分子模拟总结
分子模拟基础知识点总结
分子模拟基础知识点总结1. 分子力场分子力场是分子模拟的基础，它描述了分子内部原子之间的相互作用力。
分子力场通常包括键的形成和断裂、原子间的相互作用力（如范德瓦尔斯力和静电相互作用力）等。
分子力场模型是根据实验数据和理论计算结果来拟合的，常见的分子力场模型包括AMBER、CHARMM、OPLS等。
分子力场模型的好坏直接影响了分子模拟的结果，因此选择合适的分子力场模型是非常重要的。
2. 分子动力学分子动力学是一种模拟分子在封闭系统中随时间演化的方法。
分子动力学通过求解牛顿运动方程，推导出分子在力场作用下的位移、速度和加速度，从而获得分子的运动轨迹和动力学性质。
分子动力学模拟的关键是要确定分子的初态，即分子的初始位置和速度分布，通过数值积分的方法，可以计算出分子在任意时刻的位置和速度。
分子动力学在研究分子或材料的结构、动力学行为和热力学性质方面有广泛的应用。
3. 蒙特卡洛模拟蒙特卡洛模拟是一种以随机抽样的方法对系统进行模拟的方法。
在蒙特卡洛模拟中，系统中的每一个粒子都有一定的概率发生随机运动，从而使得系统的状态随时间发生变化。
蒙特卡洛模拟通常用于模拟体系的平衡态性质，如热力学性质和相平衡等。
蒙特卡洛模拟的关键是要设计合适的随机抽样方法，并通过大量的模拟样本来获得系统的统计性质。
4. 分子模拟在材料科学中的应用在材料科学中，分子模拟被广泛应用于研究材料的结构、力学性质、热电性质、传输性质等。
通过分子模拟，可以预测材料的力学性质（如弹性模量、屈服强度等）、热电性质（如热导率、热膨胀系数等）、传输性质（如扩散系数、电导率等）等。
分子模拟还可以帮助设计新型的材料，并优化材料的性能。
5. 分子模拟在生物科学中的应用在生物科学中，分子模拟被广泛应用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。
通过分子模拟，可以预测蛋白质的结构、预测蛋白质-配体和蛋白质-蛋白质的相互作用方式，从而为药物设计和药物筛选提供理论依据。
分子模拟还可以研究细胞膜的结构和功能，预测药物分子的跨膜转运方式等。
分子模拟的原理和应用
分子模拟的原理和应用分子模拟是一种揭示分子之间相互作用、理解不同化学现象和开发新型材料的有力工具。
对于化学和生物科学领域的研究者来说，分子模拟已经成为了一种日常工作方式。
一、分子模拟的原理分子模拟的核心思想是通过计算机模拟来解析分子之间的相互作用。
在分子模拟中，通常会采用经典力场来描述分子的相互作用力，分子的轨迹由牛顿运动方程来描述，这样就能够通过计算机模拟来预测分子间的相互作用情况。
经典力场模型通常涉及势函数，这个函数包括一些理论化学参数，比如键长、键角、倾角、偶极矩等。
这些参数可以在经典力场的框架下被建模，以便描述分子之间的相互作用。
其次，随机数发生器可以产生从均匀分布中抽取的随机数，这些随机数的产生和分配是基于蒙特卡罗方法，可以实现对于分子结构和稳定性等性质的模拟。
二、分子模拟的应用分子模拟作为现代科学的重要研究手段，具有广泛的应用。
由于其优越的特性，包括灵活性、高效性、可视化等特点，分子模拟成为化学和生物科学研究领域的重要工具之一。
1.理论化学分子模拟在物理化学和有机化学研究中得到了广泛应用，比如化学反应动力学和分子重构等方面。
分子模拟还被用来计算化学反应死胡同，预测不同的分子之间的相互作用，以及用于计算固体材料热力学性质，例如材料的热膨胀系数和热导率。
此外，在表面化学中，可以使用分子模拟来预测在表面上的分子结构、稳定性和反应性。
