第三章_经典分子动力学方法案例
分子动力学ppt课件
计算机分子模拟方法 第三章、分子动力学方法
• 算法启动
（1）扰动初始位置； 2 h 1 0 0 0 （2）利用初始位置和速度： r r hv F
i i i
2 m
i
• 原始形式的算法表述：
（1）规定初始位置r0,r1 （2）计算第n步的力Fn （3）计算第n+1步的位置： r （4）计算第n步的速度： （5）重复(2)到(4)
L
计算机分子模拟方法 第三章、分子动力学方法
• 差分格式（采用有限差分法将微分方程变成有限差分方程以便数 值求解 ）
哈密顿表述：
牛顿表述：
dr dP i i m p ; F r i ij dt dti j dr dv i i v ; m F r i i ij dt dt j
df f( t h ) f( t h ) dt 2 h
2 d f 1 [ f ( t h ) f ( t h ) 2 f ( t ) 2 2 dt h
F r
i j i ij
d 2 ri 1 1 2 ri t h 2 ri t ri t h F i t 2 dt h m h2 ri t h 2 ri t ri t h F i t m h2 n 1 n n 1 n ri 2 ri ri Fi m n 1 n 1 n ri ri vi 2h
n 1 n1 n1 2 2 n 步 V V V ) ⑤计 算 第 的 速 度 ： i ( i i 2
重 复 ③ 到 ⑤
计算机分子模拟方法 速度形式：Velocity form ,可以自启动。稳定、收敛和简便性成为目前最有吸引力的 方法。 第三章、分子动力学方法
经典分子动力学方法
h
一个正立方体中的原子系统，立方体边长为h，s为原子相立 方体的坐标，现在把(V,s)均做为变量。和原先系统(r) 比自由度增加1.(1)中右边2,3项为与V相关的能量。可以 看出等压过程是通过调节立方体的体积与速度来实现的。 Q为Anderson质量，调节Q可以控制压力涨落的大小. Andeson, H.C. J.Chem.Phys. 72, 2384-93(1980)
经典分子动力学方法
中国科学院固体物理研究所 计算材料科学研究室 范巍
分子动力学基本原理
一个体系有N个原子 体系的状态由这N个原子的位置{ri}和动量{pi} 或速度{vi}来标志。 体系的能量为H({ri,pi}) 体系的运动方程为
pi = H ri t
ri = H pi t
分子动力学的主要目的是解上面的方程求得体系状态 相空间演化的轨迹{ripi}t0,{ripi}t1,{ripi}t2,{ripi}t3,……。 进而可计算我们感兴趣的物理量的值Q({ri,pi})。
1 2 2
r r & v = sr
r && = r
r F ms 2
r && 2 sr s
r r ( f +1) k BT & & Q&& = ∑ mr r s s s
i
引入了新的自由度s,定义与其相关的动能和势能。 与老系统的耦合体现在对速度的重新标定。 f为系统的自由度数，Q为Nose质量。 新的自由度的引入相当与引入了一个恒ห้องสมุดไป่ตู้热库，系统与 其耦合趋于和热库热平衡。系统的温度恒温热库相同而 保持恒温 Nose, Mol. Phys. 52, 255-68(1984)
分子动力学案例
分子动力学案例想象一下，我们现在是一群超级小的侦探，要去探索蛋白质分子的小世界。
这个蛋白质分子就像一个超级复杂的小机器，有着各种各样弯弯绕绕的结构。
比如说，我们要研究一种酶，这种酶在我们身体里就像一个超级小的工人，专门负责把食物分解成身体能吸收的小碎片。
但是呢，这个小工人有时候会出故障，这时候就可能让我们生病啦。
那怎么用分子动力学来研究这个小工人呢？我们就像给这个酶分子拍了好多好多超级特写照片，不过这些照片不是普通的照片，而是知道每个原子在什么位置、怎么运动的那种超详细信息。
我们把这个酶分子放在一个虚拟的小盒子里，这个小盒子就像它的小房间。
然后，根据物理定律，让这个小房间里的原子们开始按照自己的规则动起来。
就像是在开一场超级微观的小派对，每个原子都在自己的位置上跳着独特的舞蹈。
我们会发现，这个酶分子有时候会扭一扭、转一转，它的一些小零件（我们叫做氨基酸残基）会靠近或者远离彼此。
比如说，在它工作的时候，有一个小口袋一样的地方会张开，就像一张小嘴，专门等着食物分子这个小点心进来。
而且哦，通过分子动力学模拟，我们还能看到这个小口袋周围的原子是怎么排列的。
如果有个小原子跑错了位置，就像在小机器里塞了个小石子，那这个酶可能就没办法好好工作啦。
再举个例子，在药物研发的时候，分子动力学也超级有用。
假设我们要找到一种药来治疗这个酶出故障的病。
我们可以把一些可能的药物小分子也放到这个小房间里，让它们和酶分子一起玩耍。
有的药物小分子就像个霸道的小怪兽，到处乱撞，把酶分子的结构都破坏了，这肯定不行啦。
但是呢，有一些小分子就特别聪明，它们会找到酶分子上的一个特殊位置，就像一把小钥匙找到了对应的小锁一样，然后紧紧地贴上去。
这个时候，酶分子就像被这个小分子轻轻拍了一下，说：“我又能好好工作啦！”分子动力学就像是我们的超级显微镜加上时光机，不仅能看到分子的样子，还能知道它们在时间里是怎么运动、变化的，是不是超级酷呢？。
分子动力学MS的应用实例
MD含温度与时间, 还可得到如材料的玻璃化转变温度、 热容、晶体结晶过程、输送过程、膨胀过程、动态弛豫(relax) 以及体系在外场作用下的变化过程等。
分子动力学模拟应用实例
速度，原子i所受的力 一阶导数，即 Fi (t)
可Fi (以t，)直Ur其i 接中用U为势势能能函函数数对（坐简标称的势ri
函数或力场），因此对N个粒子体系的每个粒子有
mi
vi t
F
U ri
...
