分子力學(xué)簡(jiǎn)介

1、分子力學(xué)：基本原理及應(yīng)用簡(jiǎn)介邵強(qiáng)藥物發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)中心中科院上海藥物所2015.09.09分子模擬包括四種方法：量子力學(xué)法蒙特卡洛法分子力學(xué)法分子動(dòng)力學(xué)方法1.分子模擬簡(jiǎn)介 分子模擬法是用計(jì)算機(jī)以原子水平的分子模型來(lái)模擬分子的結(jié)構(gòu)與行為，進(jìn)而模擬分子體系的各種物理與化學(xué)性質(zhì)。分子模擬不但可以模擬分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，也可以模擬分子的動(dòng)態(tài)行為（分子鏈的構(gòu)象、分子的吸附、分子的擴(kuò)散以及相互作用）。原子結(jié)構(gòu)模擬電子云薛定諤方程能量性質(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(jiàn)軟件:GAUSSIAN, NWCHEM密度泛函(DFT):可以算到上百個(gè)原子常見(jiàn)軟件:VASP量子力學(xué)模擬：ab init

2、io實(shí)際上，許多希望用分子模擬方法解決的問(wèn)題，對(duì)于量子力學(xué)方法來(lái)講，體系過(guò)大而無(wú)法處理。因?yàn)榱孔恿W(xué)面對(duì)體系中的電子，即便是忽略一些電子的半經(jīng)驗(yàn)方法仍然要處理大量的粒子，因而對(duì)大的體系難以實(shí)現(xiàn)。分子力學(xué)方法分子力學(xué)方法 分子力學(xué)忽略電子的運(yùn)動(dòng)，只計(jì)算與原子核位置相關(guān)的體系能量。分子力學(xué)認(rèn)為分子體系的勢(shì)能函數(shù)是分子體系中原子位置的函數(shù)，將分子體系作為在勢(shì)能棉上運(yùn)動(dòng)的力學(xué)體系來(lái)處理，求解的是經(jīng)典力學(xué)方程，而不是量子力學(xué)的薛定諤方程。 分子力學(xué)可以求得分子的平衡結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)，但不能得到分子體系與電子結(jié)構(gòu)相關(guān)的其他性質(zhì)。Karplus、Levitt、Warshel工作的突破意義在于設(shè)法讓量子力學(xué)和

3、分子力學(xué)結(jié)合在化學(xué)過(guò)程的建模之中，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的多尺度模擬。量子力學(xué)/分子力學(xué)聯(lián)用方法(QM/MM)分子動(dòng)力學(xué)模擬分子力學(xué)生成分子力場(chǎng)蒙特卡洛模擬分子對(duì)接人 類(lèi) 認(rèn) 識(shí) 客 觀 世 界 是 通 過(guò) 實(shí) 驗(yàn) 方 法 與 理 論 方 法 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 。 而 計(jì) 算 機(jī) 模 擬 被 稱(chēng) 為是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的第三種方法。 SuperComputer分子模擬的意義 實(shí)驗(yàn)方法研究生物體系的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)X射線(xiàn)晶體分析（X-ray crystallography) 只能提供蛋白質(zhì)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)間分辨X射線(xiàn)方法（ Time-resolved X-ray) 對(duì)研究體系有很強(qiáng)的限制性核磁共振（NMR） 目前只能

4、應(yīng)用于較小的體系熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)（FRET）分子模擬時(shí)間尺度2. 分子力學(xué)簡(jiǎn)介Born-Oppenheimer近似下對(duì)勢(shì)能面的經(jīng)驗(yàn)性擬合。量子力學(xué)中的薛定諤方程 （非相對(duì)論和無(wú)時(shí)間依賴(lài)的情況下）：分子力學(xué)（Molecular Mechanics） ，又叫力場(chǎng)方法（force field method），是基于經(jīng)典力學(xué)方程的計(jì)算分子的平衡結(jié)構(gòu)和能量的方法?；炯僭O(shè)：基本假設(shè)：)()(n);();(e),(),(RERRrERrrRErR體系的哈密頓算符與原子核（R）和電子（r）位置相關(guān)的波函數(shù)l基于Born-Oppenheimer近似，其物理模型可描述為：原子核的質(zhì)量是電子質(zhì)量的103105

