Post on 10-Nov-2020
transcript
OD ČTYŘ ŽIVLŮ KE KOČCE
http://eterna.cmu.edu/web/
http://fold.it/portal/
Výpočetní chemie• Studuje rozmanité chemické problémy s využitím rozličných softwarových nástrojů
• Výhody výpočetní chemie: bezpečné pracovní prostředí, možnost práce s nestabilními látkami, snížení nákladů na laboratorní pokusy, předpověď chování nových látek…
• Nevýhody: někdy až přílišná aproximace
"A computer lets you make more mistakes faster than any other invention in human history...with the possible exceptions of handguns and tequila."
Rozdíly mezi klasickou a výpočetní chemií
Historie výpočetní chemie• Starověk – 17. století
Počátek filosofických teorií
• 17. století – 1960Položení základů teoretických modelů
• 1960 – dosudSoučasná moderní výpočetní chemie
Filosofické teorieAntika – svět se skládá z jediné pralátky
¢ Demokritos a Leukippos - Atomistická teorie Veškerá hmota se skládá z drobných nepatrných dále již nedělitelných částeček – atomů.
¢ Aristoteles a EmpedoklesPralátka je tvořená kombinací čtyř základních elementů (oheň, voda, vzduch a země)Uznávána až do 17. století
• Demokritova Atomistická teorie rozšířena J. Daltonem (i) Atomy nelze dále dělit ani chemicky ani fyzikálně(ii) Atomy různých prvků se od sebe liší(iii) Při slučování dochází ke sdružování celistvého počtu atomů
• Zpochybnění nedělitelnosti atomu
• Objev elektronu - J. J. Thomson (1897)
• Katodové záření
• „pudinkový model“ atomu
katoda je el. vytápěna → dojde k emisi záření → toto záření je urychleno anodou → malá frakce projde skrz perforovanou anodu → paprsek dopadne na fluorescenční destičku a záření se stane viditelným (paprsek se ohýbá od záporně nabité destičky)
• Objev atomového jádra
• „planetární model atomu“ - E. Rutherford Elektrony se pohybují podle zákonůklasické fyziky
• N. Bohr a počátky kvantové chemie (i) Elektron se může bez vyzařování E pohybovat kolem jádra jen po
určitých drahách (orbitalech)(ii) Elektron přijímá nebo vyzařuje E pouze při
přeskoku z jedné energetické hladiny na druhou(kvantování energie)
• Kvantová teorie W. Heisenberg a E. Schrödinger (1925, 1926) → vlnová funkce
• Kvantově-mechanický model atomu využívající dualistický princip a vlnovou funkci
Vlnová funkce popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v elektronovém obalu atomu. Vlnovou funkci lze získat řešením Schrödingerovy rovnice.
• Selhání Schrödingerovy rovnice pro složitější molekuly • Born-Oppenheimerova aproximace (1927)
Jádra jsou těžší než elektrony, proto se pohybují pomaleji a pohyb jadera elektronů lze počítat odděleně
• Teorie molekulových orbitalů (1931)• Metoda MO-LCAO Molecular Orbital – Linear
Combination of Atomic Orbitals (1946)
TEORETICKÉ MODELY (20. STOLETÍ)
• První pokusy o vytvoření metod pro simulace fyzikálně-chemických procesů
• A. Metropolis se spolupracovníky popsali aplikaci metody Monte Carlo (1953)
• První Ab Initio výpočty (1955)
TEORETICKÉ MODELY (20. STOLETÍ)
Buffonova jehla
Hodnota pravděpodobnosti 2/π
Současná výpočetní chemie• Nejenom návrh teoretických modelů, ale i implementace!• Dynamicky se rozvíjející obor• První práce zabývající se výpočetní chemií (60. léta)
• Různé specializace: molekulová mechanika, kvantová mechanika, molekulová dynamika …
Základní pojmy• Elektron:
• hmotnost: 9,12 . 10-31 kg• poloměr: 10-15 m
• Proton:• hmotnost: 1,67 . 10-27 kg• poloměr: 10-13 m
Rozměr se udává v nm (nm = 10-9 m) nebo angströmech (Å = 10-10 m).Hmotnost se uvádí ve formě relativní atomové hmotnosti (AR). AR je rovna podílu hmotnosti atomu a hmotnosti atomové hmotnostní jednotky u (1,66057.10-27 kg … 1/12 hmotnosti 1 atomu nuklidu uhlíku C6
12)
Jádro
atom
Základní pojmy• Délka vazby (r)Typicky mezi 1-2 Å
• Vazebný úhel (α)Typicky v rozmezí 100-180°
• Torzní (dihedrální) úhel (θ)Úhel mezi dvěma rovinamiMůže nabývat hodnot v rozmezí 0-360°
Molekula – základní objekt• Popis molekuly v počítačové chemii:
• Struktura molekuly – definuje, které atomy tvoří molekulu a jakými vazbami jsou spojeny.
• Geometrie molekuly popisuje polohu atomů v prostoru.
Příklad: Molekula vody
Obsahuje 3 atomy – O a 2x H
Geometrický vzorec: O
H H
Model molekuly:
Popis molekuly: Kartézské souřadnice
O 0.000000 0.000000 0.000000H 0.000000 0.000000 0.968700H 0.941332 0.000000 -0.228637
Kartézské souřadnice - XYZ• Nejjednodušší formát definující polohy atomů• Obsahuje: Celkový počet atomů, polohu každého atomu v
kartézském systému souřadnic (XYZ) a identikaci typu atomu podle názvu atomu (O) nebo atomového čísla (8)
osa x osa y osa z O 0.000000 0.000000 0.000000H 0.000000 0.000000 0.968700H 0.941332 0.000000 -0.228637
Počet atomů N … počet souřadnic 3N
Formát XYZ
Z-matice (interní/vnitřní souřadnice)
O (první atom)
H 1 r1 (první vodík vázaný k první atomu O vazbou délky r1)
H 1 r1 2 u1 (druhý vodík vázaný k první atomu O vazbou délky r1, úhel mezi HOH je u1)
r1=0.9584 Åu1=104.45°
Počet atomů N … počet souřadnic 3N – 6 (nelineární systémy)počet souřadnic 3N – 5 (lineární systémy)
Vnitřní parametry: délky, úhly, dihedrální úhly
1 r1
u1 2
Soubor PDB• používaný pro reprezentaci biomolekul (proteiny, nukleové
kyseliny)• podporuje většina programů pro počítačové modelování
(VMD, PyMOL, YASARA, Chimera, . . . )• polohy atomů v XYZ souřadnicích• velmi striktní formátování:- prvních šest sloupců vyhrazeno pro „Record name“ (viz ATOM, ANISOU, TER, HETATM, MODEL, REMARK, atd.)- souřadnice atomů standardních reziduí uvedeny u ATOM- proteiny číslovány od N konce a nukleové kyseliny od 5' konce- souřadnice molekul vody, iontů, ligandů, atd. uvedeny obvykle u HETATM- obsahuje-li biomolekula více řetězců, pak je každý řetězec oddělen prostřednictvím TER- každý PDB soubor je zakončen END
Soubor PDB
• Explicitní model vody TIP3P
• PDB databáze: www.pdb.orgkaždá biomolekula má unikátní PDB kódvizualizace PDB souborů: VMD, PyMol, Chimera …