• r (t )
v(t )
求解这组方程要通过数值方法，即给出体系中每个粒
子的初始坐标和速度，从而产生一系列的位置与速度，即 为任意时刻的坐标和速度。
MD是用计算机方法来表示统计力学，用来研究不能用解 析方法来解决的复合体系的平衡和力学性质，是理论与实验 的桥梁。
经典力学定律
分子动力学的基本思想
分子动力学中处理的体系的粒子遵从牛顿方程，即
Fi (t) miai(t)
式中 是Fi(粒t) 子所受的力， 为m粒i子的质量， 是ai原(t)子i的加
准备试样
解N个粒子（分子）组成的 模拟体系的牛顿运动方程 直至平衡，平衡后进行材
料性能的计算
将试样放入测试仪器中进 行测量
对模拟结果 进行分析
测量结果的分析
启动计算
分子动力学运行流程图
设定坐标、速度的初始值
时间更新 回路
t+Δt
时间步长
——参考原子或分 子特征运动频率来 选取
计算作用于原子上的力Fi
MM和MD的应用，通常称作分子模拟(molecular simulation, molecular modeling) 或 分子设计(molecular design)。
分子动力学案例介绍
分子动力学案例介绍今天来给你唠唠分子动力学的案例，可有意思了呢！一、蛋白质折叠。
1. 背景。
你可以把蛋白质想象成一条超级复杂的小链子。
在生物体内，这些小链子得自己卷成特定的形状才能干活儿，就像你得把一团乱麻的耳机线缠好才能放进盒子里一样。
分子动力学就像一个超级小的摄像头，能盯着蛋白质这个小链子在微观世界里的一举一动。
2. 具体过程。
科学家们先确定蛋白质的初始结构，这就好比给那个乱麻的耳机线先找个头儿。
然后用分子动力学软件，给这个蛋白质施加一些模拟的环境条件，像温度啊、酸碱度啥的。
这个蛋白质小链子就开始自己动起来了。
分子动力学能计算出每个原子在每一瞬间的位置和速度。
就像看一场超级微观的舞蹈表演，每个原子都是舞者，它们按照物理定律在那儿扭来扭去。
蛋白质就会折叠成一个稳定的形状，这个形状可能就是它在生物体内发挥功能的样子。
比如说，有些蛋白质折叠成特定形状后就能像小剪刀一样，把别的分子给剪断呢。
3. 成果和意义。
通过分子动力学研究蛋白质折叠，我们能搞清楚很多疾病是咋回事。
有些病就是因为蛋白质折叠错了，就像耳机线缠错了没法用一样。
比如阿尔茨海默病，可能就是大脑里的一些蛋白质折叠成了乱七八糟的形状，然后就开始捣乱了。
了解了蛋白质折叠的正确过程，我们就有可能找到治疗这些疾病的方法，像是研制药物来纠正那些错误折叠的蛋白质。
二、材料的性能研究以金属为例。
1. 背景。
金属这玩意儿到处都是，像你手机里的零件啊，汽车的框架啊，都是金属做的。
但是不同的金属性能差别可大了。
有的金属很软，一捏就变形；有的金属硬得很，就像钢铁侠的盔甲一样。
分子动力学就来帮忙搞清楚为啥金属有这些不同的性能了。
2. 具体过程。
科学家先建立金属的原子模型。
金属原子就像一个个小钢珠，整整齐齐地排列着（当然实际情况比这复杂多了）。
然后给这个原子模型施加压力、拉力之类的外力。
分子动力学就开始计算原子们的反应了。
你想啊，就像一群小钢珠，你用力推它们，有些小钢珠可能就会跑位，有些可能就紧紧挨在一起。
分子动力学激光烧蚀案例
分子动力学激光烧蚀案例今天咱们来唠唠分子动力学里的激光烧蚀案例，可有意思啦。
首先呢，你得知道啥是分子动力学。
简单说啊，就是把那些微观的分子啊原子啊的运动啥的，当成一个个小球在那动来动去，然后研究它们之间是咋相互作用的。
就好比一群小蚂蚁在蚁巢里忙忙碌碌，每个蚂蚁都有自己的轨迹，还会互相碰来碰去，分子动力学就是研究这些微观“小蚂蚁”的事儿。
那激光烧蚀又是啥呢？想象一下，激光就像一把超级厉害的小喷枪，对着那些分子和原子组成的材料“噗”地一下喷过去。
这个时候啊，材料就像是被一个超级热的小火苗烤着的小蛋糕，表面的分子原子就开始坐不住啦。
比如说在一个金属材料的激光烧蚀案例里啊。
激光打上去的时候，那些在金属表面的原子就像一群被惊扰的小鸟，“轰”地一下就开始四处乱飞。
为啥呢？因为激光带来的能量太大啦，这些原子原本在那规规矩矩地待着，现在一下子获得了好多能量，就像小朋友吃了太多糖，兴奋得停不下来。
从分子动力学的角度看呢，我们就能看到这些原子的运动轨迹发生了超级大的变化。
它们不再是那种慢悠悠地在自己位置附近晃悠了，而是像火箭一样冲出去。
而且啊，它们之间的距离也发生了变化。
原本紧紧挨在一起的原子，现在可能就分散得老远老远了。
再说说这个过程里的温度变化。
激光一烧蚀，就像在这个小微观世界里点了一把大火，温度蹭蹭地往上升。
这个温度的变化又会影响原子分子的运动速度，就像天气热的时候，大家都想跑得快点找个凉快的地方一样。
还有哦，在激光烧蚀的时候，材料表面的结构也会变得乱七八糟的。
就好比你原本堆得整整齐齐的乐高积木，被一个调皮的小孩用手乱搅和了一通，全乱套了。
那些原子之间的化学键也会被打断，就像乐高积木之间的小卡扣被弄断了一样。
而且这个激光烧蚀啊，在实际应用里也有不少用处呢。
比如说在材料加工方面，我们可以利用激光烧蚀来给材料表面做一些特殊的处理，让它变得更耐磨啊，或者有更好的导电性啥的。
就像给材料穿上了一件特制的小外套，让它变得更厉害啦。
分子动力学模拟案例分析
分子动力学模拟经典案例分析雷特格韦（Raltegravir）是第一个通过FDA审查的HIV-1整合酶抑制剂，前期研究发现它与最佳背景疗法结合，抗HIV能力强于单用最佳背景疗法。
下面是它的三维立体结构以及它与HIV-1整合酶结合的口袋位置图：图5 左图表示 Raltegravir 的三维立体结构，右图是HIV-1整合酶的口袋区域，蓝色小分子在晶体结构中已存在，黄色小分子是对接时筛选到的。
案例一：寻找新的HIV-1抑制剂8。
1. 研究者通过构建HIV-1整合酶的三维结构，寻找它的结合口袋，如上图所示。
2. 通过文献调研，寻找到31个已知的具有不同结构类型的HIV-1抑制剂；并且新发现9个具有潜在效用的小分子（研究者从实验中发现，或者从虚拟筛选中得到）。
3. 选取在分子对接中能量超过一定数值（这里是-50kcal/mol）的小分子做分子动力学模拟，通过动力学轨迹分析了解蛋白与小分子的结合情况，并计算它们的结合自由能，一般是分子动力学中的MM/PBSA 或者MM/GBSA方法。
4. 下表的数据中分别列出了抑制剂的IC50值（达到最大抑制一半时小分子的浓度）、分子对接中的能量、MM/GBSA方法计算得到的结合自由能、MM/PBSA方法计算得到的结合自由能。
