charmm-gui 小分子力场
化学反应中的配位键计算
化学反应中的配位键计算在化学反应中，配位键的计算是一项重要的研究内容。
配位键是指配位化合物中中心金属离子与配体之间的化学键。
配位键的性质直接影响着配位化合物的稳定性、反应性质以及光电性质等。
因此，准确计算配位键的强度和性质对于理解配位化学的基本原理和开展相关研究具有重要意义。
配位键的计算可以通过不同的方法进行，下面将介绍几种常用的计算方法。
一、密度泛函理论计算密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）是一种计算量子力学的方法，广泛应用于配位键计算中。
DFT方法通过求解电子波函数的密度分布，可以得到分子中原子和配体之间的相互作用能和键强度。
通过基于密度泛函理论的软件，可以进行配位键的组合、能量优化和电子结构计算，从而得到配位键的强度、长度和键角等重要参数。
二、分子力场计算分子力场（Molecular Mechanics）是一种基于经验的计算方法，通过在分子中引入力场参数，模拟分子的原子运动和化学键的形成。
在配位键计算中，分子力场方法可以通过优化诸如势能能量、键长、键角等参数，得到配位键的性质。
常用的分子力场包括Amber，CHARMM和OPLS等，可以通过计算软件进行配位键的模拟和计算。
三、量子力学计算量子力学计算是一种基于精确的量子力学理论，通过求解薛定谔方程研究分子和配位键的性质。
量子力学计算方法包括从头算（Ab initio）和半经验的方法（如半经验分子轨道方法，Semi-Empirical Molecular Orbital Method）等。
这些方法可以更加准确地计算配位键的电子结构、轨道能级和键能。
但由于计算量较大，适用于小分子和简单配位体的计算。
综上所述，配位键的计算可以使用密度泛函理论、分子力场和量子力学等不同的方法。
不同的计算方法具有不同的精确度和计算效率，在实际应用中需要根据具体的研究目的和计算条件选择合适的方法。
随着计算机技术的不断发展和计算方法的改进，更加精确和高效的配位键计算方法将不断涌现，为配位化学的研究和应用提供有力的支持。
分子力场中的improper项
分子力场中的improper项1. 引言在分子模拟中，分子力场是一种用于描述分子间相互作用的数学模型。
它通过定义势能函数来模拟分子的力学行为。
在分子力场中，improper项是一种重要的能量项，用于描述非线性角度（torsion）的变化对分子结构和动力学的影响。
本文将介绍improper项在分子力场中的作用原理、参数化方法以及应用案例。
2. improper项的作用原理improper项主要用于描述非线性角度（torsion）的变化对分子结构和动力学性质的影响。
非线性角度是指四个原子形成的角度不等于180°或0°。
这种非线性角度可以导致分子内部扭曲和转动，从而影响分子的稳定性、构象和反应动力学。
improper项通常包括一个势能函数和一个参数化因子。
势能函数通常采用谐振器模型或类似于二次方程的形式，以描述非线性角度对势能的贡献。
参数化因子则用于调节不同类型非线性角度对势能贡献的大小。
3. 参数化方法为了正确地描述不同类型非线性角度的影响，improper项的参数化是必要的。
参数化方法通常包括以下几个步骤：3.1 数据收集首先，需要收集大量实验数据或量子力学计算结果来作为参数化的依据。
这些数据可以包括分子结构、能量、角度等信息。
3.2 势能函数选择根据收集到的数据，需要选择合适的势能函数形式来描述improper项对势能的贡献。
常用的势能函数包括谐振器模型、二次方程等。
3.3 参数拟合通过最小二乘法或其他优化算法，将选定的势能函数与实验数据进行拟合，得到improper项中的参数值。
3.4 验证和修正拟合得到的参数需要进行验证和修正。
可以使用交叉验证等方法来评估参数化结果的准确性，并对不符合要求的数据进行修正。
4. 应用案例improper项在分子力场中有广泛应用，以下是一些常见的应用案例：4.1 分子动力学模拟在分子动力学模拟中，improper项可以提供准确描述非线性角度变化对分子结构和动力学性质影响的势能函数。
gromacs文件介绍and一些杂知识
（1）gromacs(GMX) 各种文件格式详细，可以查阅GROMACS 手册第5章第6小节，以下为简要介绍。
CPT文件：该文件为模拟断点文件（check point，.cpt）。
该文件为模拟过程固定时间间隔产生，保存模拟系统所有信息。
该文件一部分可以在能量文件（.edr）找到，一部分可以在双精度轨迹文件（.trr）中找到。
如果模拟不幸因为外界条件中断（如断电，模拟人发脾气砸电脑等），可以使用该文件重新在断点处开始模拟，以节省模拟时间。
同时也可以依靠该断点文件开始，并延长模拟计算（见tpbconv）。
EDR文件：系统能量文件（energy，.edr）。
该文件记录模拟输入文件中定义的能量组的各种相互作用能量等。
EPS文件：封装文件格式（.eps），并不是GROMACS自身文件格式，可以当图片打开。
LINUX系统下一般已经有默认打开程序，WINDOWS要安装其他打开程序（可以GOOGLE以下）。
GROMACS的DSSP和罗麽占陀罗图等通过xpm2ps处理后都是这个文件格式。
习惯就好。
G87文件：分子坐标文件（.g87）。
该文件记录并只记录原子坐标和速度，不含原子序号。
并只记录常压强模拟系统的盒子信息。
G96文件：分子坐标文件（.g96）。
