Vhled do praxe II• Kdy: 17.12. 2003
– 1. skupina (příjmení N - Z): 16:00 - 17:40
– 2. skupina (příjmení A - M): 18:00 - 19:40
• Kde: – Přírodovědecká fakulta, Kotlářská 2
– Učebna COMPC (budova děkanátu, přízemí, vlevo)
Počítačová chemie (12. přednáška)• Úvod (1. přednáška)
• Molekula– Struktura molekuly (2., 3. a 4. přednáška)– Geometrie molekuly (5. přednáška)– Vhled do praxe (6. přednáška)
• Molekulové modelování– Molekulová mechanika (7. a 8. přednáška)– Kvantová mechanika (9. a 10. přednáška)– Molekulová dynamika (11. přednáška)– Vhled do praxe II (12. přednáška)
Osnova• MM:
– souhrn teorie– software pro MM – praxe
• QM– souhrn teorie– software pro MM – praxe
• MD– souhrn teorie– software pro MM – praxe
Molekulová mechanika
• Model molekuly:
Koule spojené pružinami:
Molekulová mechanika• Výpočet energie molekuly:
Potenciálová funkce:
+ silové pole (= soubor parametrů, využitých v potenciálové funkci)
Molekulová mechanikaSilová pole:• AMBER • CHARMM• MM• MacroModel
Software:• Komerční: softwarové balíky, vytvořené pro daná silová pole• Volně šiřitelné: Hyperchem a další
Molekulová mechanika
Obecné cíle MM:
• Studium konformačního chování molekuly v definoveném chemickém prostředí.
Konkrétní problémy MM:
• Single point: Výpočet energie určité konformace studované molekuly.
• Minimalizace: Sestup do lokálního minima.
Molekulová mechanika
Molekulová mechanika- AMBER
Ukázky práce s Amberem:
AMBER je přístupný pro informatiky na strojích Grond, Eru, Dior, Skirit atd.
Nejdříve je nutno přidat modul AMBER:
module add amber{verze}
Pro výpočet single pointů a minimalizaci slouží program SANDER.
Molekulová mechanika- AMBER II
Program SANDER se volá následovně:
sander -c molekula.crd -t molekula.top -i molekula.ini -o molekula.out
Kde: molekula.crd obsahuje souřadnice* molekuly a molekula.top topologii* molekuly. V souboru molekula.ini se nacházejí vstupní parametry výpočtu a do souboru molekula.out se zapisuje výstup výpočtu.
* Soubory jsou ve formátu, definovaném speciálně pro softwarový balík
AMBER.
Molekulová mechanika- AMBER III
Soubor molekula.ini obsahuje:• Parametry výpočtu:
počet kroků, typ výpočtu (MM x MD) atd.
• Nastavení chemických a fyzikálních podmínek:
dielektrická konstanta, parametry pro výpočet van der Waalsovských interakcí atd.
Molekulová mechanika- AMBER IV
Příklad souboru molekula.ini: &cntrl
imin = 1,
ntx = 1, ntxo = 1,
ntb = 0, iftres = 1,
nrun = 0,
ntnb = 1, nsnb = 25, idiel = 0, imgslt = 0,
cut = 9.0, scnb = 2.0, scee = 1.2,
dielc = 4.0, ntpr = 20,
maxcyc = 2200, ncyc = 50, ntmin = 1,
dx0 = 0.01, dxm = 0.5, dele = 0.0001,
drms = 0.3,
&end
Molekulová mechanika- AMBER V
Ukázka souboru molekula.out.
Molekulová mechanika- Hyperchem
Hyperchem je komerční software, ale jeho demonstrační verze (která umí vše potřebné :-) je volně dostupná jako shareware.
Ukázky práce s Hyperchemem:
Nastavení MM
Otevření molekuly glycinu
Single point glycinu
Minimalizace glycinu různými metodami
Molekulová mechanika - úkolMinimalizace propenu různými minimalizačními metodami (+ vyplnění
tabulky)
Porovnání energií židličkové (chair), vaničkové (boat) a zkřížené židličkové (twisted chair) konformace:
Energie vypočtěte pro každou konformaci pomocí AMBERu a MM+. Před výpočtem vždy proveďte minimalizaci konformeru v daném silovém poli pomocí Newton-Raphsonovy metody.