5、倍，電子速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子核的運(yùn)動(dòng)速度，每當(dāng)核的分布形式發(fā)生微小變更，電子立刻調(diào)整其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以適應(yīng)新的核場(chǎng)。l這意味著，在任一確定的核分布形式下，電子都有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)核間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可視為所有電子運(yùn)動(dòng)的平均結(jié)果。所以電子的波函數(shù)只依賴(lài)于原子核的位置，而不是他們的動(dòng)能。于是這個(gè)近似認(rèn)為，電子的運(yùn)動(dòng)與原子核的運(yùn)動(dòng)可以分開(kāi)處理，可以將上式分解為電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)核運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)電子運(yùn)動(dòng)方程：核運(yùn)動(dòng)方程：2()( , )( )( , )( )()( , )( , )()( )(0)0elNNeNeNelNNekeelekeelNNTHVR rRER rRHVR rER rTERERl方程中的能量Eel

6、(勢(shì)能面)僅僅是原子核坐標(biāo)有關(guān)。相應(yīng)的，方程所表示的為在核勢(shì)能面E(R)上的核運(yùn)動(dòng)方程。l直接求解方程，采用的是從頭算或者是半經(jīng)驗(yàn)，這樣的量化計(jì)算都是把電子的波函數(shù)和能量處理成原子核坐標(biāo)的函數(shù)。由于量子化學(xué)求解電子波函數(shù)和勢(shì)能面耗時(shí)巨大，常常將勢(shì)能面進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的擬合，成為力場(chǎng)，由此構(gòu)成分子力學(xué)的基礎(chǔ)。l將方程用牛頓運(yùn)動(dòng)方程代替，勢(shì)能面采用力場(chǎng)擬合，就構(gòu)成了分子動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。2()( , )( )( , )( )()( , )( , )()( )(0)0elNNeNeNelNNekeelekeelNNTHVR rRER rRHVR rER rTERER電子運(yùn)動(dòng)方程：核運(yùn)動(dòng)方程：分子力場(chǎng)是分子力學(xué)

7、的核心。分子力學(xué)的基本理論就是一個(gè)分子力場(chǎng)由分子內(nèi)相互作用和分子間相互作用兩大部分構(gòu)成，即力場(chǎng)的勢(shì)能包括成鍵和非鍵相互作用，所有的勢(shì)能的總和即為分子的構(gòu)象能。簡(jiǎn)單分子力場(chǎng)分子力學(xué)的基本思想-1930, D. H. Andrews 在分子內(nèi)部，化學(xué)鍵都有“自然”的鍵長(zhǎng)值和鍵角值。分子要調(diào)整它的幾何形狀（構(gòu)象），以使其鍵長(zhǎng)值和鍵角值盡可能接近自然值，同時(shí)也使非鍵作用處于最小的狀態(tài)，給出原子核位置的最佳排布。u分子的經(jīng)典力學(xué)模型 - 1946，T. L. Hill T.L.Hill提出用van der Waals作用能和鍵長(zhǎng)、鍵角的變形能來(lái)計(jì)算分子的能量，以?xún)?yōu)化分子的空間構(gòu)型。u分子力學(xué)的發(fā)展 雖然

8、分子力學(xué)的思想和方法在雖然分子力學(xué)的思想和方法在40年代就建立起來(lái)了，年代就建立起來(lái)了，但是直到但是直到50年代以后，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，用分年代以后，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，用分子力學(xué)來(lái)確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來(lái)子力學(xué)來(lái)確定和理解分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究才越來(lái)越多。直到這時(shí)，才可以說(shuō)分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)越多。直到這時(shí)，才可以說(shuō)分子力學(xué)已成為結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的重要方法之一。研究的重要方法之一。 近幾年來(lái)，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是計(jì)算近幾年來(lái)，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分子力學(xué)方法已不僅能處理一般的中小分子，也

9、不僅主要應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而且能處小分子，也不僅主要應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，而且能處理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域，如生物化學(xué)、藥理大分子體系。在其他的一些領(lǐng)域，如生物化學(xué)、藥物設(shè)計(jì)、配位化學(xué)中，都有了廣泛的應(yīng)用。物設(shè)計(jì)、配位化學(xué)中，都有了廣泛的應(yīng)用。目前，分子力學(xué)是模擬蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及配體-受體相互作用的常用方法。隨著分子圖形學(xué)的不斷發(fā)展，分子力學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分子模型設(shè)計(jì)。當(dāng)今優(yōu)秀的分子設(shè)計(jì)程序都將分子力學(xué)作為初始模型優(yōu)化的主要方法，分子模型的構(gòu)建也是分子力學(xué)為主，分子力學(xué)方法是計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)中常用的方法，特別是在有無(wú)設(shè)計(jì)中，已離不開(kāi)分子力學(xué)計(jì)算和模擬方法。應(yīng)用分子