GROMOS96程序的分子坐标文件，模拟程序以15.9的C语言格式写入，精度较高，但是会比较大。
包含有文件头，时间步，原子坐标，原子速度，以及盒子信息等。
GRO文件：分子坐标文件（.gro）。
GROMACS的最主要分子坐标文件，明白这个文件，就基本明白使用GROMACS了。
该文件类型的各个文本列字数固定，C语言的写入格式为："%5d%5s%5s%5d%8.3f%8.3f%8.3f%8.4f%8.4f%8.4f"。
具体固定文本列有：残基序号，5位数；残基名称，5字母；原子名称，5字母；原子序号，5为数；原子坐标三列，X，Y，Z坐标各8位数，含3个小数位；速度同坐标，速度单位为nm/ps（km/s）。
培训资料-Amorphous_cell
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• • •
电荷(charges)
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Use current (默认) ；电荷平衡算法(Charge using QEq ; Charge using Gasteiger）
精度(Quality)—加和方法精度
加和方法(Summation method) 静电相互作用—原子截断(Atom based); 电荷组截断(Group based); Ewald截断； 非键相互作用—原子截断(Atom based);
1. 无定型聚合物模型搭建
1) 构建单体结构
PVOH (聚乙烯醇) 和 PMVE-MA（聚（甲基乙烯醚酸-联合-顺丁烯酸））
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注：氧原子(红色)，碳原子(深灰色)，氢原子(白色) ，其它图类似。
2) 定义连接的头尾原子，构建PVOH (聚乙烯醇) 和 PMVE-MA（聚（甲基乙烯醚酸联合-顺丁烯酸））的重复单元 在菜单中选择Build/Build Polymers/Repeat Unit
建立水的结构
采用fields 和isosurfaces 来表明希望填充 的位置
采用fields 和isosurfaces 来表明希望填充的位置
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在创建的等值面的基础上创建 分割区域，以蓝绿显示 创建等值面
点击Volumetric Selection 按钮
内容： 1、基本理论介绍
单击此处编辑母版标题样式 2、输入文件参数设置
3、操作练习
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化学工程中分子模拟技术的使用教程
化学工程中分子模拟技术的使用教程分子模拟技术是一种用于研究分子和材料行为的计算方法。
它基于物理和化学原理，通过模拟分子级别的相互作用和行为，可以揭示材料的性质和反应过程。
在化学工程领域，分子模拟技术可以被广泛地应用于材料设计、反应过程优化和性能预测等方面。
本文将介绍分子模拟技术的基本原理和常用方法，并讨论其在化学工程中的应用。
一、分子模拟技术的基本原理分子模拟技术基于牛顿力学和量子力学原理，通过数值计算模拟分子在特定环境中的运动和相互作用。
其中，经典分子动力学（MD）和蒙特卡洛（MC）方法是最常用的分子模拟技术。
经典分子动力学方法假设分子之间的相互作用可以用势能函数描述，通过求解牛顿运动方程，计算分子的运动轨迹和物理性质。
蒙特卡洛方法则利用统计力学原理，通过随机抽样生成分子构象，并对构象空间进行遍历，从而研究系统的平衡性质。
二、分子模拟的常用方法在分子模拟中，常用的方法包括分子力场构建、平衡态分子模拟和非平衡态分子模拟。
1. 分子力场构建分子力场是描述分子体系相互作用的数学模型，它由键能、角能、二面角能、非键相互作用等能量项组成。
常用的分子力场包括经典力场和量子力场。
经典力场适用于大量分子的模拟，其中，分子的能量和力通过经验确定，常见的经典力场有AMBER、CHARMM和OPLS等。
量子力场则考虑了电子云的波动性，适用于小分子和电子结构的模拟。
2. 平衡态分子模拟平衡态分子模拟主要通过经典分子动力学方法进行，通过求解牛顿运动方程，模拟系统在平衡态下的能量、结构和性质。
可以通过改变模拟的温度和压力条件来模拟系统在不同环境下的行为。
其中，温度是控制系统热运动的因素，通过控制模拟系统与热浴之间的耦合，使系统达到平衡态，从而得到热力学性质。
压力是控制系统体积相关的因素，可以通过改变系统的边界条件或应用外部压力来调节。
3. 非平衡态分子模拟非平衡态分子模拟是研究系统在非平衡态下的动态行为和响应。
常见的非平衡态分子模拟方法包括扩散模拟、聚合物膨胀和流动模拟等。
2 分子动力学第二章
2.2 力场函数的内容
一般而言，分子力场函数由成键项Ubonded、 交叉项Ucross和非键项Unobonded三部分构成， 所以分子总势能为：
U total = U bonded + U cross + U nobonded
成键项（Bonded Term）
• • • • 键伸缩能 键角弯曲能 二面角扭曲能 离平面振动能 Us Ua Ut Uo
1
r12
2
3
r23
二面角扭曲能(torsion
angle)
• 单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量 变化.