L01是晶体结构中存在的配体小分子，L02即为Raltegravir，L02t是Raltegravir的钾盐，从L32到LGE是新发现的那九个小分子。
分析数据表明，Raltegravir盐类比Raltegravir本身的抑制效果更好，适合成药，实际上也是如此。
LGA和LGB两个新发现的小分子与蛋白的结合紧密程度比Raltegravir盐类更好，可能用作下一步的生物活性分析。
5. 最后我们可以通过分析蛋白与小分子复合物的三维结构分析它们的结合模式。
例如Raltegravir与蛋白结合，形成了一些特殊的氢键，最重要的是它们都要与蛋白质中的金属离子形成配位结构。
分子动力学模拟在新材料开发上的应用案例分析
分子动力学模拟在新材料开发上的应用案例分析1. 引言新材料的开发对于推动科技进步和实现可持续发展具有重要意义。
随着计算机技术和分子模拟方法的不断发展，分子动力学模拟作为一种有力的工具，正在被广泛应用于新材料的研发过程中。
本文将就分子动力学模拟在新材料开发中的应用进行案例分析，探讨其在材料设计和优化中的作用和应用前景。
2. 案例一：金属-有机框架材料金属-有机框架材料（MOFs）是一类由金属离子与有机配体组装而成的多孔材料，具有高度可调性和应用潜力。
分子动力学模拟可以通过计算MOFs的物理性质和结构信息，为其设计与优化提供指导。
通过分子动力学模拟，研究人员可以模拟MOFs在不同温度和压力条件下的稳定性和结构变化。
例如，研究人员可以通过模拟MOFs在高温下的结构崩溃行为，预测其在实际应用中的稳定性，并进一步优化材料的结构以提高稳定性。
此外，分子动力学模拟还可以预测MOFs的孔径大小、孔隙结构和吸附性能，为其在气体分离、催化反应和能源存储等领域的应用提供理论基础。
3. 案例二：聚合物材料聚合物材料是广泛应用于塑料、纤维和涂料等工业领域的一类材料。
分子动力学模拟可以帮助研究人员深入了解聚合物的结构和性质，并优化其性能。
通过分子动力学模拟，研究人员可以模拟聚合物的链行为、柔性性质和热力学性质。
例如，在聚合物的模拟中，研究人员可以通过调控链段长度、键长和键角等参数，预测聚合物的力学性质和热稳定性。
此外，分子动力学模拟还可以帮助优化聚合物的加工工艺和改进材料的耐磨性和抗氧化性能。
4. 案例三：二维材料二维材料在电子器件、催化剂和能源存储等领域具有广泛应用前景。
分子动力学模拟可以帮助揭示二维材料的制备机制、稳定性和性能，并为其设计和合成提供指导。
通过分子动力学模拟，研究人员可以模拟二维材料的原子结构、晶胞形状和电子结构。
例如，研究人员可以通过模拟石墨烯的生长过程，探究碳原子在衬底上的排列方式和晶格形变，以实现高质量的石墨烯合成。
分子动力学方法
分子动力学方法一、引言计算机模拟中的另一类确定性模拟方法，即统计物理中的所谓合于动力学方法（MolecularDynamics Method）。
这种方法是按该体系内部的内禀动力学规律来计算并确定位形的转变。
它首先需要建立一组分子的运动方程，并通过直接对系统中的一个个分子运动方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量，即在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。
在这样的处理过程中我们可以看出：MD方法中不存在任何随机因素。
在MD方法处理过程中方程组的建立是通过对物理体系的微观数学描述给出的。
在这个微观的物理体系中，每个分子都各自服从经典的牛顿力学。
每个分子运动的内禀动力学是用理论力学上的哈密顿量或者拉格朗日量来描述，也可以直接用牛顿运动方程来描述。
确定性方法是实现Boltzman的统计力学途径。
这种方法可以处理与时间有关的过程，因而可以处理非平衡态问题。
但是使用该方法的程序较复杂，讨算量大，占内存也多、本节将介绍分子动力学方法及其应用。
原则上，MD方法所适用的微观物理体系并无什么限制。
这个方法适用的体系既可以是少体系统，也可以是多体系统；既可以是点粒子体系，也可以是具有内部结构的体系；处理的微观客体既可以是分子，也可以是其他的微观粒子。
实际上，MD模拟方法和随机模拟方法一样都面临着两个基本限制：一个是有限观测时间的限制；另一个是有限系统大小的限制。
通常人们感兴趣的是体系在热力学极限下（即粒子数日趋于无穷时）的性质。
但是计算机模拟允许的体系大小要比热力学极限小得多，因此可能会出现有限尺寸效应。
为了减小有限尺寸效应，人们往往引入周期性、全反射、漫反射等边界条件。
当然边界条件的引入显然会影响体系的某些性质。
对于MD方法，向然的系综是微正则系综，这时能量是运动常量。
然而，当我们想要研究温度和（或）压力是运动常量的系统时，系统不再是封闭的。
例如当温度为常量的系统可以认为系统是放置在一个热俗中。
化学中的分子动力学模拟方法
化学中的分子动力学模拟方法分子动力学模拟是一种重要的计算方法，主要用于研究分子的运动和相互作用，可以用于探究分子间的各种特性和反应。
一、分子动力学模拟的基本原理分子动力学模拟基于牛顿力学原理，将分子看作由粒子组成的系统，通过计算运动粒子之间的相互作用能量和力的大小方向，来预测粒子运动的轨迹和系统的特性。
在分子动力学模拟中，通常采用科学计算软件进行计算，模拟计算的精度和效率受到计算机处理能力和理论模型的限制。
二、分子动力学模拟的应用分子动力学模拟在化学、生物、材料科学等领域应用广泛，可以用于设计新材料、药物开发、酶催化机理、晶体生长等研究。
下面就是几个具体的应用案例：1. 材料表征分子动力学模拟可以通过模拟材料的原子运动来研究材料的动力学性质、热力学性质和机械性质。
在材料表征方面，分子动力学模拟可以用于研究熔化、固化、晶化等过程。
2. 催化研究分子动力学模拟可以用于研究化学反应的催化机理和反应动力学，例如在催化剂表面上反应的机理和吸附方式等。
这些研究对于催化反应速率和产物选择性的理解非常重要。
3. 蛋白质研究分子动力学模拟可以用于研究蛋白质的结构、动力学、功能和相互作用。
例如，分子动力学模拟可以用于研究酶催化机理、蛋白质配体作用和蛋白质构象变化。
4. 药物研究分子动力学模拟可以用于研究化合物与生物分子的相互作用，从而预测药物分子的结合模式和选通性。
分子动力学模拟可以用于设计新的药物分子，改善已有分子的活性和特异性。
三、分子动力学模拟中的算法和计算效率分子动力学模拟中的算法可以分为多种，如Verlet算法、Leapfrog算法、Runge-Kutta算法等。