10、力學(xué)方法，可以迅速得到分子的低能構(gòu)象，通過(guò)構(gòu)象分析可以獲得合理的藥效構(gòu)象和藥效基團(tuán)。如已知受體的三維結(jié)構(gòu)，可以用分析力學(xué)模擬藥物與受體的相互作用。在分子的定量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系研究中，也需要用分子力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。 由于分子力學(xué)是經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，不同的分子力學(xué)方法會(huì)由于分子力學(xué)是經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，不同的分子力學(xué)方法會(huì)采用不同的勢(shì)能函數(shù)（采用不同的勢(shì)能函數(shù)（Potential Energy FunctionPotential Energy Function，PEFPEF）表）表達(dá)式，而且力場(chǎng)參數(shù)值也會(huì)不同。一般將分子的達(dá)式，而且力場(chǎng)參數(shù)值也會(huì)不同。一般將分子的PEFPEF分解成五分解成五部分：部分：鍵伸

11、縮能鍵彎曲能二面角扭轉(zhuǎn)能范德華作用能靜電作用能然后，將表達(dá)式中的能量使用不同的經(jīng)驗(yàn)公式代替，這些經(jīng)驗(yàn)公式就是力場(chǎng)。針對(duì)材料分子的力場(chǎng)主要有DREIDING, MM2，UFF，COMPASS力場(chǎng)等，針對(duì)蛋白質(zhì)和生物大分子的力場(chǎng)主要有AMBER，OPLA,VFF,CHARMM，GROMOSD力場(chǎng)等。)cos(1 (2)(2)(2)(20,20,nVkllkrVtorsionsniianglesiiibondsiN)4)()( 4(061211ijjiijijijijNiNijijrqqrr鍵伸縮能鍵伸縮能 Bond StretchingBond Stretching諧振子函數(shù)諧振子函數(shù)鍵伸縮力常數(shù)

12、鍵長(zhǎng)201()2ssEk ll平衡鍵長(zhǎng)莫斯函數(shù)（Morse Function）20exp() 1seEDA llTRIPOS, Cherm-X, CHARMM和AMBER采用諧振子函數(shù)形式CVFF, DRIEDING和UFF既支持莫斯函數(shù)也支持諧振子模型MM2和MMX用二階泰勒展開(kāi)的莫斯函數(shù)MM3, CFF和MMFF94用三階泰勒展開(kāi)的莫斯函數(shù)含非諧項(xiàng)的函數(shù)： V = (k/2)( r-r0)21-k1 (r-r0)-k2”(r-r0)2-k3”(r-r0)320exp() 1seEDA llDe：depth of the potential energy minimumA=/2De ：mes

13、s ：frequency of the bond vibration (= /)l0 ：the reference value of the bond鍵角彎折能鍵角彎折能 Angle BendingAngle Bending諧振子模型201()2BbEk鍵角彎折力常數(shù)鍵角平衡鍵角l諧振子模型在偏離平衡位置不大的情況下（10以?xún)?nèi)）可以取得很好的結(jié)果。l 采用諧振子的力場(chǎng)包括：TRIPOS, CHEM-X, CHARMM, AMBER以及CVFF等二面角扭轉(zhuǎn)能二面角扭轉(zhuǎn)能 Torsion RotationTorsion Rotation01 cos()2NnTnVEn 為勢(shì)壘高度（barrier

14、height），定量描述了二面角旋轉(zhuǎn)的難易程度； N 為多重度（multiplicity），指鍵從0到360旋轉(zhuǎn)過(guò)程中能量極小點(diǎn)的個(gè)數(shù)； 為相因子（phase factor），指單鍵旋轉(zhuǎn)通過(guò)能量極小值時(shí)二面角的數(shù)值。 為扭轉(zhuǎn)角度（torsion angle）nV 大部分力場(chǎng)如AMBER, TRIPOS, CHEM-X, CHARMM, COSMIC, DREIDING和CVFF采用較簡(jiǎn)單的勢(shì)函數(shù)形式 第二代力場(chǎng)如MM2, MM3, CFF及MMFF94采用傅里葉級(jí)數(shù)形式由于二面角的扭轉(zhuǎn)對(duì)總能量的貢獻(xiàn)小于鍵長(zhǎng)和鍵角的貢獻(xiàn)，一般情況下二面角的改變要比鍵長(zhǎng)和鍵角的變化自由得多。因此在一些處理大分子的