分子模拟还可以用于研究分子在聚集中的行为，例如蛋白质聚集。
2.药物发现分子模拟在药物发现中也有重要的应用。
在设计药物分子时，有时需要对药物分子结构进行优化，以提高其活性和选择性。
分子模拟可以在药物设计过程中模拟分子结构的属性，评估化合物的相互作用和亲和力等方面。
此外，分子模拟还可以用于研究药物分子的药理作用机制。
例如，在研究蛋白质与药物分子间的相互作用时，分子模拟可以预测药物分子与特定蛋白质的最适合互相结合的位点，以确定药物分子的作用机制。
3.材料科学近年来，分子模拟在材料科学中的应用也越来越广泛。
分子模拟的原理与方法
分子模拟的原理与方法分子模拟是一种计算化学的方法，用于研究分子的结构、动力学和热力学性质。
它基于牛顿力学和量子力学的基本原理，通过计算机模拟分子的行为，从而获得有关分子结构和特性的信息。
分子模拟涉及多个学科领域，如计算机科学、物理学、化学和生物学。
本文将重点介绍分子模拟的原理和方法。
1. 分子模拟的原理分子模拟的基本原理是在牛顿力学或量子力学的框架下，构建分子的数学模型，并计算分子在特定条件下的行为。
牛顿力学基于牛顿第二定律，即力等于质量乘以加速度，在此基础上，分子的运动可以通过定量计算来模拟。
量子力学则基于薛定谔方程，以波函数为基础，对分子的运动和结构进行计算。
在分子模拟中，不同的方法选择不同的力场模型，最常用的是分子力场（Molecular Mechanics，MM）和分子轨道（Molecular Orbital，MO）。
分子力场主要考虑原子之间的相互作用，通过选择不同的力场参数可以描述分子的力学和热学性质。
分子轨道则利用量子化学的理论，通过求解薛定谔方程得到分子的能量和电子结构。
2. 分子模拟的方法分子模拟的方法多种多样，常用的方法有分子动力学（Molecular Dynamics，MD）、蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）、量子化学计算等。
以下将分别介绍这些方法的基本原理和应用。
2.1 分子动力学分子动力学是模拟分子在一定温度、压力和体积（或密度）条件下运动规律的方法。
它基于牛顿运动定律和正则系综，通过求解拉格朗日方程和哈密顿方程，描述分子在力场作用下的运动轨迹。
分子动力学计算的结果包括分子的构型和动力学性质，如振动频率、热容和热膨胀系数等。
分子动力学的应用范围广泛，包括分子材料、生物分子、纳米颗粒和表面反应等领域。
例如，分子动力学可以用于预测有机分子的溶解度、材料的导电性能、蛋白质的稳定性和反应等。
分子动力学模拟通常需要大量的计算资源和时间，但也可以通过采用并行计算和GPU加速等方式提高计算效率。
分子模拟第二章
1
坐标体系（Coordinate systems）
笛卡尔坐标（Cartesian coordinates）
即用原子的xyz值来表征分子构型。
如：甲烷分子的笛卡尔坐标表示法
C1 H2 H3 H4 H5 -2.8116 -2.4550 -2.4549 -2.4549 -4.7083 3.2611 2.2523 3.7655 3.7655 2.7550 0.0000 0.0000 0.8737 -0.8737 0.8727
利用牛顿力学原理,通过解力学方程,得到分子 体系的运动轨迹,从而研究分子体系的能量和各 种性质.由于使用的势函数和参数都是有经验和 实验值拟合获得,故亦称经验力场方法 (Empirical force field method ). 分子力学方法的建立和正确使用在于它的背景和 若干假设.