不同算法的精度和计算复杂度不同，选用适当的算法可以提高计算效率和准确度。
分子动力学模拟的计算时间也是一个重要的因素。
由于分子动力学模拟涉及到大量的原子和分子运动，计算复杂度较高。
因此，现代计算机科学在此方面发挥了重要的作用，如并行计算、GPU加速等技术，使得分子动力学模拟的计算效率得到了很大提升。
分子动力学方法范文
分子动力学方法范文分子动力学（Molecular Dynamics，MD）是一种用于模拟原子和分子运动的计算方法。
通过求解牛顿运动方程，MD方法可以模拟原子和分子在给定的势能场中的运动。
在MD模拟中，粒子的位置和速度在一段时间内不断更新，以模拟粒子在势能场中的运动轨迹。
MD方法在材料科学、生物科学、化学等领域得到了广泛应用。
MD方法的基本原则是根据粒子之间的相互作用力来计算粒子的运动。
通过求解牛顿运动方程（F=ma），可以得到粒子的位置、速度和加速度的变化。
具体来说，MD方法包括以下几个步骤：1）初始化系统的原子位置和速度；2）根据粒子之间的相互作用力，计算粒子受到的力；3）根据牛顿运动方程，更新粒子的位置和速度；4）重复步骤2和3，直到达到模拟所需的时间。
在MD方法中，势能场的选择对模拟结果的准确性和可靠性有重要影响。
常用的势能场包括经验势能场和量子力学势能场。
经验势能场通过对一系列实验数据和理论结果的拟合得到，能够模拟分子之间的相互作用。
量子力学势能场则基于量子力学理论，通过求解薛定谔方程来确定粒子之间的相互作用力。
除了基本的MD方法，还有一些改进和扩展的技术可用于模拟更复杂的系统和过程。
例如，温度调节技术（Thermostat）可以模拟系统在不同温度下的行为；压力调节技术（Barostat）可以模拟系统在不同压力下的行为。
此外，还有一些高级的MD方法，如自由能计算、路径采样和反应动力学等，可用于研究化学反应和相变等复杂过程。
MD方法具有很多优点。
首先，它可以提供关于粒子位置、速度和能量等详细的信息，从而可以研究分子的结构和动力学性质。
其次，MD方法具有很好的可扩展性，可以模拟从几个原子到百万量级的系统。
此外，MD方法还可以研究非平衡态系统的动力学行为，如强激光场下的电子动力学过程。
然而，MD方法也存在一些限制。
首先，MD方法是基于经典力学理论的，忽略了量子效应，因此在描述原子和分子的行为时存在一定的误差。
分子动力学入门第三章
第三章：跑动，测量，分析在这一章我们将讨论怎样处理分子动力学程序：我们怎样开始模拟我们怎样控制模拟，例如探索一个物质的相图我们怎样从模拟中提取结果，以及一些其他的话题。
3.1 模拟的启动开始模拟，我们必须设置一个MD盒子，设置粒子的速度和位置。
有两种普遍做的方法：3.1.1 从scratch开始如果我们从scratch（随便）开始，我们必须创造一系列的起始位置和速度。
位置通常在一个晶格上决定，假设一个确定的晶体结构。
这个结构在T=0时最稳定，具有给定的势能。
起始速度也许是0，或者从麦克斯韦速度分布中获得（下面会讨论）。
这种起始状态当然不符合平衡条件。
但是，一旦跑到平衡通常需要100 time step 的数量级。
在起始的样本中必须引进一些随机量。
如果我们不这样做，所有的原子是对称等价的，运动方程不会有何变化，因为他们按相同的方式演化。
对于完美晶体，由于对称性，所用原子上的作用力净为0，因而，原子将无限制的静止。
常用引进随机部分的方法：1）在晶格位置增加一小部分的随机移位。
移位的幅度不要太大，为了避免原子核的重叠。
少量的晶格间隔通常就足够啦。
2）起始的速度是由麦克斯韦速度分布在确定的温度下决定的。
但是这样做系统将会有一个小的linear动量，引起整个系统的平移。
由于这是不适合拥有的，通常在实际中减去每个粒子的速度，从而使系统的起始总动量为0.起始的随机化，是唯一的方法使分子动力学模拟具有“chance”。
接下来时间的演化完全决定一切。
3.1.2模拟的延续例外一个获得起始位置和速度的可能就是利用先前MD的最后的位置和速度。
这种办法起始在实际实验中普遍运用。
例如，如果我们要在不同温度下进行“测量”，标准的步骤就是设置一个“chain of run”，每个起点温度都是从进程中最后的温度那获得的（加热就更高，冷却就更低）3.2系统的控制在分子动力学模拟过程中，系统在某个状态具有一特定的密度，温度，压力（这些量的计算会在下面介绍）：模拟材料的相图可以被研究。
经典分子动力学方法
两体势 一般情况下，带正 电的原子实间相互 作用，是冲击势
嵌到电子气中原子所受 到的力，是原子所处位 置电子密度的函数F(ρi) 是吸引势。 ρi = ∑ f (rij )
j ≠i
EAM. S.W.Daw and M.I.Baskes, PRL50,1285(1983);PRB29,6443(1984) S.M.Foiles, M.I.Bakes and S.W.Daw, PRB33,7983(1986) Johnson. PRB37,3924(1988);PRB39,12554(1989). Finnis-Sutton. Philos. Mag.50,45(1984),Philos.Mag.Lett,61,139(1990) Glue. F.Ercolessi and J.B.Adams, EuroPhys.Lett.26,583(1994) Mei. J.Mei etal Phys.Rev.B43,4653(1991)
vi (t + 1 h) vi (t 1 h) 2 2 mi = Fi (t ).........( A) h ri (t + h) ri (t ) = vi (t + 1 h).........( B ) 2 h
需要知道上一个时刻得位置ri(t)，中间时刻的速度 vi(t-(1/2)h)和力Fi(t)，首先由方程(A)计算 vi(t+(1/2)h),然后由方程(B)计算新时刻得位置
j i θijk k
f C (rij ) g (θ ijk ) exp[λ3 (rij rik ) 3 ] 3
C
k ≠i , j
∑f
(rik ) exp[λ (rij rik ) ]
c2 d2
分子动力学模拟研究质子调节酸敏感性离子通道的构象变化
中文摘要分子动力学模拟研究质子调节酸感性离子通道的构象变化生物膜上的离子通道蛋白是神经系统的主要组成部分，控制着各种离子的跨膜运输。
在神经传导、中枢神经系统的调控以及激素分泌等生命活动中，它们都扮演着中重要角色。
近些年来，离子通道蛋白倾向于结构和功能的研究。