15、力場(chǎng)中常保持鍵長(zhǎng)、鍵角不變，只考慮二面角及其他的作用而優(yōu)化整個(gè)分子的構(gòu)象和能量。交叉相互作用項(xiàng)交叉相互作用項(xiàng) Crossing TermsCrossing Terms鍵伸縮-鍵伸縮相互作用鍵伸縮-鍵角彎折相互作用鍵伸縮-二面角旋轉(zhuǎn)相互作用鍵角彎折-鍵角彎折相互作用鍵角彎折-二面角旋轉(zhuǎn)相互作用應(yīng)用TRIPOS, CHEM-X, DREIDING, AMBER, UFF和COSMIC力場(chǎng)中沒(méi)有相互作用項(xiàng)MM2和MMFF94只支持鍵伸縮-鍵角彎折相互作用項(xiàng)MM3力場(chǎng)支持鍵伸縮-鍵角彎折、鍵角彎折-鍵角彎折、鍵伸縮-二面角旋轉(zhuǎn)相互作用項(xiàng)CVFF和CFF91都支持范德華相互作用能范德華相互作用能Lenn

16、ard-JonesLennard-Jones勢(shì)函數(shù)勢(shì)函數(shù)00( )()() mnLJrrmErrnr r為原子對(duì)間的距離； 為勢(shì)阱深度，為勢(shì)能參數(shù)，因原子的種類(lèi)各異。 正的部分為排斥勢(shì)，負(fù)的部分為吸引勢(shì) n取6，m取12時(shí)，叫做LJ 6-12勢(shì)函數(shù)，用于AMBER, CVFF, CHARMM, DREIDING, UFF以及TRIPOS等力場(chǎng)靜電相互作用靜電相互作用 Electrostatic ContributionsElectrostatic Contributions 點(diǎn)電荷法：通過(guò)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則或者量化計(jì)算確定每個(gè)原子上的部分電荷（partial charge），兩個(gè)原子之間的靜電作用用庫(kù)侖

17、公式來(lái)計(jì)算。偶極矩法：根據(jù)某些規(guī)則計(jì)算出每個(gè)化學(xué)鍵的偶極矩，通過(guò)計(jì)算偶極-偶極相互作用來(lái)描述靜電相互作用。ijchgijq qVKr3(cos3coscos)ijdipoleijijVKr 是分子間或分子內(nèi)偶極-偶極相互作用的能量 和 是兩個(gè)偶極的偶極矩 是兩個(gè)偶極矩間的角度 和 是連接兩個(gè)偶極向量間的夾角dipoleVijijp 兩種方法在處理有機(jī)小分子體系的時(shí)候效率相似，但是當(dāng)用來(lái)處理帶電生物大分子體系時(shí)，偶極矩方法顯得過(guò)于耗時(shí)。MM2, MM3和MMX用鍵偶極矩法計(jì)算靜電相互作用其它力場(chǎng)采用點(diǎn)電荷方法計(jì)算點(diǎn)電荷方法的問(wèn)題在于如何把電荷分配到原子上量子化學(xué)計(jì)算法電荷可以由多極矩、熱力學(xué)性質(zhì)

18、、靜電勢(shì)擬合得來(lái)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則法點(diǎn)電荷法vs 偶極矩法v分子的力場(chǎng)形式-氫鍵), ()()44(222V12061220202)()()cos(1 ()()(frpCrmArqqikkArjiijjiijijijijjtorsionsVnanglesabondsbrrnrrHNOC“能量是相對(duì)的 由不同的方法計(jì)算得到的能量的絕對(duì)值是毫無(wú)意義的。只有當(dāng)它與同體系的其他構(gòu)象計(jì)算得到的能量相比較時(shí)才有意義。比較不同程序計(jì)算得到的能量值用同一種程序時(shí)，比較不同分子的能量值無(wú)意義無(wú)意義力場(chǎng)參數(shù)化分子力學(xué)勢(shì)能函數(shù)是有一系列的可調(diào)參數(shù)組成的。對(duì)可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使分子力學(xué)的計(jì)算值最符合分子的某些性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，得

19、到一套力場(chǎng)的優(yōu)化參數(shù)，再使用這套參數(shù)去預(yù)測(cè)相同原子類(lèi)型的其他分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。分子力學(xué)計(jì)算結(jié)果的精確性除了與力場(chǎng)勢(shì)能函數(shù)表達(dá)式有關(guān)外，還與力場(chǎng)參數(shù)的數(shù)值密切相關(guān)。有效的力場(chǎng)勢(shì)能函數(shù)和正確的力場(chǎng)函數(shù)可使分子力學(xué)計(jì)算達(dá)到很高的精度。一個(gè)好的力場(chǎng)不僅能重現(xiàn)已被研究過(guò)的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，而且能有一定的廣泛性，能用于解決未被實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)的分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。對(duì)于不同的力場(chǎng)不僅力場(chǎng)參數(shù)不同，函數(shù)形式也可能不同。因此，在將一個(gè)力場(chǎng)中的參數(shù)應(yīng)用于另一個(gè)力場(chǎng)時(shí)應(yīng)十分小心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合力場(chǎng)參數(shù)化的過(guò)程要在大量的熱力學(xué)、光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上參數(shù)化的過(guò)程要在大量的熱力學(xué)、光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，有時(shí)也需要由量子化學(xué)計(jì)算

