分子模拟第一章PPT课件

1、2021/6/71 分子模拟原理及应用分子模拟原理及应用 molecular modellingmolecular modelling principles and appilicationsprinciples and appilications 计明娟 2006.9 2021/6/72 第一章第一章 序言序言 化学就其物质的根本组成来说，是由电子及原子核化学就其物质的根本组成来说，是由电子及原子核 构成的。构成的。 1964年，加州大学的年，加州大学的Walter Kohn教授和教授和 Hohenberg博士从薛定谔方程出发，严格证明了博士从薛定谔方程出发，严格证明了 一个重要性质：一个重

2、要性质： 分子结构决定了分子性质分子结构决定了分子性质 Ps：上述二人共同获得：上述二人共同获得1998年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 因此分子模拟就是要用理论方法（模拟分子结构）因此分子模拟就是要用理论方法（模拟分子结构） 去实现以往用实验才能证明的东西（性质）。去实现以往用实验才能证明的东西（性质）。 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的特点：只显示分子的三维结构的特点：只显示分子的三维结构 常见的常见的model如下面所示如下面所示, “stick”模型（模型（Dreiding发明）发明） “CPK” （ “space filling” ）模型（）模型（ Corey,Pauling和和 Koltun），）， “Ribbon飘带模型飘带模型 。 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 简单的说：计算机图形学和计算理论的结合简单的说：计算机图形学和计算理论的结合 特点：更抽象的模型有关特点：更抽象的模型有关 2021/6/75 常见的分子模型常见的分子模型 线框模型球棍模型 棍状模型 CPK模型 2

5、021/6/76 常见的生物分子模型常见的生物分子模型 碳骨架模型飘带模型1飘带模型2 片状管状模型 2021/6/77 应用举例应用举例分子动力学分子动力学 2021/6/78 分子模拟计算理论分子模拟计算理论 根据基本原理的不同，分子模拟主要有量子力学根据基本原理的不同，分子模拟主要有量子力学 模型和分子力学模型两类模型和分子力学模型两类 考虑电子运动考虑电子运动 状态状态 考虑核运动状考虑核运动状 态（电子运动态（电子运动 作近似假设）作近似假设） 量子力学模型量子力学模型 用波函数表示用波函数表示 分子力学模型分子力学模型 用质点运动轨用质点运动轨 迹表示迹表示 解薛定谔方程解薛定谔方

6、程 解力学方程解力学方程 （经典牛顿力（经典牛顿力 学方程）学方程） 2021/6/79 几个容易混淆的术语几个容易混淆的术语 理论化学理论化学利用数学模型来描述化学，常常利用数学模型来描述化学，常常 认为与量子化学同义认为与量子化学同义 计算化学计算化学包含量子力学和分子力学、极小包含量子力学和分子力学、极小 化、构象分析和基于计算机的其他方法，或者化、构象分析和基于计算机的其他方法，或者 说数学模型的计算机化说数学模型的计算机化 分子设计分子设计利用计算机和计算化学的基本方利用计算机和计算化学的基本方 法来设计和改造分子法来设计和改造分子 分子模拟分子模拟更广的一个定义，包括上述全部更广的

7、一个定义，包括上述全部 2021/6/710 分子模拟历史及意义分子模拟历史及意义 分子模拟的思想溯源于上世纪初量子力学的兴起分子模拟的思想溯源于上世纪初量子力学的兴起 19251925年年 HeisenbergHeisenberg发表了第一篇量子力学的文章，发表了第一篇量子力学的文章， 19261926年年 SchrodingerSchrodinger发表了著名的波动方程发表了著名的波动方程 19271927年年 采用量子力学的方法计算了氢分子的轨道，采用量子力学的方法计算了氢分子的轨道， 量子化学由此诞生；量子化学由此诞生； 19301930年年 AndrewsAndrews提出分子力学的

8、基本思想；提出分子力学的基本思想； 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学计完成了第一次分子力学计 算；算； 2021/6/711 分子模拟历史及意义分子模拟历史及意义 1974 1974年年 AllingerAllinger等人发布了分子力场等人发布了分子力场MMMM 1981 1981年年 Peter KollmanPeter Kollman发表了发表

9、了AMBERAMBER力场；力场； 19831983年年 Martin KarplusMartin Karplus发布了分子力学与分子动力学模拟程序发布了分子力学与分子动力学模拟程序CHARMMCHARMM； . 分子模拟曾经限制在部分科学家手中，现在随着理论和计算机分子模拟曾经限制在部分科学家手中，现在随着理论和计算机 技术的发展，任何有兴趣的人都可以应用。而且应用范围越来越广，技术的发展，任何有兴趣的人都可以应用。而且应用范围越来越广， 尤其在生命科学，高分子，材料科学等多个领域取得了重要成果。尤其在生命科学，高分子，材料科学等多个领域取得了重要成果。 2121世纪也正好是这些领域大展身手

10、的世界，分子模拟的作用也世纪也正好是这些领域大展身手的世界，分子模拟的作用也 将更加重要。将更加重要。 2021/6/712 分子模拟的主要方法分子模拟的主要方法 从头计算 半经验计算 固体计算 分子力学 分子动力学 统计力学 2021/6/713 分子模拟的主要步骤分子模拟的主要步骤 确定描述体系所用的模型确定描述体系所用的模型 1. 量子力学量子力学 2. 分子力学分子力学 计算计算 1.能量优化，能量优化， 2.分子动力学分子动力学 3.蒙特卡罗模拟，蒙特卡罗模拟， 4.构象搜索等构象搜索等 分析分析 1，计算体系性质，计算体系性质 2，检验结果，检验结果 2021/6/714 分子模拟