伴随着计算机水平的发展，分子动力学模拟为大分子生物体系的构象变化与门控之间的动态关系提供了强有力的方法，并在微观上揭示了蛋白活动的本质规律。
同时，为相应的实验研究提供了重要的理论依据。
酸敏感性离子通道1a（ASIC1a）蛋白广泛的存在于中枢神经系统，属于上皮钠离子通道/退化蛋白超家族成员。
同时，ASIC1a作为质子受体激活的阳离子通道，可以产生感觉传导、抑郁和恐惧等有关的行为。
在生理病理学过程中，ASIC1a可以还可能引起缺血性卒中，记忆力减退，疼痛，焦虑等症状。
近些年来，不断的对ASIC1a进行实验研究，并且发现离子在通过离子通道时主要由跨膜域来控制离子的进入。
在酸性条件下，离子通道将被激活并允许离子通过使过多的离子进入细胞内部，导致细胞超载死亡，这就是我们常说的酸中毒。
然而到目前为止，人们仍然没有发现跨膜域的离子通道门控是如何被调控的。
因此，我们将对离子通道门控的过程进行研究。
在本文中，我们通过分子动力学（MD）模拟研究在不同pH值的条件下离子通道孔径的变化。
用主成分分析的方法确定了从胞外域到跨膜域的长程构象变化的路径，并且用相关性网络分析的方法进一步分析了亚基之间的相互作用对离子通道门控的影响。
其中β1、β2、β10、α6、α7、β11和β12是调解离子通道孔径变化的关键区域。
我们的研究结果揭示了细胞得胞外域远程调节离子通道孔径变化的过程。
同时，我们的研究为防止酸中毒的药物的设计和研究提供了重要信息。
关键词：ASIC1a，分子动力学模拟，离子通道门控，质子ABSTRACTElucidating Proton-mediated Conformational Changes in an Acid-sensing Ion Channel 1a through molecular dynamics simulationIon channel proteins on the biological membrane are the main components of the nervous system and control the transmembrane transport of ions. In the process of nerve conduction, central nervous system regulation, hormone secretion and other activities of life, they play an important role. In recent years, the research of ion channel proteins tends to study the structure and function. With the development of computer, the method of molecular dynamics simulation provides a powerful method for the dynamic relationship between biological macromolecules and the channel gating, and reveals the essence of protein activity in microcosm. At the same time, it provides important theoretical basis for the corresponding experimental research.Acid-sensitive ion channel 1a (ASIC1a) protein is widely present in the central nervous system and belongs to the Epithelial sodium ion channel / Degenerate protein superfamily member. At the same time, ASIC1a acts as proton-activated receptor cation channel, contributes to sensory transduction, depression and fear-related behaviors throughout nervous system. In the physiological pathology process, ASIC1a cause ischemic stroke, pain, anxiety, memory deterioration and other symptoms. So far, ASIC1a has been studied experimentally, and it is found that the ion channel proteins are mainly controlled the entry of ions by the transmembrane domain. Under acidic conditions, the ion channel gating will be activated and allow ions to pass through. Too much ions pass into the cell interior leading to the cell overload and death. This is what we call acidosis. But how proton mediates the channel gating process still remains elusive. Therefore, we will research the process of the protein domain controlling the channel gating process.Here we report that the ion pore changes at different PH values through molecular dynamics (MD) simulations. The path of long-range conformational changes from the extracellular domain