20、的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。進(jìn)行，有時(shí)也需要由量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果提供數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的 分子力學(xué)參數(shù)化方法是通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（幾何構(gòu)分子力學(xué)參數(shù)化方法是通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（幾何構(gòu)型、構(gòu)象能、生成熱、光譜數(shù)據(jù)等）來(lái)優(yōu)化參數(shù)。型、構(gòu)象能、生成熱、光譜數(shù)據(jù)等）來(lái)優(yōu)化參數(shù)。 - - 鍵伸縮振動(dòng)常數(shù)可直接由振動(dòng)光譜獲得。鍵伸縮振動(dòng)常數(shù)可直接由振動(dòng)光譜獲得。 - - 平衡鍵長(zhǎng)、平衡鍵角和角彎曲常數(shù)可由平衡鍵長(zhǎng)、平衡鍵角和角彎曲常數(shù)可由X X射線(xiàn)衍射、射線(xiàn)衍射、中子衍射、電子衍射等方法測(cè)定。中子衍射、電子衍射等方法測(cè)定。 - - 扭轉(zhuǎn)力常數(shù)來(lái)自于扭轉(zhuǎn)力常數(shù)來(lái)自于NMRNMR譜帶和弛豫時(shí)間。譜帶和弛豫時(shí)間。 - - 構(gòu)象能

21、可從光譜和熱化學(xué)數(shù)據(jù)得到。構(gòu)象能可從光譜和熱化學(xué)數(shù)據(jù)得到。 - - 非鍵參數(shù)可從晶格參數(shù)和液體的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)獲得。非鍵參數(shù)可從晶格參數(shù)和液體的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)獲得。量化計(jì)算擬合力場(chǎng)在分子力場(chǎng)發(fā)展的過(guò)程中面臨的最大困難在于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏。這樣就會(huì)在位能函數(shù)的參數(shù)化時(shí)遇到麻煩。原則上可以用量子化學(xué)從頭計(jì)算法來(lái)確定力場(chǎng)參數(shù)。過(guò)去僅僅是利用了坐標(biāo)和能量的關(guān)系。很顯然,要準(zhǔn)確地?cái)M合位能面,就需要有足夠多的計(jì)算點(diǎn)分布在整個(gè)位能面上。結(jié)果就會(huì)使得計(jì)算量變得非常大。但我們注意到從頭計(jì)算不僅可以得到能量,原子電荷,還可以得到能量對(duì)坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)(即原子所受的力),能量對(duì)坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù)(Hessian矩陣元)。這些結(jié)

22、果和構(gòu)成力場(chǎng)的基本要素力常數(shù),電荷等是密切相關(guān)的。這樣我們通過(guò)一次計(jì)算就可以得到用于擬合位能面的多個(gè)數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的力場(chǎng)及程序1. MM形態(tài)力場(chǎng)（Allinger等 1989）按發(fā)展先后順序有MM、MM2、MM3、MM4等特點(diǎn)：將原子細(xì)分，如C原子分為sp3、sp2、sp、酮基碳、環(huán)丙烷碳、碳自由基、碳陽(yáng)離子等在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)算耗時(shí)。MM力場(chǎng)適用于各種有機(jī)化合物、自由基、離子。可得到精確的構(gòu)型、構(gòu)型能、各種熱力學(xué)性質(zhì)、振動(dòng)光譜、晶體能量等。sBTOOPSBVQEEEEEEEEE2. AMBER力

23、場(chǎng)（加州大學(xué)Peter Kollman等 1984）特點(diǎn)：力場(chǎng)參數(shù)全部來(lái)自計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。AMBER力場(chǎng)適用于較小的蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生化分子?？傻玫胶侠淼臍鈶B(tài)分子幾何結(jié)構(gòu)、構(gòu)型能、振動(dòng)頻率及溶劑化自由能。22001260()()1 cos()22244nbondsanglestorsionsijijijijijijijijVkkEllnq qrrr3. CHARMM力場(chǎng) （哈佛大學(xué)Martin Karplus等, 1983）力場(chǎng)參數(shù)除來(lái)自計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比外，并引用了大量地量子計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。此力場(chǎng)適用于小的有機(jī)分子、溶液、聚合物、生化分子等。特點(diǎn)：除有機(jī)金屬分子外，此力場(chǎng)可