U t = kn [1 ± cos(nϕ − ϕ 0 )] 1 2 U t = k (ϕ − ϕ 0 ) 2
1
4
2
3
离平面振动能(out of plane bending)
• 共平面的四个原子中有一个原子偏离平面 进行微小振动所引起的分子能量变化.
• 利用LJ势描述原子间vdw作用的时候,通常 有两种方式： • 1，指定反应参数 • 2，分别指定参数 举例说明:水和甲醇混合液中的vdw类型
ε i j = ε iε j
1 σ ij = (σ i + σ j ) 2
Ai j = Ai Aj Bij = Bi B j
力场函数中参数的获得
• 有两种来源： 1，实验观测的数据 2，量子力学计算的数据 • 方法： 1，提出函数形式，并估计力常数的值 2，根据一些分子（或晶体）的结构+性质数据进行拟合 3，重复进行多次，并逐渐增加拟合的结构和性质，误差小 于一定标准时即可 拟合通常采用的软件：GULP。
• 分析力学所注重的不是力和加速度，而是 具有更广泛意义的能量，同时又扩大了坐 标的概念，因而使这种方法和结论便于运 用到物理学的其它领域。 • 但是由于分析力学中数学推理较多，在历 史上曾经发生过一些不良倾向，容易使人 忘记力学的物理实质。 1. 拉格朗日力学 2. 哈密顿力学
Discovery Studio官方教程(Help-Tutorials) 分子动力学模拟
Discovery Studio Molecular Dynamics教程Molecular Dynamics –分子动力学方法介绍分子动力学(Molecular Dynamics, MD)是分子模拟中最常用的方法之一。
该方法基于分子力场，能够动态的描述分子的运动状况，继而描述生命的动态过程。
分子动力学在生命科学领域中的应用非常广泛，如蛋白质折叠的机理研究、酶催化反应的机理研究、与功能相关蛋白质的运动研究、生物大分子大范围构象变化的研究等等。
近几十年来，分子动力学方法已经成功的运用于大分子体系低能量构象的模建、X射线晶体衍射以及NMR实验结果的处理。
[1,2]现在分子动力学方法已经成了理论生物学研究中必不可少的方法之一。
[3,4]分子动力学模拟主要包括如下几个步骤：1.模拟体系升温过程（Heating Stage）2.模拟体系平衡过程（Equilibrium Stage）3.模拟体系采样过程（Production Stage）4.分析体系的目标性质（Analysis）然而，由于一般的待模拟体系的初始结构或多或少的存在缺陷（比如，初始结构不完整或存在不合理的结构区域），所以我们往往需要对初始结构进行预处理才能进行分子动力学模拟。
一个完整的分子动力学模拟过程应包括如下几个步骤：1.初始结构检查及预处理2.给模拟体系赋力场参数3.考虑溶剂效应4.初始结构能量最小化5.动力学模拟（包括升温、平衡、采样）6.结果分析目前，常用的分子动力学模拟软件都基于Unix（Linux）操作系统。
实施每一个模拟的步骤都需要特定的命令来调用相关的程序对模拟体系进行处理。
同时，模拟者还需要熟知每个参数的意义并定义相关的参数值。
最终分析过程也需要配合其他软件才能完成。
这对初级分子动力学模拟者而言是非常困难的（模拟者不仅需要掌握分子动力学软件的使用命令，还需要掌握操作系统相关的命令）。
为了解决这样的问题，Discovery Studio为用户提供了基于窗口的分子动力学模拟工具。
磷脂分子DPPC的浮动电荷分子力场
磷脂分子DPPC的浮动电荷分子力场宫利东;田博;李斌;孙小雅;于敏聪;杨忠志【摘要】基于量子化学(QM)计算和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEMσπ/MM),构建了1,2-二棕榈酰磷脂酰胆碱(1,2-dipalmitoyl-sn-phosphatidylcholine,DP-PC)分子的可极化势能函数.首先将DPPC分子分成乙基三甲基铵(ETMA)、乙酸甲酯(MAS)、磷酸二甲酯(DMP)和烷烃等官能团模型小分子片段,依据这些模型分子的QM结果,优选并确定相关电荷参数及力场参数.应用ABEEMσπ/MM对模型小分子的计算结果与QM计算结果符合很好,其中,稳定结构的键长、键角、二面角的绝对平均偏差(AAD)分别为0.0005nm、1.59°和1.33°,两者的电荷分布的线性相关系数为0.9688.进一步将上述函数应用到研究DPPC分子的结构和电荷分布,并与QM结果相比,结果表明:键长、键角、二面角的AAD和均方根偏差(RMSD)分别仅为0.00001和0.00002 nm、0.006°和0.009°、0.007°和0.011°;两者计算得到的电荷分布的线性相关系数为0.9659.【期刊名称】《辽宁师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】8页(P482-489)【关键词】DPPC;ABEEMσπ/MM;可极化力场;浮动电荷模型;电荷分布【作者】宫利东;田博;李斌;孙小雅;于敏聪;杨忠志【作者单位】辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连 116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连 116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连 116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连 116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连 116029【正文语种】中文【中图分类】O641.121细胞作为生命活动的基本单位,通常被细胞膜包围和保护. 