12
分子力学应用背景
•
为相因子（phase factor），
29
指单键旋转通过能量极小值时二面角的数值。
分子力学的势函数形式
扭曲势的三项展开式：
V(ω)=(1+cosω) +(1-cos2ω)+ (1+cos3ω) 在MM2立场中，对此的物理解释为: • 一倍项对应于键偶极子间的相互作用，因成键原子间的电负性 不同产生； • 二倍项是由于超共轭作用（烷烃CnH2n+2）和共轭作用（在烯烃 CnH2n）。 • 三倍项对应于在1，4原子间的相互作用。 对含有四原子的体系，扭曲势中的附加项特别重要，例如卤代的 碳氢化合物和含有CCOC和CCNC片段的分子。
不同的力场可以有相同的函数形式，但不同的参数。 不同力场的参数（即使是描述相同对象）不能混用。 力场的参数具有力场内部的可移植性
分子模拟实验报告分子光谱模拟
分子模拟实验报告分子光谱模拟分子光谱模拟实验报告摘要：本实验采用分子模拟的方法，通过计算机模拟的手段，研究了分子光谱。
通过构建分子模型、选择适当的计算方法和参数，得到了分子的能级结构和光谱。
实验结果表明，分子模拟可以较好地模拟分子的能级和光谱。
这种方法可以为分子光谱的研究提供一种新的途径。
1.引言分子光谱是研究分子内部能级和分子结构的重要手段。
传统的实验方法繁琐且成本较高，分子模拟则是一种新的研究手段，可以通过计算机模拟的方法得到分子的能级结构和光谱。
本实验旨在通过分子模拟的方法，研究分子的光谱现象，并探讨模拟方法的准确性和适用性。
2.实验方法2.1分子模型的构建2.2计算方法和参数的选择选择适当的计算方法和参数对于分子模拟的准确性和有效性具有重要意义。
本次实验采用量子力学方法进行计算，选择了Hartree-Fock方法作为计算方法，并设置了合适的收敛阈值和基组。
2.3能级结构的计算通过计算机程序，对构建的分子模型进行能级结构的计算。
通过求解Schrödinger方程，可以得到分子的不同能级及其能量。
2.4光谱的模拟在能级结构的基础上，模拟分子的光谱现象。
根据波长、频率和吸收强度的关系，得到分子的吸收光谱图和发射光谱图。
3.实验结果与分析3.1能级结构的计算结果通过计算机程序，得到了水分子的能级结构。
结果显示，水分子的基态电子能级为X^1A1，第一激发态能级为A^1B1、各能级的能量差异较小，符合分子光谱的特点。
3.2光谱的模拟结果根据能级结构，模拟了水分子的吸收光谱和发射光谱。
吸收光谱图显示，在不同波长范围内，水分子的吸收强度存在明显的吸收峰，这与实验观测结果一致。
发射光谱图显示，水分子在受激条件下会发出特定波长的光，这也符合实验观测结果。
4.结论通过分子模拟实验，我们成功地模拟了水分子的能级结构和光谱现象。
实验结果表明，分子模拟可以较好地模拟分子的能级和光谱，为分子光谱的研究提供了一种新的途径。
分子动力学模拟方法总结
三、Velocity Verlet算法：
ri (t t) ri (t) v i (t) t 1 a i (t) t 2 2
v i (t t) v i (t)
等价于
1 [a i (t) a i (t t)]t 2
1 1 v i (t t) v i (t) a i (t) t 2 2
1 1 ri (t t) ri (t) v i (t) t ai (t) t 2 b i (t) t 3 2 6
+
2
ri (t t) 2ri (t) ri (t - t) ai (t)t 粒子位置 ： r (t t) ri (t - t) v i (t) i 粒子速度 2t ： 开始运动时需要r(t-Δt)： Fi (t) 粒子加速度：
ri (t t) 2ri (t) ri (t - t) ai (t)t 2
v i (t) ri (t t) ri (t - t) 2t
Verlet算法程序：
