分子力场ppt演示课件.doc

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1、分子力场ppt演示课件分子模拟概论计算机模拟在高分子和生物大分子领域的应用从20世纪60年代至今已经发展到一个崭新的阶段。它是基于3个方面的发展：1.分子力场的发展2.模拟分子体系算法的发展3.计算机硬件软件的发展1.分子模拟法是用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理与化学性质。分子模拟不但可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子的动态行为（分子链的构象、分子的吸附、分子的扩散以及相互作用）。分子模拟包括四种方法：量子力学法蒙特卡洛法分子力学法分子动力学方法2.由于没有近似（除力场的函数与参数是从实验中得到的之外）而遵从严格的物理定律，分子模拟法也

2、称作计算机实验方法。一方面它可以用来模拟、研究现代物理、化学和生物实验方法尚难以为计的物理化学现象和过程。另一方面，它可以用来缩短新材料（在生物化学中缩短新药物）的研制周期，降低开发成本。在屏幕上设计出化学上或拓扑上不同的分子，通过分子模拟预报出新分子各种稳定的构象和聚集结构，进而预报它们应具有的物理化学性质，筛选新材料的设计方案。3.人类认识客观世界是通过实验方法与理论方法来实现的。而计算机模拟被称为是人类认识客观世界的第三种方法。1.分子力学方法（MolecularMechanics）分子力学方法可以看作是一种使用经典力学方法描述分子的结构与几何变化的方法。它使用各种弹簧来连接分子

3、体系中的原子。这种方法依赖于所有弹簧的性质，也就是说分子力学方法依赖于分子力场。分子力场对此是起决定性作用的。实际上，许多希望用分子模拟方法解决的问题，对于量子力学方法来讲，体系过大而无法处理。因为量子力学面对体系中的电子，即便是忽略一些电子的半经验方法仍然要处理大量的粒子，因而对大的体系难以实现。分子力学方法，忽略电子的运动,只计算与原子核位置相关的体系能量。因而分子力学可以计算含有大量原子的体系，如高分子材料，生物大分子等。分子力学的原理首先是Born-Oppenheimer近似下对势能面的经验性拟合。由量子力学知道，对于完整的，具有时间依赖性的Schrodinger方程进行简化，

4、在非相对论及无时间依赖性的情况下，得到简化形式的Schrodinger方程：H（R,r）＝E（R,r）根据B-O近似，可将上式分解成电子运动方程和核运动方程：He（R,r）＝E（R,r）Hn（R）＝E（R）E=He由于量子化学求解电子波函数和势能面耗时巨大，常常把势能面进行经验性的拟合，成为力场，由此构成了分子力学方法的基础。分子的能量一般表示为一系列能量的加和：V总=V键合+V非键合V键合=V键伸缩+V键角弯曲+V中心排斥+V扭转然后，将表达式中的能量使用不同的经验公式代替，这些经验公式就是力场。针对材料分子的力场主要有DREIDING,MM2，UFF，COMPASS力场等，针对蛋白

5、质和生物大分子的力场主要有AMBER，VFF,CHARMM，GROMOSD力场等。以DREIDING力场为例:1).内坐标:描述分子结构的内坐标有4种:A键伸缩内坐标;B键角弯曲内坐标;C面外弯曲内坐标；D二面角内坐标;2).在DREIDING力场中，势能函数表达为：V键合=V键伸缩+V键角弯曲+V中心排斥+V扭转V非键合=V范德华+V静电+V氢键其他的分子力场如UFF,COMPASS等就是针对不同体系使用不同的经验函数而形成的。其次，分子力学使用简单的作用模型，对体系相互作用的贡献来自诸如键伸缩，键角开合、单键的旋转等等。即使使用类似Hooke定律：f=kX这样的简单函数，也能令力场

6、运转良好。另外，分子力场的可移植性也是分子力学模拟的一个关键属性。分子动力学方法，也称为分子动态法。由于分子力场所描述的是静态性质的势能，而真实分子的构象除受势能的影响外，还受到外部因素如温度、压力等条件的影响。在这种情况下，分子动力学的计算应当是更切合实际、符合真实状态的计算方法。2.分子动力学方法（MolecularDynamics）分子动力学以分子力学为基础，在给定的势能函数和力场下对经典牛顿力学运动方程积分，研究分子系统的运动和构形空间Fi(t)＝miai(t)Fi(t)=-▽iEmiai(t)=mi2xi(t)/t2分子动力学的基本假设是:对无限空间的平均等于系统整体平均或对

7、构形空间的积分,常用的积分算法有Verlet积分,Beeman等。分子动力学最初用于模拟简单液体行为,计算热力学性质,后来扩展到模拟多肽，晶态和溶液中的蛋白质,以及计算非肽生物聚合物(低聚糖,寡糖等)。在构象分析方面，分子动力学方法比能量最小化方法更能克服不同构象之间的能垒,达到更广的构象空间。如果升高温度，采用退火方法，则可以越过更高的动力学壁垒。.26v分子力学的特点v概念清楚，便于理解及应用概念简明易于接受。分子力学中的总能量被分解成键的