膜有许多关键的生物功能,例如调节物质跨膜运输[1],检测和传输电信号和化学信号[2],介导细胞之间的通讯[3]，等等. 磷脂(Phospholipid)作为细胞膜的主要成分,是指含有磷酸的脂类,属于复合脂. 磷脂为两性分子,一端为亲水的含氮或磷的头即极性部分,另一端为疏水(亲油)的长烃基链即非极性部分. 对于脂质双层的研究已有近百年[4],实验技术主要有量热法、荧光能量共振转移、原子力显微镜、核磁共振、中子散射、 X 射线小角散射和质谱等.因为膜蛋白等生物大分子的精细结构及动力学等详细信息难以在实验中获得,所以分子动力学模拟技术已成为生物膜体系研究的重要辅助手段,而且已被证明能够重现许多实验结果[5].目前，用于脂质膜模拟的力场方法主要有AMBER、CHARMM、OPLS-AA和GROMOS等固定电荷的非极化力场,虽然其计算成本相对较低,可以对复杂系统进行长时间尺度的模拟，但忽略了体系的极化效应[6],而在实际情况下,体系的电子密度分布会随环境或分子的结构变化而发生变化. 此外，生物分子嵌入细胞膜时,其在膜的外部和内部的电子极化是不同的[7]. Roux等[8]用不同力场方法研究了几种膜蛋白通道的离子选择性,结果表明，虽然体系基本的物理性质可以用非极化力场来描述,但若要更详细地了解构象驱动的离子选择性必须要使用可极化力场模型[6].因此,非常有必要建立和发展磷脂膜体系的可极化力场. 原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场方法(ABEEMσπ/MM)[9-12]依据密度泛函理论下的电负性均衡原理融合进分子力学的基本思想,该模型进一步考虑到分子中的化学键以及孤对电子等位点,体系电荷随着周围环境的变化而浮动,可快速、准确描述水、蛋白质、核酸等体系的结构和性质.1,2-二棕榈酰磷脂酰胆碱(1,2-dipalmitoyl-sn-phosphatidylcholine,DPPC)是生物膜研究最广泛的磷脂成分之一,也是评估新型可极化力场的理想基准模型[13].应用ABEEMσπ/MM模型初步构建磷脂分子的浮动电荷力场,并对DPPC的结构和电荷分布进行计算. 首先对DPPC进行片段化,其极性头基以分子离子乙基三甲基铵(ETMA)和磷酸二甲酯(DMP)为模型,酯化甘油骨架以乙酸甲酯(MAS)为模型,脂肪烃尾部以直链烷烃为模型.对ETMA、 DMP和MAS等模型小分子进行量子化学(QM)计算,依据QM的计算结果,调试优选ABEEMσπ/MM参数.再将构建的势能函数及相关参数应用到对DPPC的结构和电荷分布的研究.1 理论和计算方法1.1 量子化学计算方法量子化学计算应用Gaussian09[14]程序,除DMP为带负电体系,采用MP2/6-31+G*进行结构优化.其余的带正电和电中性体系,都采用MP2/6-31G(d)进行结构优化[13].同时进行了频率计算,确定所得结构为稳定结构.选用HF/STO-3G方法计算Mulliken电荷分布.1.2 DPPC的ABE EMσπ/MM浮动电荷势能函数依据ABEEMσπ/MM 浮动电荷分子力场,构建的DPPC分子的势能函数如下:(1)其中，第1～5项分别为磷脂分子键长伸缩振动势能、键角弯曲振动势能、二面角扭转振动势能、非共面二面角势能和范德华作用势能. r、θ 和φ 为真实键长和键角值,req、θeq为平衡键长、键角值,k、V为力常数. i、j为任意分子,a、b为任意单键原子,σij、εij分别为碰撞直径和势阱深度,fij则代表Lennard-Jones 12-6形式的整体常数,其取值如式(2)所示. 最后一项为静电项,kij为静电参数,其取值如式(3)所示:(2)(3)ABEEMσπ/MM模型下磷脂体系的静电项可具体展开如下:(4)其中,i和j表示任意分子,a、b、m、n、k、l为任意原子,原子间用“--”连接表示形成单键,用“”连接表示形成双键. lp为孤对电子,q为不同位点(原子、键、孤对电子)的电荷,R则为位点间距离,如qia表示第i个分子中,原子a所带的电荷,qi(a--b)为σ 键a--b的电荷,qi(lp)为孤对电子的电荷.1.3 模型分子及相关参数的确定首先依据QM计算结果优选各个官能团的模型小分子MAS、DMP和ETMA的相关力场参数,之后将它们应用于较大的模型化合物:磷酸甘油酯(GLYP)和磷脂酰胆碱(PC),计算其结构和电荷分布,并与QM比较,然后再进一步调节优选参数. 图1为上述体系及DPPC的结构示意图,图中标注的二面角为各官能团间相互连接的二面角. 图1 DPPC模型体系的结构示意图Fig.1 The sketch of DPPC model systems ABEEMσπ/MM电荷参数包括价态电负性χ*和价态硬度η*,力场参数包括键长伸缩振动、键角弯曲振动和二面角扭转势能参数,其中，键长伸缩振动、键角弯曲振动等参数属于硬自由度力场参数,具有较好的转移性,这部分参数取自CHARMM36[15]力场.对于二面角扭转势能参数等软自由度参数,是依据QM计算结果调节而确定. 表1～表4分别为确定的电荷、键长、键角和二面角参数.表1 DPPC分子的电荷参数Table 1 The charge parameters of DPPC位点χ∗2η∗位点χ∗ 2η∗H(H—C—C)2.213.038C—H6.0142.35H(H—C—N)29.038C—C6.7147.34C(C—N)2.55.65C—N6.431.49C(C—CO)3.19.05C—O6.9249.78C(C—C)2.556.35CO6.3435.63C(C—O)2.556.35P—O3.4926.247C(CO)2.444.67PO3.68229.031N3.39.85lpO—4.035.73O(O—P)1.6456.772lpOP4.27.019O(O—CO)3.318.67lpOC4.166.809O(OC)3.5519.72πC3.7994.15O(OP)4.161.75πO3. 