to the transmembrane domain was determined by the method of principal component analysis; further, the correlation network analysis reveals how the interactions between subunits influence the channel gatingchanges. β1, β2, β10, α6, α7, β11 and β12 are the crucial regions by forming a passageway to regulate the ion pore changes. Our results reveal the process that the extracellular domain remotely regulates the pore changes. Meantime, our researches have improved important information for the design and research of drugs to prevent acidosis.Keywords:ASIC1a，molecular dynamics simulation，ion channel gating，proton目录第一章绪论 (1)1.1蛋白质的结构 (1)1.2计算机分子模拟 (1)1.3研究对象和研究意义 (2)第二章理论基础与计算方法 (3)2.1B ORN-O PPENHEIMER 近似 (3)2.2力场 (4)2.2.1 力场的组成 (4)2.2.2 常用力场模型 (4)2.3分子力学及结构优化算法 (5)2.4分子动力学 (6)2.4.1 分子动力学基本原理 (6)2.4.2 积分算法 (6)2.5恒温恒压下的分子动力学模拟 (7)2.6主成分分析 (8)第三章分子动力学模拟研究质子调节酸敏感性 (9)离子通道的构象变化 (9)3.1引言 (9)3.2理论方法 (11)3.2.1 体系的构建 (11)3.2.2 相关性网络分析 (12)3.3结果与讨论 (12)3.3.1 离子通道跨膜域的变化 (14)3.3.2 PH值为4时离子通道变化的路径 (17)3.3.3 手指域-关节域调节通道门控 (20)3.3.4 拇指域-手掌域调节通道门控 (22)3.4结论 (25)参考文献 (26)个人简介及攻读硕士学位期间发表论文 (33)致谢 (34)第一章绪论计算机技术的发展使得生物信息迅速发展[1, 2]。
分子动力学模拟案例速看
分子动力学模拟案例速看小伙伴们！今天咱们来快速瞅一瞅分子动力学模拟的案例，这就像是打开一扇通往微观世界奇妙冒险的大门。
一、蛋白质折叠的模拟。
想象一下，蛋白质就像是一堆乐高积木，只不过它们超级小，而且有自己独特的规则。
在分子动力学模拟中，科学家们就像超级侦探，想要弄清楚这些“乐高积木”是怎么从零散的状态自己组合成特定形状的。
比如说，有个叫溶菌酶的蛋白质。
研究人员开始模拟的时候，就像在看一场微观世界的变形秀。
最初，溶菌酶的氨基酸链就那么杂乱无章地“躺”在那儿。
随着模拟时间一点点推进，就像有一双无形的手在慢慢地摆弄这些氨基酸小部件。
有些部分开始相互吸引，就像磁铁一样，慢慢靠近、旋转，最后形成了溶菌酶特有的折叠结构。
这个过程超级复杂，涉及到各种力的作用，像氢键啦、范德华力之类的。
通过模拟，科学家就能知道在不同的条件下，这个折叠过程会受到什么影响，要是温度变了或者周围环境的酸碱度不一样了，溶菌酶的折叠会不会“走弯路”。
这对研究一些疾病可有用了，因为有些病就是因为蛋白质折叠错了才产生的。
二、药物与受体结合的模拟。
这就像是一场微观世界的“相亲大会”。
药物分子是寻找“另一半”的追求者，而受体就像是那个等待被选中的对象。
比如说治疗癌症的药物。
癌细胞上有一些特殊的受体，就像一把把独特的锁。
科学家们想让药物分子这个“钥匙”精准地插进这些锁里。
在分子动力学模拟里，我们可以看到药物分子靠近受体的整个过程。
药物分子在溶液里游来游去，像个小醉汉似的。
然后它慢慢靠近受体，这时候就开始“互相打量”了。
药物分子和受体表面的一些原子开始互动，它们之间可能会形成新的化学键或者靠一些弱相互作用拉近距离。
有时候，药物分子的姿势不对，就像钥匙的齿没对齐锁孔，那就结合不上。
通过模拟，研究人员就能调整药物分子的结构，让它更容易和受体结合，提高药物的疗效。
三、材料性能研究中的模拟。
咱们再看看材料这边。
比如说金属材料，在分子动力学模拟下就像是把它的内部结构放在显微镜下超级放大。
第三章_经典分子动力学方法
图3-1 MD方法信息输入输出信息方框图
（输出信息） 原子位置坐标
（二次信息）
热力学性质 内能 比热容
相互作用 3维结构
运动方程
动力学性质 温度、压力 原子坐标、速度 光学性质 原子运动
扩散系数 粘滞系数
电导率 红外吸收
• MD这种方法并不严格。因此，必须根据情 况，检验改变所模拟的基本单元尺寸所得 结果是否会改变，直到所得结果不随基本 单元尺寸变化而变化。通常这样的处理在 很多情况下是有效的。
④数值积分法
• MD方法的基本方程是线性或非线性的二阶常微 分方程。对此人们研究了许多求解方法。例如， 贝鲁勒（Berreele）法，阿达姆斯（Adams）法， 龙格-库塔（Runge-Kuta）法，追赶法等。 • 最近，M.Tuckerman 和B.J.Berne 提出了所谓多 重时间宽度计算方法。即在质量相差很大的多原 子体系，力学常数有很大不同的体系以及含有长、 短程力的体系等情况下，必须结合具有最小振动 周期的自由度选择积分的时间标度（ ）. 这方法 t 缩短了计算用的时间，有望成为MD方法中有前 途的数值积分法。 • 通常 t ～10-15s=1fs
对于基本单元内的原子、分子运动方程，使用什么样的形 式合适，要具体问题具体分析。若是考虑具有确定的粒子 数N，体积V和能量E的NEV系综(称为微正则系综，MicroCanonical Ensemble)，则其运动方程可以表达成式(3-2-1) 所示的普通牛顿方程的形式
d 2 r i mi 2 Fi dt
– 孤立宏观团簇的模拟(用NEV或NTV系综) – 固体的结构相变，玻璃转变，晶化过程的模拟(用NTP系综) – 固体(晶体)表面的原子、分子吸附现象的模拟 (用μVT系综)
分子动力学方法范文
