 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(shì)能面，分子圖形

15、，長(zhǎng)度和能量單位，坐標(biāo)系，勢(shì)能面，分子圖形，長(zhǎng)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(chǎng)的一般特征，能量的表達(dá)形式，經(jīng)驗(yàn)勢(shì)中多體作用和力場(chǎng)的一般特征，能量的表達(dá)形式，經(jīng)驗(yàn)勢(shì)中多體作用和 有效對(duì)勢(shì)，氫鍵和液體水模擬的力場(chǎng)模型，聯(lián)合原子力場(chǎng)有效對(duì)勢(shì)，氫鍵和液體水模擬的力場(chǎng)模型，聯(lián)合原子力場(chǎng) 和簡(jiǎn)化表達(dá)，能量函數(shù)的微分，利用力場(chǎng)計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)，和簡(jiǎn)化表達(dá)，能量函數(shù)的微分，利用力場(chǎng)計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)， 力場(chǎng)參數(shù)和它的轉(zhuǎn)移，離域力場(chǎng)參數(shù)和它的轉(zhuǎn)移，離域-體系和無機(jī)體系的力場(chǎng)。體系和無機(jī)體系的力場(chǎng)。 第三章第三章 分子動(dòng)力學(xué)模擬方法分子動(dòng)力學(xué)模擬方法 簡(jiǎn)單模型的分子動(dòng)

16、力學(xué)，具有連續(xù)勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)，設(shè)置簡(jiǎn)單模型的分子動(dòng)力學(xué)，具有連續(xù)勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)，設(shè)置 和運(yùn)行動(dòng)力學(xué)模擬，限制分子動(dòng)力學(xué)，合并溶劑效應(yīng)的分和運(yùn)行動(dòng)力學(xué)模擬，限制分子動(dòng)力學(xué)，合并溶劑效應(yīng)的分 子動(dòng)力學(xué)，由分子動(dòng)力學(xué)模擬引起的構(gòu)象變化，側(cè)鏈親水子動(dòng)力學(xué)，由分子動(dòng)力學(xué)模擬引起的構(gòu)象變化，側(cè)鏈親水 分子的分子動(dòng)力學(xué)模擬分子的分子動(dòng)力學(xué)模擬 2021/6/719 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，分子的Monte Carlo模模 擬，高分子擬，高分子Monte Carlo模擬中的

17、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(shì)的計(jì)算，化學(xué)勢(shì)的計(jì)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(dòng)力學(xué)比較。和分子動(dòng)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)和分子擬合，簇算法和模式 識(shí)別技術(shù)，在預(yù)測(cè)肽和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)象分析的規(guī)則。識(shí)別技

18、術(shù)，在預(yù)測(cè)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(jì)新分子利用分子模擬方法尋找和設(shè)計(jì)新分子 分子設(shè)計(jì)的基本原理，藥物分子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介，高分子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介，分子篩設(shè)計(jì)分子設(shè)計(jì)的基本原理，藥物分子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介，高分子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介，分子篩設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)介。簡(jiǎn)介。 第七章第七章 應(yīng)用程序和分子圖形簡(jiǎn)介應(yīng)用程序和分子圖形簡(jiǎn)介 HyperChem，Pcmodel，Mopac，Origin and Chemsket 。 2021/6/720 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(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì).徐筱杰、侯廷軍