8836.019P2.15.3注：χ*表示价态电负性,单位是Pauling,η*表示价态硬度,单位是Pauling·electron-1,lp表示孤对电子表2 DPPC分子的键长伸缩振动参数Table 2 The bond stretching parameters of DPPC化学键kr/(kJ/mol)req/nm68-892845120.14368-262845120.14369-262845120.14389-682845120.14389-11422560.14321-68836800.152表3 DPPC分子的键角弯曲振动参数Table 3 The angle bending parameters of DPPC键角kθ/(kJ/mol)θeq/(°)键角kθ/(kJ/mol)θeq/(°)1-68-89316.73110.1088-89-6883.68120.0089-68-69316.73110.1068-69-68244.35113.5068-69-26316.73110.1068-26-21167.36109.6069-68-26316.73110.1069-26-21167.36109.6089-68-2251.04109.5088-89-183.68120.0026-68-2251.04109.5089-1-2251.04109.5068-89-8883.68120.0088-89-87125.52115.002-69-26251.04109.5068-21-26230.12109.00表4 DPPC分子的二面角扭转势能参数Table 4 The dihedral torsional potential parameters of DPPC二面角V1V2V3二面角V1V2V32-1-30-1001.08782-68-69-68000.66941-30-1-68001.08782-68-69-26000.66941-30-1-2001.087868-69-68-26000.836830-1-68-8913.80720-1.673668-69-68-20.8159002-1-68-89000.81592-69-68-26000.81591-68-89-882.51042.71960.209226-69-68-26000.83682-68-89-8800026-69-68-2000.815968-89-88-90000.418468-69-26-212.92880068-89-88-895.02080.41840.41842-69-26-2100089-88-89-685.02080.41840.418422-21-26-694.037616.1084090-88-89-68000.41841-21-26-6908.5772088-89-68-692.51042.71960.209269-68-26-2100088-89-68-20002-68-26-2100089-68-69-68000.836868-26-21-224.037616.1084089-68-69-2000.815968-26-21-108.5772089-68-69-26000.836890-88-89-1000.481488-89-1-200089-88-89-15.02080.41840.41842 结果与讨论2.1 模型小分子的几何结构及电荷分布应用式(1)的势能函数及相关参数对DMP、MAS、ETMA等模型小分子及DPPC 的结构和电荷分布进行计算.优化获得稳定结构并与QM结果进行比较. 表5为ABEEMσπ/MM力场优化得到小分子化合物的稳定结构信息与QM结果对比的平均偏差(AAD)和均方根偏差(RMSD)以及相对均方根偏差(RRMSD).表5 ABEEMσπ/MM与QM方法优化的模型小分子的结构对比Table 5 The comparisons of the optimized structur of model molecules between ABEEMσπ/MM and QM化合物R/nmθ/(°)τ/(°)AADRMSDRRMSD/%AADRMSDRRMSD/%AADRMSDRRMSD /%DMP0.0001 0.00001 0.120.62451.06000.961.33001.57181.38MAS0.0005 0.00008 0.641.59002.01511.800.35730.53770.48ETMA0.00003 0.000004 0.030.01970.02350.020.02420.03190.03R、θ、τ分别代表键长、键角、二面角.其中,AAD、RMSD和RRMSD的具体计算公式如下:(5)(6)(7)从表5中可以看出,ABEEMσπ/MM极化力场对于小分子化合物的键长计算结果与QM非常接近,相差最大的MAS化合物的AAD、RMSD和RRMSD分别为0.000 5、0.000 08 nm和0.64%. 但是在角度的模拟上,ABEEMσπ/MM极化力场键角的计算结果与QM相差的比键长稍大,键角相差最大的是MAS化合物,其键角AAD、RMSD和RRMSD分别为1.590 0°、2.015 1°和1.8%;二面角相差最大的是DMP 化合物,其二面角AAD、RMSD和RRMSD分别为1.330 0°、1.571 8°和1.38%. 总体上，ABEEMσπ/MM力场优化得到小分子化合物的稳定结构与QM结果吻合良好.图2为ABEEMσπ/MM计算的DMP、MAS和ETMA分子的电荷分布与QM的电荷分布的线性相关图. 