Vyzkoušej minimalizovat poloviční židličkovou konformaci (half chair) konformaci cyklohexanu. Co se stane a proč?
Židličková Zkřížená židličková Vaničková
Poloviční židličková
Potenciální energie cyklohexanu (pro různé konformace)
Pravděpodobnost výskytu konformací (25°C):židličková: 85,5%, zkřížená židličková: 14,4%, další konformace: 0,1%
Židličková Zkřížená židličková
Konformace:
Vaničková Poloviční židličková
Strukturní vzorec:
Kvantová mechanika
• Výpočet energie molekuly:
Schrodingerova rovnice - přesněji řečeno její numerické formy:
Hartree-Fockovy rovnice:
Roothaan-Hallovy rovnice:
FC = SCE
Fi i i i
Kvantová mechanika
Metody: Ab-initio x semiempirické
Báze pro ab initio metody: STO-3G, 3-21G, 6-31G*, 6-31G**, atd.
Semiempirické metody:
CNDO, INDO, MNDO, AM1, PM3, atd.
Software:• Komerční: GAMESS, GAUSSIAN• Volně šiřitelné: Hyperchem a další
Kvantová mechanika
Obecné cíle QM jsou stejné jako u MM:
• Studium konformačního chování molekuly v definoveném chemickém prostředí.
+ některé navíc: výpočet náboje atomů atd.
Konkrétní problémy QM = také nadmnožina MM. My si vyzkoušíme řešit tyto problémy:
single point a minimalizace
Kvantová mechanika- GAUSSIAN
Ukázky práce s GAUSSIANem:
GAUSSIAN je přístupný pro informatiky na strojích Grond, Eru, Dior, Skirit atd.
Nejdříve je nutno přidat modul GAUSSIAN:
module add gaussian{verze}
GAUSSIAN (verze 98) se volá následovně:g98 < (vstupní soubor) > (výstupní soubor)
Ukázka vstupního & výstupnho souboru.
Kvantová mechanika- Hyperchem
Ukázky práce s Hyperchemem:
Nastavení QM
Otevření molekuly propan
Nastavení semiempiriky a INDO
Single point a minimalizace
Nastavení ab initio metody a báze
Single point a minimalizace
Kvantová mechanika- Hyperchem II
Minimalizujte ethan:
semiempirikou (INDO)*
ab initio (STO-3G)*
* použijte metodu konjugovaných gradientů (P-R)
Pokud budete mít čas, zkuste si další metody & báze :-).
Molekulová dynamika• Účel: Prohledávání PES (nalezení lokálních a globálních
minim)
• Popis:
– Každý atom molekuly nechť se pohybuje jistou rychlostí
– Pro atomy studované molekuly řešíme Newtonovy pohybové rovnice:
Z poloh a rychlostí atomů a sil působících v rámci systému v čase t určíme polohy atomů v čase t +dt (a samozřejmě i rychlosti atomů a síly a tomto čase).
Molekulová dynamika
Celková energie molekuly je tvořena dvěma složkami: kinetickou energií (závisí na pohybovém stavu molekuly) a potenciální energií (závisí na uspořádání molekuly)
Tyto složky se mohou vzájemně přeměňovat: V důsledku pohybu atomů dochází ke změně polohy souřadnic a tedy i změně potenciální energie.
Přeměna kinetické energie na potenciální umožňuje molekule překonat energetickou bariéru, dělící dvě různé geometrie této molekuly.
Molekulová dynamika
• Snímek MD:
Souřadnice molekuly v jistém čase. • Krok MD:
začíná v čase t se souřadnicemi S
využívá Newtonovy pohybové rovnice
končí v čase t+t se souřadnicemi S´• MD trajektorie:
Posloupnost snímků MD.
Molekulová dynamika
Software: • Komerční: MD je většinou součástí
komerčního software pro MM (AMBER, MM, ...).
• Volně šiřitelný: Hyperchem, VMD
Molekulová dynamika- VMD & Hyperchem
Vizualizace MD dekameru alaninu.
Vytvořit methan, zminimalizovat, MD
MD pro dipeptid, chytnout snímek, RMS
Úkoly:
Vytvořit ethan, zminimalizovat, MD
MD (AMBER) na APA, chytnout snímek, RMS