Do 100 I = 1, N RXNEWI = 2.0 * RX(I) RXOLD(I) + DTSQ * AX(I) RYNEWI = 2.0 * RY(I) RYOLD(I) + DTSQ * AY(I) RZNEWI = 2.0 * RZ(I) RZOLD(I) + DTSQ * AZ(I) VXI = ( RXNEWI – RXOLD(I) ) / DT2 VYI = ( RYNEWI – RYOLD(I) ) / DT2 VZI = ( RZNEWI – RZOLD(I) ) / DT2 RXOLD(I) = RX(I) RYOLD(I) = RY(I) RZOLD(I) = RZ(I) RX(I) = RXNEWI RY(I) = RYNEWI RZ(I) = RZNEWI 100 CONTINUE
分子模型知识点总结
分子模型知识点总结分子模型的发展历史可以追溯到19世纪末，当时德国化学家库奇(Adolf F.Kekulé)提出了化学键理论。
直到20世纪初，美国化学家林不留( Gilbert N. Lewis)在其论文“分子模型”(Model of the Atom)中正式提出了分子模型的概念。
自此，分子模型逐渐成为了化学和生物学研究中的基本理论。
在现代理论化学中，分子模型已经成为了解分子和化学反应的基本框架。
分子模型的基本假设有两个：一是原子和离子之间通过化学键结合形成分子和晶体；二是分子和晶体的稳定结构可以用分子运动和电子结构来解释。
基于这两个假设，分子模型的研究涉及了多个方面，包括分子结构、分子动力学和分子动力学等。
分子结构研究了分子的几何形状、结构和构象。
分子的几何形状与其物理和化学性质密切相关，因此分子结构的研究对于了解物质的性质具有重要意义。
在分子模型中，分子的结构可以通过各种方法来表征，包括量子化学方法、分子力学和动力学方法等。
量子化学方法主要是通过解析化学键和电子结构来了解分子的性质，如分子的能量、振动、旋转等。
而分子力学和动力学方法则主要是通过模拟分子中原子之间的相互作用来了解分子的结构和行为。
此外，分子模型还可以用来研究分子间的相互作用和分子的运动。
分子间相互作用的研究主要包括弱相互作用、静电相互作用和疏水相互作用等。
这些相互作用对于分子的聚集和化学反应有重要影响。
分子模型还可以用来研究分子的运动，如分子的振动、旋转和转动等。
这些运动对于分子的性质和反应有重要影响，并且可以通过分子模型来进行模拟和研究。
总的来说，分子模型是化学和生物学研究中的一种基本理论模型，它可以用来描述和预测分子的结构和行为。
分子结构的研究主要包括分子的几何形状、结构和构象等。
分子间相互作用和分子的运动也是分子模型研究的重要内容。
通过分子模型的研究，可以更好地了解物质的性质、化学反应和生物活性，为化学和生物学的研究提供重要的理论基础。
分子模型实验报告
分子模型实验报告篇一：分子模拟实验实验报告生物大分子分子模拟实验作业——生物大分子一、实验部分12-3-1获得PDB号为“1HCK”的蛋白（human-cyclin-dependent kinase 2,i,e.,CKD2和ATP的结合晶体结构），并采用不同的模型观察其特点①分别用卡通模型和丝带模型显示生物大分子结构，并用球棍模型、棒状模型显示其中小分子、金属离子等。
参考文献：Analysis of CDK2 Active-SiteHydration: A Method to Design New Inhibitors Zdeneˇk Krˇ?′zPROTEINS: Structure, Function, and Bioinformatics 55:258–274 (XX)12.2 分子对接①聚合物对接前效果图②聚合物对接后效果图对接后实际距离和设置的最优值12-3-2在样本文件中，创建冰的晶体结构，分别做温度为260K，273K，298K，373K下的分子动力学模拟（10 ps），观察晶体机构的变化情况，并做定性解释。
①不同温度下冰晶体结构图：原始冰晶体结构图由冰晶体在不同温度下的结构可见，随温度升高，冰晶体的各个水分子之间的距离不断增加，晶体结构趋向于分散无序状。