24、得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近的結(jié)構(gòu)、作用能、構(gòu)型能、轉(zhuǎn)動(dòng)能障、振動(dòng)頻率、自由能和許多與時(shí)間相關(guān)的物理量。2200222201260()()cos()()(,)4bbijijijijonoffijijijijijEk rrkkknq qABksw rrrrrr4. CVFF力場(chǎng) （Consistent Valence Force Field）Dauber-Osguthorpe group, 1988適用范圍包括有機(jī)小分子和蛋白質(zhì)體系擴(kuò)展后可用于某些無(wú)機(jī)體系的模擬，如硅酸鹽、鋁硅酸鹽、磷鋁化合物主要用于預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)和結(jié)合自由能0()220000000001261()1 cos()()()()()()()c

25、os ()()2jb bbbbbbbbbijijEDeHHnHFbbbbFFbFFrrrr ijijijijq qr5 第二代力場(chǎng) （DFF91 、CFF95 、PCFF 、MMFF93)特點(diǎn)：形式上較上述經(jīng)典力場(chǎng)復(fù)雜，需要大量地力常數(shù)。其力常數(shù)的推導(dǎo)除引用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外，還參照了精確的量子計(jì)算結(jié)果。能精確計(jì)算分子的各種性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、光譜、熱力學(xué)性質(zhì)、晶體特性等。適用于有機(jī)分子和不含過(guò)渡金屬元素的分子系統(tǒng)。AMBER 蛋白質(zhì)力場(chǎng)列表AMBER FF94Connell et al., 1995AMBER FF96Kollman et al., 1995,修正了關(guān)于二面角的描述AMBER FF99

26、Wang et al., 2000,修改二面角參數(shù)AMBER FF99SBHornak et al., 2006,修改主鏈二面角參數(shù)AMBER FF02，F(xiàn)F02ERCieplak et al., 2001,Wang et al. 2006 極化力場(chǎng)AMBER FF03Duan et al., 2003,量子力學(xué)計(jì)算獲得電荷值，采用連續(xù)電介模型處理溶劑極化效應(yīng)，修正二面角參數(shù)AMBER FF99SB-ILDNLindorff-Larsen et al., 2010,修正支鏈二面角參數(shù)AMBER FF99SB-NMRLi et al., 2010,修正二面角參數(shù)AMBER FF14SB、FF14

27、SBonlyscMaier et al.,修正二面角參數(shù)分子力場(chǎng)的選擇蛋白質(zhì)分子的模擬：首選AMBER力場(chǎng)、 CHARMM力場(chǎng)、 GROMCS力場(chǎng)，也可用CFF力場(chǎng)、CVFF力場(chǎng)和MMFF94力場(chǎng)核酸分子的模擬：采用AMBER力場(chǎng)、CHARMM力場(chǎng)、GROMCS力場(chǎng)、 MMFF94力場(chǎng)或用戶(hù)自定義的力場(chǎng)小分子-蛋白質(zhì)復(fù)合物體系的模擬：首選CHARMM力場(chǎng)和MMFF94力場(chǎng)，也可用CVFF力場(chǎng)和CFF力場(chǎng)高分子的模擬：首選COMPASS力場(chǎng)，也可用PCFF力場(chǎng)和CFF95力場(chǎng)v力場(chǎng)所存在的問(wèn)題兩個(gè)相互作用原子間的誘導(dǎo)偶極的作用會(huì)受到其它原子的兩個(gè)相互作用原子間的誘導(dǎo)偶極的作用會(huì)受到其它原子的影響

28、；影響；非鍵作用勢(shì)中假定原子為球形，實(shí)際上非鍵作用受原子形非鍵作用勢(shì)中假定原子為球形，實(shí)際上非鍵作用受原子形狀影響，還需考慮孤對(duì)電子；狀影響，還需考慮孤對(duì)電子；諧振勢(shì)函數(shù)不能精確擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)諧振勢(shì)函數(shù)不能精確擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于靜電作用的處理過(guò)于簡(jiǎn)化。對(duì)于靜電作用的處理過(guò)于簡(jiǎn)化。v力場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)考慮原子極化率考慮原子極化率取用高次項(xiàng)取用高次項(xiàng)發(fā)展含金屬的力場(chǎng)發(fā)展含金屬的力場(chǎng)E分子力學(xué)的應(yīng)用l分子力學(xué)最重要的內(nèi)容是根據(jù)適合的力場(chǎng)計(jì)算分子各種可能構(gòu)象的勢(shì)能，勢(shì)能最低的構(gòu)象為最為穩(wěn)定的構(gòu)象。尋找勢(shì)能最低點(diǎn)的過(guò)程稱(chēng)為能量最小化，所得到的構(gòu)象稱(chēng)為幾何優(yōu)化構(gòu)象。分子的幾何優(yōu)化構(gòu)象是計(jì)算分子性能的基礎(chǔ)。局部極小

