Vhled do praxe II Kdy: –1. skupina (příjmení N - Z): 16: :40 –2. skupina (příjmení A - M): 18: :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 mechanika Silová 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.ou t 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 = , 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 - úkol Minimalizace 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? ŽidličkováZkřížená židličkováVaničková Poloviční židličková

Potenciální energie cyklohexanu (pro různé konformace) Pravděpodobnost výskytu konformací (25°C): židličková: 85,5%, zkřížená židličková: 14,4%, další konformace: 0,1% ŽidličkováZkřížená židličková Konformace: VaničkováPoloviční židličková Strukturní vzorec:

Kvantová mechanika Výpočet energie molekuly: Schrodingerova rovnice - přesněji řečeno její numerické formy: Hartree-Fockovy rovnice: Roothaan-Hallovy rovnice: FC = SCE

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 (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