分子动力学方法范文Molecular dynamics is based on Newton's laws of motion. According to these laws, the force acting on an object is equal to the object's mass multiplied by its acceleration. In orderfor the simulation to work correctly, the force field, which describes the nature of the interactions between the particles, has to be accurately modeled.Molecular dynamics calculations are usually performed in a box or container that is divided into a finite number of grid points. At each point, the forces acting on the particles are calculated by solving the equations of motion. These forces are then used to determine the motion of the particles. This process is repeated until the behavior of the system reaches a steady state.Molecular dynamics simulations can be used to study many different properties of a system, such as thermodynamic properties, structural properties, and kinetic properties. They can also be used to study the effects of temperature, pressure, and external fields on the behavior of the system. In addition, the simulations can be used to study reactions, phase transitions, and diffusion.Molecular dynamics simulations have numerous applications. They can be used to study the dynamics of proteins and other biopolymers, to understand how nanostructures assemble, or tostudy the properties of materials at the nanoscale. These simulations can be used to develop new materials, or to improve existing ones. They can also be used to understand the behavior of biological systems, such as cells and proteins.。
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MD方法的发展史
• MD方法真正作为材料科学领域的一个重要研究方 法，开始于恒压MD方法(1980)和恒温MD方法 (1984)的建立及在应用方面的成功。
• 1985年人们又提出了将电子论和分子动力学方法 有机统一起来的所谓Car－Parrinello方法，即第 一性原理MD方法。它不仅可以处理半导体和金属 的问题，同时还可应用于处理有机物和化学反应。
周期性边界条件
假设现实物质中的 一部分原子(通常为 102－105个)，被取 出配置在所谓基本 单元的箱中，由于 基本单元周围的原 子、分子变成表面， 从而不同于本来要 处理的体状态。为 了防止这种情况， 在基本单元周围配 置其复制品(图3-4)。
图3-4
周期性边界条件
• 对于在基本单元周围边界的原子、分子所受到的 作用力，不仅有来自基本单元之内部的原子或分 子的作用力的贡献，还要考虑来自其近邻复制单 元的原子或分子的作用力的贡献。这样，把来自 距粒子某一距离（截断距离）内的j粒子的贡献 （这里与粒子j是否处在基本单元内或复制单元内 无关）求和。给出力的方法称为最小镜像距离法 （Minimum Image Distance）。
• 为了检验不同基本单元大小是否会引入“人为效 应”，必须用不同的基本单元尺寸做计算，若结 果能收敛，则尺寸选择是合适的。
边界条件
• 边界条件的问题比较复杂，因所考虑的具体情况而定，概 括地说，作为处理原子、分子团簇的边界条件可进行推广。 例如，适用于块体状态的三维周期边界条件，可扩展处理 表面重构和表面吸附、单层膜相变的二维周期边界条件， 以及处理异质晶体界面的边界系统等，同时还开发了模拟 非平衡的方法。诸如针对分子束外延（MBE）的边界条件， 人们进行了很多研究。
ij
4ij
ij
r
12
ij
r
6
(3-2-3)
式中，r 是原子间距， ij 是结合强度参数， 是表示ij 原子半径的参数。
对(3-2-1)可用数值积 分法求解，其数据处 理流程图见图3-2
图3-2 MD数据处理流程图
启动计算
设定坐标、速度初始值 计算作用在原子上的力Fi
巨正则系统MD方法
3.2 MD方法计算初步
• 在计算机出现以前，作为根据原子间相互作用力 等微观信息了解多原子或分子团的结构、性质的 方法，所采用的是基于统计理论的数学解析法。 然而，原子间相互作用力稍微复杂一些，不用说 求解统计理论严格方程解，就是进行数值求解也 是一件很困难的事。
• MD方法就是数值求解多体系统的确定性运动方程， 并根据对所求结果进行统计处理，决定粒子的轨 迹，从而给出物性预测和微观结构信息的一种模 拟方法。
基本单元大小的选择