11、的常用软件分子模拟的常用软件 1，常用的平台软件，常用的平台软件 1，SYBYL 2，InsightII 3，HyperChem 4，PCmodel 2， 常用的分子动力学软件常用的分子动力学软件 1，AMBER（Assisted Model Building with Energy Refinement ) 2，GROMACS，免费，免费 2021/6/715 分子模拟的常用软件分子模拟的常用软件 5，常用的分子对接软件，常用的分子对接软件 1，flex，SYBYL的一个模块的一个模块 2，affinity，InsightII的一个模块的一个模块 3，dock

12、，免费，免费 / 4，autodock，免费，免费 /mb/olson/doc/autodock/ 6，常用的分子显示软件，常用的分子显示软件 1，Viewlite，免费，免费 2，VMD，免费，免费 /Research/vmd/ 3，Pymol，免费，免费 7，常用的数据库，常用的数据库 1，MDL， 2，ACD，可用晶体结构数据库，可用晶体结构数据库 3，CSDC，剑桥晶体结构数据库，剑桥晶体结构数据库 4，PDB库，美国布鲁克海文国家重点实验室蛋白质数据库，免费库，美国布鲁克海文国家重点实验

13、室蛋白质数据库，免费 /pdb/Welcome.do 2021/6/716 分子模拟相关杂志分子模拟相关杂志 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 计算化学邮件列表计算化学邮件列表 (http:/ （注：可以提问，讨论相关问题）（注：可以提问，讨论相关问题） 2021/6/

14、717 课程目的课程目的 提供一些在分子模拟和计算化学中所使用提供一些在分子模拟和计算化学中所使用 的技术。的技术。 介绍这些技术如何用于研究物理、化学和介绍这些技术如何用于研究物理、化学和 生物的现象。生物的现象。 对模拟者提供分子模拟中许多有效方法的对模拟者提供分子模拟中许多有效方法的 一些理论背景。一些理论背景。 通过课程学习帮助同学解开分子模拟的神通过课程学习帮助同学解开分子模拟的神 秘，以致非专业的人也能领会有效的计算秘，以致非专业的人也能领会有效的计算 工具工具 2021/6/718 课程内容课程内容 第一章第一章 分子模拟中的基本概念分子模拟中的基本概念 坐标系，势能面，分子图形

15、，长度和能量单位，坐标系，势能面，分子图形，长度和能量单位， 第二章第二章 经典力学模型（分子力学）经典力学模型（分子力学） 力场的一般特征，能量的表达形式，经验势中多体作用和力场的一般特征，能量的表达形式，经验势中多体作用和 有效对势，氢键和液体水模拟的力场模型，联合原子力场有效对势，氢键和液体水模拟的力场模型，联合原子力场 和简化表达，能量函数的微分，利用力场计算热力学性质，和简化表达，能量函数的微分，利用力场计算热力学性质， 力场参数和它的转移，离域力场参数和它的转移，离域-体系和无机体系的力场。体系和无机体系的力场。 第三章第三章 分子动力学模拟方法分子动力学模拟方法 简单模型的分子动

16、力学，具有连续势的分子动力学，设置简单模型的分子动力学，具有连续势的分子动力学，设置 和运行动力学模拟，限制分子动力学，合并溶剂效应的分和运行动力学模拟，限制分子动力学，合并溶剂效应的分 子动力学，由分子动力学模拟引起的构象变化，侧链亲水子动力学，由分子动力学模拟引起的构象变化，侧链亲水 分子的分子动力学模拟分子的分子动力学模拟 2021/6/719 课程内容课程内容 第四章第四章 蒙特卡罗模拟方法蒙特卡罗模拟方法 Metropolis，Monte Carlo 方法的理论背景和应用，分子的方法的理论背景和应用，分子的Monte Carlo模模 拟，高分子拟，高分子Monte Carlo模拟中的

17、模型使用，模拟中的模型使用，Biased Monte Carlo 方方 法，由不同系综的法，由不同系综的Monte Carlo，化学势的计算，化学势的计算，The configuration bias Monte Carlo 方法，通过方法，通过Gibbs 系综系综Monte Carlo 方法模拟相平衡，方法模拟相平衡， Monte Carlo和分子动力学比较。和分子动力学比较。 第五章第五章 构象分析构象分析 模型构建方法，构象空间搜索方法，结构数据和分子拟合，簇算法和模式模型构建方法，构象空间搜索方法，结构数据和分子拟合，簇算法和模式 识别技术，在预测肽和蛋白质结构中构象分析的规则。识别技

18、术，在预测肽和蛋白质结构中构象分析的规则。 第六章第六章 利用分子模拟方法寻找和设计新分子利用分子模拟方法寻找和设计新分子 分子设计的基本原理，药物分子设计简介，高分子设计简介，分子筛设计分子设计的基本原理，药物分子设计简介，高分子设计简介，分子筛设计 简介。简介。 第七章第七章 应用程序和分子图形简介应用程序和分子图形简介 HyperChem，Pcmodel，Mopac，Origin and Chemsket 。 2021/6/720 教材教材 Molecular Modelling Principles and Applications. Andrew R. L 世界图书出版社世界图书出版社, 1996 主要参考书：主要参考书： （1） 计算机辅助药物分子设计计算机辅助药物分子设计.徐筱杰、侯廷军