29、值:鞍點(diǎn)粗結(jié)構(gòu)能量極小構(gòu)象分子幾何優(yōu)化0; 022xiifFxfr分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化v分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 用于描述分子初始結(jié)用于描述分子初始結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)可以使用分子構(gòu)的原子坐標(biāo)可以使用分子內(nèi)坐標(biāo)、直角坐標(biāo)或晶體坐內(nèi)坐標(biāo)、直角坐標(biāo)或晶體坐標(biāo)。從晶體數(shù)據(jù)得到初始結(jié)標(biāo)。從晶體數(shù)據(jù)得到初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)往往是比較方便的，構(gòu)數(shù)據(jù)往往是比較方便的，若沒(méi)有晶體數(shù)據(jù)，則可用若沒(méi)有晶體數(shù)據(jù)，則可用DreidingDreiding模型來(lái)估計(jì)。模型來(lái)估計(jì)。 輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系力場(chǎng)選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)力場(chǎng)選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)能量極小化能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量最終結(jié)構(gòu)與能量其它信息其它信息

30、v分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 除了初始坐標(biāo)外，還除了初始坐標(biāo)外，還要提供分子中所有原子的聯(lián)接要提供分子中所有原子的聯(lián)接關(guān)系，以便自動(dòng)搜索任何兩個(gè)關(guān)系，以便自動(dòng)搜索任何兩個(gè)原子之間的作用，按不同的聯(lián)原子之間的作用，按不同的聯(lián)接關(guān)系以不同的能量函數(shù)形式接關(guān)系以不同的能量函數(shù)形式計(jì)算對(duì)總能量的貢獻(xiàn)。計(jì)算中計(jì)算對(duì)總能量的貢獻(xiàn)。計(jì)算中所用的能量參數(shù)大部分已在程所用的能量參數(shù)大部分已在程序中準(zhǔn)備好，有時(shí)，要對(duì)某些序中準(zhǔn)備好，有時(shí)，要對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行修改或增補(bǔ)。參數(shù)進(jìn)行修改或增補(bǔ)。 輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系力場(chǎng)選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)力場(chǎng)選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)能量極小化能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量最終結(jié)構(gòu)與能

31、量其它信息其它信息v分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 分子總能量是原子三維坐分子總能量是原子三維坐標(biāo)的函數(shù)，在計(jì)算完初始構(gòu)象標(biāo)的函數(shù)，在計(jì)算完初始構(gòu)象的分子能量后，要進(jìn)行能量極的分子能量后，要進(jìn)行能量極小化的迭代，直到達(dá)到收斂標(biāo)小化的迭代，直到達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)為止。最終給出分子體系優(yōu)準(zhǔn)為止。最終給出分子體系優(yōu)化的原子坐標(biāo)，總空間能及各化的原子坐標(biāo)，總空間能及各能量項(xiàng)的貢獻(xiàn)。能量項(xiàng)的貢獻(xiàn)。輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系輸入坐標(biāo)及連接關(guān)系力場(chǎng)選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)力場(chǎng)選擇、作用項(xiàng)、參數(shù)能量極小化能量極小化最終結(jié)構(gòu)與能量最終結(jié)構(gòu)與能量其它信息其它信息v分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化由于一般只是局部?jī)?yōu)化，這樣的計(jì)算只能找到所用

32、的初始由于一般只是局部?jī)?yōu)化，這樣的計(jì)算只能找到所用的初始構(gòu)象附近的構(gòu)象附近的“最優(yōu)構(gòu)象最優(yōu)構(gòu)象”。所以，選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)。所以，選擇初始構(gòu)象是非常關(guān)鍵的。鍵的。若為了找到全局能量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)象若為了找到全局能量最低構(gòu)象，須將所有可能的初始構(gòu)象分別進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行比較，從而確定分子體系的最優(yōu)分別進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行比較，從而確定分子體系的最優(yōu)構(gòu)象。構(gòu)象。對(duì)于較大的分子，可能的初始構(gòu)象的數(shù)目會(huì)隨原子數(shù)目的對(duì)于較大的分子，可能的初始構(gòu)象的數(shù)目會(huì)隨原子數(shù)目的增加而急劇增加。在選擇初始構(gòu)象時(shí)，應(yīng)把從基本的化學(xué)增加而急劇增加。在選擇初始構(gòu)象時(shí)，應(yīng)把從基本的化學(xué)知識(shí)方面考慮是不可能的構(gòu)