②不同温度下，冰晶体分子动力学模拟图③不同温度下体系的总能量与势能由曲线形状可见，经过分子动力学模拟之后，体系的能量降低，变得更加稳定。
由计算结果可见，体系的总能量和势能随温度的升高而增大。
因为当温度升高时，分子的热运动加剧，使分子的伸缩、转动、振动势能增加从而使分子总能量增加，而体系的是能增加是因为非键相互作用尤其是分子间氢键相互作用减弱。
二、实验心得与体会本次实验主要进行了生物大分子的模拟。
生物大分子一般包含上千个原子，目前还不能应用量子化学从头计算方法模拟，常用的方法有QM/MM方法，和纯粹的分子动力学模型。
1.关于分子力学要求掌握四点内容：（1）分子力学中，离子间的相互作用势能函数是什么？（2）势函数中存在特定的参数，怎么给参数赋初值？（3）原子类型怎样确定？（4）力场有哪些？各自的适用范围是什么？下面详细解释：（1）V（r）有四项，前三项对应于键伸缩势能、弯曲势能和扭转势能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
TOP 500 compounds
Similary analyse Visual inspection
~30 compounds
Expression, purification, and enzymatic assays of SP-HMG-CoA reductase
V (Umg -1)
30
25
20
频率分析计算
# RHF/6-31G(d) Freq Test 注意: 频率分析计算时所采用的理论方法和基组必须 与几何构型优化采用的方法和基组完全相同。
判断极小值，过渡态，高阶鞍点的标准 ZPE，吉布斯自由能，焓如何查找 振动模式的查找，显示，以及红外拉曼光谱图的计算
过渡态反应路径
• 猜测可能的过渡态计算： Opt=(TS, CalcFC,noeigentest) B3LYP/6-31+G* Freq
临床前研究
2-3 年 临床研究
(phase I, II, III)
3-4 年
创新药物研究是最激动人心的挑战！
新药研究的两个阶段：药物发现和开发
化合物资源
药物发现 DICOVERY
1.药物先导化合物的发现 2.药物先导化合物的结构优化
药物候选化合物
药物开发 DEVELOPMENT
1. 临床前研究 2. 临床研究
分子模拟&分子对接
医药产业 — 新世纪的支柱产业和经济增长点
世界医药市场的总销售额
（亿美元）
7000
2200
4300
发达国家
–24 大 制 药 公 司 合 计 市 场资本达18370亿美元
–成为继 IT 银行 电传视讯
后第四大创利支柱产业
1997年
2003年
2010年
其利润率高居各行业榜首，达17.2%，显著高于占据第二位的 电讯业（8.1%）和第三位的计算机产业（7.3%）。
* 计算的名称: 对所进行计算任务的描述 * 电荷,自旋多重度 * 分子几何构型
RHF，MP2计算的能量（查找的关键词，注意单位） HOMO, LUMO轨道，电荷分布, 偶极矩
几何构型优化
# RHF/6-31G(d) Opt Test
• 对于Gaussian03，默认收敛标准为同时满足 四个条件
• 优化后最终能量的查找方式
ESPrinpt 2.2 作图
Fig：模建的A链与已解析的单体叠合图， RMSD=0， 白色为模建的A链，紫红色为已解析的单体。
/
含底物HMG-CoA和辅酶ANDPH的SP-HMG-CoA reductase二聚体的分子动力学模拟
2.5
RMSF of Backbone l (in Angstrom)
Lawrence, C. M., Science. 1995, 268, 1758-1762.
Tabernero, L., J. Biol. Chem. 2003, 278, 19933-19938.
他汀类抑制剂对Class-II HMGR的抑制活性比Class-I HMGR差很多
假单胞菌HMGR的晶体结构
Rps. viridis
1.0
Rps.viridis Reaction Center 1.51
0.5
(Exptl.)