从图中可以看到两者的电荷分布具有很好的一致性,其线性回归方程斜率接近1,截距非常接近0,线性相关系数为0.96,两种方法的标准偏差仅为0.006,最大偏差为0.28.图2 ABEEMσπ/MM与QM计算的DMP、MAS和 ETMA的电荷分布的线性相关图Fig.2 The linear correlation of charge distributions of DMP,MAS,ETMA between ABEEMσπ/MM and QM2.2 DPPC分子的结构和电荷分布表6为ABEEMσπ/MM力场和QM方法优化得到的DPPC分子的稳定结构对比信息,R、θ、τ分别代表键长、键角、二面角.可以看出,ABEEMσπ/MM优化得到的DPPC分子的结构与QM结果符合很好,其中，二面角相差略大,但其AAD、RMSD和RRMSD也分别仅为0.007 1°、0.010 7°和0.009 6%.表6 ABEEMσπ/MM与QM方法得到的DPPC分子稳定结构Table 6 The stable s tructures of DPPC from ABEEMσπ/MM and QMAADRMSDRRMSD/%R/nm0.000010.0000020.0124θ/(°)0.00550.00910.0 083τ/(°)0.00710.01070.0096图3 ABEEMσπ/MM与QM计算DPPC电荷分布线性相关图Fig.3 The linear correlation of charge distributions of DPPC between ABEEMσπ/MM and QM图3为ABEEMσπ/M M计算DPPC分子的电荷分布与QM电荷分布的线性相关图,二者线性相关很好,线性相关系数为0.965 9,线性相关方程的斜率为1.02,截距为趋近于0,上述结果表明:本文构建的DPPC分子的ABEEMσπ/MM势能函数及相关参数合理、可靠,而且参数的转移性很好.3 结论与展望建立了DPPC磷脂分子的ABEEMσπ/MM势能函数,依据QM计算结果优选并确立了相关参数. 应用该势能函数对DPPC分子的结构及电荷分布进行研究并与QM 结果相比较.比较两种方法的计算结果，得到DPPC键长的AAD小于0.01 nm,键角的AAD小于0.01°,二面角的AAD小于0.01°.ABEEMσπ/MM与QM电荷分布的线性相关方程的相关系数接近0.97. 此项研究为将ABEEMσπ/MM向其他磷脂分子推广,进而建立磷脂分子的ABEEMσπ/MM浮动电荷分子力场做了很好的尝试,为进一步应用该力场对生物膜体系的动力学模拟打下了基础.参考文献：【相关文献】[1] JIANG Y,LEE A,CHEN J,et al. X-ray structure of a voltage-dependent K+channel[J].Nature,2003,423(6935):33-41.[2] RIVI RE S,CHALLET L,FLUEGGE D,et al.Formyl peptide receptor-like proteins are a novel family of vomeronasal chemosensors[J].Nature,2009,459(7246):574-577.[3] LIN J C,DUELL K,KONOPKA J B.A microdomain formed by the extracellular ends of the transmembrane domains promotes activation of the G protein-coupled alpha-factor receptor[J].Mol Cell Biol,2004,24(5):2041.[4] FRICKE H.The electric capacity of suspensions with special reference to blood[J].J Gen Physiol,1925,9(2):137-152.[5] HANSEN S K,VESTERGAARD M,TH GERSEN L,et al.Lipid dynamics studied by calculation of 31P solid-state NMR spectra using ensembles from molecular dynamics simulations[J].J Phys Chem B,2014,118(19):5119-5129.[6] CHU H,PENG X,LI Y,et al.Polarizable atomic multipole-based force field for DOPC and POPE membrane lipids[J]. Mol Phys,2018,116(7/8):1037-1050.[7] VOROBYOV I V,ANISIMOV V M,MACKERELL A D.Polarizable empirical force field for alkanes based on the classical drude oscillator model[J].J Phys ChemB,2005,109(40):18988-18999.[8] ROUX B,BERNECHE S,EGWOLF B,et al.Ion selectivity in channels and transporters[J].J Gen Physiol,2011,137(5):415-426.