33、象略去。知識(shí)方面考慮是不可能的構(gòu)象略去。 v能量極小化算法能量極小化算法一級(jí)微商算法一級(jí)微商算法最陡下降算法最陡下降算法 Steepest Descents - SDSteepest Descents - SD共軛梯度算法共軛梯度算法 Conjugate Gradients Conjugate Gradients CONJ CONJ二級(jí)微商算法二級(jí)微商算法牛頓牛頓- -拉深法拉深法 Newton-Raphson Method Newton-Raphson Method v能量極小化算法能量極小化算法- -最陡下降法（SD）v能量極小化算法-共軛梯度法（CONJ） 共軛梯度法是一個(gè)典型的共軛方向

34、法，它的每一個(gè)搜索方向是互相共軛的，而這些搜索方向d僅僅是負(fù)梯度方向與上一次迭代的搜索方向的組合，因此，存儲(chǔ)量少，計(jì)算方便。分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本步驟讀入模型參數(shù)、模擬控制參數(shù)初始化能量?jī)?yōu)化升溫長(zhǎng)時(shí)間平衡模擬數(shù)據(jù)分析避免局部分子重疊根據(jù)所有分子的當(dāng)前坐標(biāo)計(jì)算分子的受力根據(jù)受力更新分子的坐標(biāo)在此過(guò)程中收據(jù)用于計(jì)算宏觀性質(zhì)的有關(guān)信息SD+CONJv能量極小化算法能量極小化算法- - Newton-Raphson 法222),(yxyxf以函數(shù) 為例，v能量極小化算法比較能量極小化算法比較最陡下降法： 計(jì)算簡(jiǎn)單，需記憶的容量小；遠(yuǎn)離極小點(diǎn)時(shí)收斂快，常作為計(jì)算簡(jiǎn)單，需記憶的容量??；遠(yuǎn)離極小點(diǎn)時(shí)收斂快，常

35、作為其他方法的第一步。其他方法的第一步。收斂速度較慢。原因是最陡下降方向只有在該點(diǎn)附近有意義收斂速度較慢。原因是最陡下降方向只有在該點(diǎn)附近有意義。共軛梯度法共軛梯度法收斂快，易陷入局部勢(shì)阱，對(duì)初始結(jié)構(gòu)偏離不大收斂快，易陷入局部勢(shì)阱，對(duì)初始結(jié)構(gòu)偏離不大 Newton-RaphsonNewton-Raphson法法計(jì)算量較大，當(dāng)微商小時(shí)收斂快計(jì)算量較大，當(dāng)微商小時(shí)收斂快v概念清楚，便于理解及應(yīng)用概念清楚，便于理解及應(yīng)用分子力學(xué)應(yīng)用范例：QM/MMQM/MM方法發(fā)展來(lái)源于可以將比較大的化學(xué)體系劃分為需要利用QM處理的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電子重要區(qū)域和只是作為環(huán)境的用MM處理的部分 QM/MM 哈密頓如下：

36、其中MM為常規(guī)的分子力場(chǎng)，如 AMBER力場(chǎng)有如下函數(shù)表達(dá)式: nucleiiatomsMMjijijijijnucleiiatomsMMjijjielectronsiatomsMMjijjMMQMRBRARQZrQH612/MMMMQMQMHHHH/22001260()()1 cos()22244nbondsanglestorsionsijijijijijijijijVkkEllnq qrrrQM/MM使用QM方法的選擇QM/MM成鍵部分的處理需要在計(jì)算效率及計(jì)算精度上取得一個(gè)較好的平衡（一般精度越高，計(jì)算量越大）一般計(jì)算速度 從頭算方法DFT半經(jīng)驗(yàn)量化方法OPOOONOOOFFFNOOCalculation times (in time unitsHF/6-31G*PM3AMBER自帶的可用的半經(jīng)驗(yàn)量化方法有自帶的可用的半經(jīng)驗(yàn)量化方法有：PM3, AM1, MNDO, PDDG/PM3, PDDG/MNDO，DFTB及及SCC-DFTB;其中其中DFTB及及SCC-DFTB需要到需