0.0 (a)
Circular Dichroism Spectrum 1.27
Rps. viridis
III
reaction center
(Exptl.) IV II
V
-0.5
I
1.47
Circular Dichroism Spectrum (Exptl. )
Oscillator Strength
R/10-40cgs
1.6
Excitation Spectrum
11A'
500 Circular Dichroism Spectrum
400 300
(TDDFT-PCM)
11A'
1.2 (TDDFT-PCM)
2
1.5
1
0.5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Residue Number
2.5
SP-HMGR-All
HMG-Site
NADP-Site
2
RMSD (in Angstrom) '
1.5
1
0.5
0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Time (ps)
200
0.8
100
21A×' 100
0
0.4 0.0
21A' × 500
-100 300 350 400 450 500 550 600 650 700 -200 -300
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Wavelength ( nm )
Wavelength ( nm )
量，热力学总能量，体系的熵，体系的焓等要 弄清楚 (4) 特征振动频率分析，及其相对应的位移 (5) 过渡态优化中活化能的计算，画势能曲线！
激发态计算的应用
hn
Phycobilin
HOMO
Spectrum of -subunit (PCB)
Absorbtion Spectrum (Exptl. )
SPECS database ~210, 000 compounds The Lipinski Rules 2D-Query
~100, 000 compounds
Flex-Pharm/Cscore
~30, 000 compounds
FlexX/Cscore
FlexX-Pharm定义的限制药效团模型
Vmax=31.08±0.98
15
Km=75.85±4.43
n=1.46±0.09
10
5
0 0
50 100 150 200 250 300 350 400 HMG-CoA (M)
Fig.. Purification of 6×-His-tagged S. pneumoniae HMGR. Lane 1: Molecular weight standards (KDa). Lane 2: supernatant from induced recombinant cell lysate. 3: precipitate from induced recombinant cell lysate. Lane 4: flowing through. Lane 5: 50 mM imidazole elution. Lane 6～7: 250 mM imidazole elution
HMG-CoA 合成酶
HM还G原-C酶oA（限速酶）
甲羟戊酸
ATP
甲羟戊酸激酶
丙酮酸 + 3-磷酸甘油醛 脱氧木酮糖-5-磷酸
二甲烯丙基焦磷酸 (DMAPP)
5-甲羟戊酸磷酸
磷酸甲羟戊酸激酶 CO2
5-焦磷酸甲羟戊酸
异戊二烯 焦磷酸异构酶
5-焦磷酸甲羟戊酸脱羧酶
异戊二烯焦磷酸 (IPP)
类异戊二烯
生物界HMGR 基因进化树
2 84
Photoreaction center of the purple bacterium Rhodopseudomonas viridis.
Bacteriochlorophyll-b
Photoreaction center of the purple bacterium Rhodopseudomonas viridis.
肺炎链球菌是人类细菌性肺炎、菌血症、脑膜炎的重要致病原，也是幼儿中耳炎、 鼻窦炎最常见的病原，在世界上有很高的发病率和死亡率。
目前针对肺炎链球菌临床采用的抗生素主要是青霉素、红霉素等。随着这些抗 生素的广泛使用，肺炎链球菌的耐药性问题日渐突出。针对革兰氏阳性球菌的新 型抑制剂的研发有着重要意义。
PM-HMGR结合有HMG-CoA、NDA+的二 聚体的晶体复合物结构图
-1.0
Rps.viridis
0.5 Reaction Center
(Exptl.)
0.0 (b)
-0.5
1.57
1.492 Circular Dichroism Spectrum 1.265
1.46
-91.00
CD Spectrum
60 (ZINDO)
30
0
1.7
1.6
-30 (c)
BL/PBL
1.5 HM 1.4
理论背景 单点能计算 几何构型优化0 频率分析计算 验证：极小值、过渡态、高价鞍点 反应路径—过渡态
理论背景
一、
1. MM分子力学
2. MD分子动力学
3. 电子结构理论
a) Semi-empirical (半经验方法) HMO、AM1、MNDO、PM3、INDO/S等方法
b) Ab initio Methods (从头算方法) Hartree-Fock/HF方法
PDB:1qax
PDB:1qay
Eva S.Istvan, etc EMBO J 2000, 19:819-830.
Sequence Alignment
Sequence Identities: 40.1%
Homology modeling
s
ca
s
c
c
ca/c
s
s
s ca
cc
s
ca/s ca
c
figure: Sequence Alignment : s: Substate c: Coenzyme ca: catalysis Sequence identity = 40.1% , Sequence similarity = 60.1%