• 基势本的单截元 断的 距大 离小 ）必或须Rc大ut<于1/22R基cu本t（单R元cut是的相大互小作。用这 保证了任何原子只与原子的一个镜像有相互作用， 不与自己的镜像作用。这个条件称为“minimum image criterion”
• 在我们所研究的体系内的任何结构特性的特征尺 寸或任何重要的效应的特征长度必须小于基本单 元的大小。
• 1991年有人进一步提出了巨正则系综MD方法， 从而又可适用于吸附问题的处理等，该方法还在 进一步发展之中。
• 分子动力学方法的主要发展可见表3.1。
年代 1957 1963 1971
1972 1977 1980
1983 1984 1985 1991
表3.1 MD方法的里程碑工作
创立者
创造内容工作（MD分类名称）
周期性边界条件
• 如果在基本单元内的原子的位置为, 周期边界条 件会产生该原子的镜像。它的位置在
uvimage uv v v v ri ri la mb nc
(3-2-4)
这儿a、b、c是基本单元的三个边长，l，m，n是 整数，取值范围为-∞ 到+∞。
• 在基本单元内的原子不仅与在本单元内的其他 原子有相互作用，还与在相邻单元内的镜像原子 有作用。
③边界条件问题
• 在处理原子、分子的聚合体问题时，就MD方法而 言，能处理的原子(分子)数目要受到计算机运行 速度和能力的限制。目前报导的最好水平是能处 理109量级的原子数目。这与现实物质含有1023个 原子或分子的差距还很大，导致模拟系统原子数 少于真实系统的所谓“尺寸效应”的问题。
• 为了减小“尺寸效应”而又不至于使计算工作量 过大，对于平衡态MD模拟采用 “周期性边界条 件”。
约束系统MD方法
Andersen, Parrinello & Rahman
恒压MD方法
N. J. Gillan & M. Dixon
非平衡MD方法（存在温度梯度）
S. Nosé R. Car & M. Parrinello Cagin & Pettitt
恒温MD方法
第一性原理MD方法 (Car-Parrinello方法)
第三章 经典分子动力学方法
3.1 引言
• 分子动力学 (Molecular Dynamics, 简写为MD) 方法是确 定性模拟方法，这方法是按该体系内部的内禀动力学规律 来计算确定位形的转变。
• 首先需要建立一组分子的运动方程，然后通过直接对系统 中的每一个原子/分子运动方程进行数值求解，得到每个 时刻每个原子/分子的坐标与动量(速度)，即在相空间的运 动轨迹，再利用统计方法得到多体系统的静态和动态特性， 从而得到系统的宏观性质。
②力学条件
• 刚体力学方法是把分子作为刚体处理，建立对于 刚体的欧拉方程和对于质点系的牛顿方程，联立 求解所研究对象的运动问题，以前主要是在处理 像水和四氯化碳那样的低分子量体系，现已用于 研究晶体的相变。
• 约束力学是冻结粒子体系的一部分自由度，进而 求解因此而生成约束条件下的质点力学运动方程。 对于有机分子来讲，因为键长、键角的振动变化 对体系的结构影响不大，将这些自由度冻结是合 适的。另外也有采用固定晶体结构的考虑。
(3-2-1)
式中mi为所考察的原子质量，ri为原子的位置坐标，Fi为 作用在原子上的原子相互作用的合力，它由下式给出
uur
N
Fi i ij
j 1
(3-2-2)
其中，Φij是原子和原子j之间的势函数(有时亦称为力场)
例如，由氩原子等组成的稀薄气体，其势 函数可采用Lennard－Jones势，
④数值积分法
• MD方法的基本方程是线性或非线性的二阶常微 分方程。对此人们研究了许多求解方法。例如， 贝鲁勒（Berreele）法，阿达姆斯（Adams）法， 龙格-库塔（Runge-Kuta）法，追赶法等。
• 最近，M.Tuckerman 和B.J.Berne 提出了所谓多 重时间宽度计算方法。即在质量相差很大的多原 子体系，力学常数有很大不同的体系以及含有长、 短程力的体系等情况下，必须结合具有最小振动 周期的自由度选择积分的时间标度（ ）.这t 方法 缩短了计算用的时间，有望成为MD方法中有前 途的数值积分法。
• 现在已经能够处理许多体系，例如：
– 孤立宏观团簇的模拟(用NEV或NTV系综) – 固体的结构相变，玻璃转变，晶化过程的模拟(用NTP系综) – 固体(晶体)表面的原子、分子吸附现象的模拟 (用μVT系综)
②力学条件
已建立了弹性力学、质点力学、刚体力学、约束 力学等不同力学条件下的四种体系的MD方法。
在Δt时间内，对系统内的所有 粒子解运动方程
ri (tn ) ri (tn1)
vi (tn ) vi (tn1)
tn1 tn t
计算要求的物理量，将数据写 入轨迹文件
No
tn1 tmax
t>tmax
Yes
输出计算结果，并结束计算
MD方法
到目前为止已经确立的MD方法的主要技术体系
①统计系综
• 系综是一个巨大的系统，由组成、性质、尺寸和形状完全 一样的全同体系构成数目极多的系统的集合。不同的系综， MD方法的基本方程有所不同。
• 目前除微正则系综（NEV系综）外，已完成了正则系综 （NTV系综），等温等压系综（NTP系综），等压等焓系 综（NHP系综），巨正则系综（μVL系综），恒定化学势 系综（μVT系综）等五个系综的MD方法的基本方程的确 立。
• 以二维边界条件为例。只在x-y平面配置基本单元的复制 品，使用周期性边界条件，同时在z方向不赋予周期性边 界条件，固定两端的数层原子。由于采用了这样的人工边 界条件，所以在z轴方向上的原子层数要有适当的数目， 一般考虑的标准线度为4－5纳米。采用二维边界条件，就 可以用MD在原子尺度上研究界面的结构。
对于基本单元内的原子、分子运动方程，使用什么样的形
式合适，要具体问题具体分析。若是考虑具有确定的粒子 数N，体积V和能量E的NEV系综(称为微正则系综，MicroCanonical Ensemble)，则其运动方程可以表达成式(3-2-1) 所示的普通牛顿方程的形式
r
mi
d 2 ri dt 2
uur Fi
• 通常 t ～10-15s=1fs
3.3 MD模拟的数据分析
MD模拟给出的直接数据是坐标和速度，对 它们进行加工，可得到各种所要的信息。 这些信息大致可分为3类： • ·所模拟系统的平衡态性质 • ·系统处于亚稳态时的结构与性质 • ·系统在远离平衡态时的动力学过程
平衡态
• 一个物理量A随时间变化而趋于平衡态的值A0的过程可用 下式表示
• 在MD方法的处理过程中，方程组的建立是通过对物理体 系的微观数学描述给出的，在这个微观的物理体系中，每 个原子/分子都各自服从经典的牛顿力学定律。