[9] ZHAO D X,LIU C,WANG F F,et al.Development of a polarizable force field using multiple fluctuating charges per atom[J].J Chem Theory Comput,2010,6(3):795-804. [10] LIU C,LI Y,HAN B Y,et al.Development ABEEMσπ polarization force field for base pairs with amino acid residues complexes[J].J Chem Theory Comput,2017,13(5):2098-2111. [11] 宫利东,张慧,郝争争.尿素与甘氨酸二肽相互作用的量子化学研究[J].辽宁师范大学学报(自然科学版),2016,39(4):497-501.[12] 宫利东,卜聪明,刘翠.尿素与丙氨酸二肽相互作用的量子化学研究[J].辽宁师范大学学报(自然科学版),2017,40(4):496-501.[13] CHOWDHARY J,HARDER E,LOPES P E,et al.A polarizable force field of dipalmitoylphosphatidylcholine based on the classical drude model for molecular dynamics simulations of lipids[J].J Phys Chem B,2013,117(31):9142-9160.[14] PERALTA J,OGLIARO F,BEARPARK M,et al.Gaussian 09,revision D.01[CP].Gaussian Inc:Wallingford,CT.2013.[15] KLAUDA J B,VENABLE R M,FREITES J A,et al.Update of the CHARMM all-atom additive force field for lipids:Validation on six lipid types[J].J Phys Chem B,2010,114(23):7830-7843.。
分子模拟 (MS)
扭角能
2
非平面角角能
qi q j C12 C6 [ 12 6 ] rij 4 0 j rij i j rij
范德华相互作用能 静电作用能
6
Bond b0 Bond Angle
0
Dihedral Angle (i-j-k-l)
δ ＝ ０或 π n= 1,2,3,4,5,6
力场由两大要素构成：势能函数形式和相关参数（力参
数、几何参数等）。
5
势函数
Vi (r ) Vi (r1 , r2 ......rN ) 1 1 2 ２ K b (b b0 ) Kθ ( θ 0 ) θ b 2 键伸缩能 θ 2 键角能 Kφ ( Cos(n δ ） K ( 0 ) １ φ
10
CHARMM（Chemistry
at Harvard Molecular Mechanics） 力场， 此力场可应用于研究许多分子系统, 包括小的 有机分子, 溶液, 聚合物, 生化分子等。除了有机金属分 子外,几乎皆可得到与实验值相近的结构, 作用能, 构型 能, 转动能垒, 振动频率, 自由能及许多与时间相关的物 理量。 CHARMM是蛋白质和核酸分子比较好的力场。 AMBER与CHARMM的区别：前者主要针对酶， 后者应用范围广且可计算生化反应自由能。
13
微观尺度材料模拟 分子动力学
分子动力学是在原子、分子水平上求解多体问题的
重要的计算机模拟方法，可以预测纳米尺度上的材料 动力学特性。是时下最广为采用的计算庞大复杂系统 的方法。
在分子动力学中，粒子的运动行为是通过经典的运
动方程（牛顿运动方程、拉格朗日方程等 ）所描述。
通过求解所有粒子的运动方程，分子动力学方法可以
计算机辅助药物设计
1 计算机辅助药物设计 一、药物发现一般过程 新药的研究有三个决定阶段：先导化合物的发现，新药物的优化研究，临床与开发研究。计算机辅助药物设计的主要任务就是先导化合物的发现与优化。 二、合理药物设计 1、合理药物设计（rational drug design）是依据与药物作用的靶点，即广义上的受体，如酶、受体、离子通道、病毒、核酸、多糖等，寻找和设计合理的药物分子。通过对药物和受体的结构在分子水平甚至电子水平的全面准确了解进行基于结构的药物设计和通过对靶点的结构、功能、与药物作用方式及产生生理活性的机理的认识基于机理的药物设计。CADD通过内源性物质或外源性小分子作为效应子作用于机体的靶点，考察其形状互补，性质互补（包括氢键、疏水性、静电等），溶剂效应及运动协调性等进行分子设计。 2、方法分类 （1）合理药物设计有基于靶点结构的三维结构搜索和全新药物设计等方法。后者分为模板定位法、原子生长法、分子碎片法。 （2）根据受体是否已知分为直接药物设计和间接药物设计。前者即通过结构测定已知受体或受体-配体复合物的三维结构，根据受体的三维结构要求设计新药的结构。受体结构测定方法：同源模建（知道氨基酸序列不知道空间结构时），X射线衍射（可结晶并得到晶体时），多维核磁共振技术（在体液即在水溶液环境中）。后者通过一些配体的结构知识（SAR，计算机图形显示等）推测受体的图像，提出假想受体，采用建立药效团模型或3D-QSAR和基于药效团模型的三维结构搜索等方法，间接进行药物设计。 三、计算化学 计算化学包括分子模型、计算方法、计算机辅助分子设计（CAMD）、化学数据库及有机合成设计。 计算方法基本上可分为两大类：分子力学（采用经典的物理学定律只考虑分子的核而忽略外围的电子）和量子力学（采用薛定谔方程考虑外围电子的影响，分为从头计算方法和半经验方法）。 常用的计算应用有：（1）单点能计算：根据模型中原子的空间位置给出相应原子坐标的势能；（2）几何优化：系统的修改原子坐标使原子的三维构象能量最小化；（3）性质计算：预测某些物理化学性质，如电荷、偶极矩、生成热等；（4）构象搜索：寻找能量最低的构象；（5）分子动力学模拟：模拟分子的构象变化。 方法选择主要有三个标准：（1）模型大小；（2）可用的参数；（3）计算机资源 四、计算化学中的基本概念 1、坐标系统 分为笛卡尔坐标（三维空间坐标）和内坐标（Z矩阵表示，参数为键长、键角、二面角数据）。前者适合于描述一系列的不同分子，多用于分子力学程序，有3N个坐标；后者常用于描述单分子系统内各原子的相互关系，多用于量子力学程序，有3N-6个坐标。 2、原子类型：用来标记原子属性。 3、势能面 体系能量的变化被认为能量在一个多维的面上运动，这个面被称为势能面。坐标上能量的一阶导数为零的点为定点（原子力为零，局部或全局最稳定）。 2
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文章标题：深入探讨charmm-gui小分子力场
一、charmm-gui小分子力场的概念和应用
在当今科学研究和药物设计领域，charmm-gui小分子力场扮演着重要的角色。
它是一种针对小分子模拟和分子动力学仿真的力场，能够准确地描述小分子的结构和性质。
charmm-gui小分子力场主要用于模拟小分子与蛋白质、核酸等生物大分子之间的相互作用，并通过计算分子的力学和热力学性质来揭示分子之间的相互作用规律。
charmm-gui小分子力场的应用范围非常广泛，涉及药物设计、生物医学研究、材料科学等多个领域。
二、charmm-gui小分子力场的原理和模拟方法
charmm-gui小分子力场的原理基于分子力学模拟，它通过构建分子的力场参数和模拟方法，来描述分子的结构和动力学行为。
在charmm-gui小分子力场的模拟方法中，通常采用分子的动力学仿真和蒙特卡洛模拟等技术，来模拟分子在不同条件下的动态特性。
charmm-gui小分子力场的模拟方法能够高效地预测分子的构象和能量，从而为进一步的实验设计和数据分析提供重要参考。
三、charmm-gui小分子力场的参数化和优化
charmm-gui小分子力场的参数化是指根据实验数据和理论计算，对分子的力场参数进行优化和校正，以使模拟结果更加符合实际情况。
在charmm-gui小分子力场的参数化过程中，需要考虑分子的电荷分
布、键长、键角和二面角等参数，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
通过参数化和优化，charmm-gui小分子力场可以更好地描述分子之
间的相互作用和结构变化，为科学研究和工程设计提供重要支持。
四、个人观点和总结
作为一种先进的分子模拟力场，charmm-gui小分子力场在科学研究
和工程应用中具有重要的意义。
它不仅能够帮助科学家深入理解分子
的结构和性质，还能够为新药研发、生物医学工程和新材料设计等领
域提供重要支持。
在未来的研究中，我期待charmm-gui小分子力场
能够进一步发展，为人类健康和科学进步做出更大的贡献。
通过这篇文章，我对charmm-gui小分子力场有了更深入的了解。
它不仅是一种强大的工具，还是一种理论和实践相结合的科学方法。
我
期待未来能够更多地了解和应用charmm-gui小分子力场，为我的研究和工作带来新的突破和发展。
一、charmm-gui小分子力场的概念
和应用
charmm-gui小分子力场是一种用于模拟小分子结构和性质的分子力场，能够准确地描述小分子与生物大分子之间的相互作用。
它在药物
设计、生物医学研究、材料科学等领域有着广泛的应用。
通过charmm-gui小分子力场的模拟和计算，科研人员能够更深入地了解
分子之间的相互作用规律，为新药研发和材料设计提供重要的参考。
二、charmm-gui小分子力场的原理和模拟方法
charmm-gui小分子力场的原理基于分子力学模拟，通过构建分子的
力场参数和模拟方法来描述分子的结构和动力学行为。
在模拟方法中，常采用动力学仿真和蒙特卡洛模拟等技术来模拟分子在不同条件下的
动态特性。
这些模拟方法能够高效地预测分子的构象和能量，为后续
的实验设计和数据分析提供重要参考。
三、charmm-gui小分子力场的参数化和优化
charmm-gui小分子力场的参数化是指根据实验数据和理论计算，对
分子的力场参数进行优化和校正，以使模拟结果更加符合实际情况。
在参数化过程中，需要考虑分子的电荷分布、键长、键角和二面角等
参数，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
通过参数化和优化，charmm-gui小分子力场可以更好地描述分子之间的相互作用和结构
变化，为科学研究和工程设计提供重要支持。
四、charmm-gui小分子力场的发展与挑战
随着科学技术的不断进步，charmm-gui小分子力场也在不断发展和
演变。
其中包括对力场参数的精细调整和优化，以提高模拟结果的准
确性和可靠性。
科研人员也面临着挑战，如如何更好地处理大量的分
子数据和如何提高模拟方法的效率和精度等问题。
在未来的研究中，
科研人员还需要不断探索新的模拟方法和技术，以应对不断变化的科
学挑战。
五、结合个人研究和工作
作为一名科研人员，我将结合charmm-gui小分子力场的原理和方法，开展相关的研究工作。
我将深入学习和掌握charmm-gui小分子力场
的模拟技术，以预测和解释分子之间的相互作用，并为药物设计和材
料工程提供优良的支持。
我也将积极关注charmm-gui小分子力场的
最新发展和进展，与同行们共同讨论和交流，为推动charmm-gui小
分子力场的进一步发展做出贡献。
charmm-gui小分子力场作为一种重要的分子模拟工具，在科学研究
和工程应用中有着重要的地位和价值。
希望通过不断的研究和实践，
能够更好地理解和应用charmm-gui小分子力场，为科学研究和工程
设计带来新的突破和进步。