Opakování z minula Hierarchie teoretických metod

Prezentace na téma: "Opakování z minula Hierarchie teoretických metod"— Transkript prezentace:

1 Opakování z minula Hierarchie teoretických metod
počítačová chemie – simulace na atomární úrovni ab initio (QM) MM/MD Ostatní metody QSAR, bioinformatika, systémová biologie

2 Molekulová a kvantová mechanika

3 Molekulová dynamika počítačová simulace
atomy/molekuly interagují po jistou dobu dle zákonů KLASICKÉ fyziky výsledkem je pohled na časový vývoj systému interaguje obecně mnoho částic a není možno zjistit dynamické vlastnosti takového systému analyticky => numerika

4 Proč, když máme QM? běžná nepoužitelná malá molekula
kvantový chemik jásá střední molekula - kvantovému chemikovi tuhnou rysy a volí velmi umírněné prostředky běžný protein – kvantový chemik pláče a s hanbou prchá z boje

5 Born-Oppenheimerova aproximace
oddělení elektronického a jaderného pohybu kvantové elektrony vs. klasická jádra celkovou energii systému je možno psát jako funkci pozice jader E = f(R) a popsat aparátem klasické fyziky

6 PES (Potential Energy Surface)
přímý důsledek Born-Oppenheimerovy aproximace energie molekuly v základním stavu je funkcí toliko souřadnic jejích jader při změně polohy jader se mění energie molekuly změna polohy – např. rotace kolem vazby energetická cena závisí na typu změny změna C-C o 0.1 Å, cca 3 kcal.mol-1 změna Ar ... Ar o 1 Å, cca 0.1 kcal.mol-1

7 v tomto případě je PES fcí pouze jedné souřadnice (torze)
stacionární body – první derivace energie je 0, síly na atomy jsou 0 minima na PES odpovídají stabilním strukturám a jsou jedním z možných stacionárních bodů A. R. Leach, Molecular Modelling, 2001

8 čili my potřebujeme nějak vyjádřit energii systému jako funkci souřadnic jader
to je doménou větve počítačové chemie nazývající se molekulová mechanika (či metody silového pole – force field) tyto metody tedy zanedbávají elektronický pohyb a tudíž je není možno použít na popis vlastností/jevů na elektronech závisejících (např. vznik/zánik vazeb)

9 Empirický potenciál energie jako funkce pozice atomů (jader) je konstruována jako empirický potenciál (silové pole) to znamená, že celkovou energii molekuly rozbijeme na menší části, ty nějak vypočítáme a pak to všechno posčítáme dohromady molekulová mechanika MM

10 Empirický potenciál

11 molekulová mechanika je založena na dosti jednoduchém modelu interakcí v rámci systému s příspěvky z procesů jako je bond stretching, angle bending, rotation around bond aditivita síla každého z těchto příspěvků je popsána parametry, které jsou nějak určeny (parametrizace) – empirická metoda transferabilita - procesu ziskavani parametru se rika parametrizace

12 vazebné příspěvky nevazebné příspěvky

13 parametry

14 celková energie systému je popsána jako součet energetických penalt spojených s deformacemi vazeb, úhlů a torzí (rotace) z jejich referenčních („rovnovážných“) poloh + příspěvky popisující interakce mezi částmi molekuly jež nejsou kovalentně vázány

15 silové pole (ff) – nejen funkční tvar termů, ale i parametry v nich vystupující
ff jsou primárně postaveny tak, aby reprodukovaly strukturní vlastnosti ff je třeba použít na ty vlastnosti, na které byly parametrizovány (např. strukturní na struktury, na spektra jiné) transferabilita fční formy i parametrů je důležitá, leč někdy je dobré vytvořit parametry pouze pro určitou molekulu

16 ff jsou empirické -> neexistuje „správný“ ff
funkční formy jsou kompromisem mezi přesností a výpočetní náročností + pro minimalizaci či MD je třeba počítat první a druhé derivace energie dle souřadnic NÁZVOSLOVÍ energie – empirický potenciál silové pole (force field) – funkční tvar příspěvků i sada parametrů pro jednotlivé příspěvky

17 Atomový typ QM MM atomová čísla, geometrie, náboj, spin
každému atomu je třeba přiřadit atomový typ ten nese informaci nejen o tom o jaký atom se jedná, ale i o hybridizaci a někdy o okolí uhlík sp3 (referenční úhel je 109.5˚), sp2 (120˚) uhlík v MM2/3/4 - sp3, sp2, sp, carbonyl, cyclopropane, radical, cyclopropene, carbonium atomová čísla, geometrie, náboj, spin

18 C -CA-CA 63. 0 120. 00 CA-CA-CA 63. 0 120. 00 CA-CA-CB 63. 0 120
C -CA-CA CA-CA-CA CA-CA-CB CA-CA-CT CA-CA-HA X-CT-CT-X CT-CT-OS-CT CT-CT-OS-CT

19 Nejpoužívanější ff malé organické molekuly biomolekuly
Allinger et al. – MM2, MM3, MM4 biomolekuly Amber ff (ff94, ff96, ff98, ff99) – jak proteiny, tak NA, lepší jsou pro NA CHARMM (19, 22, 27) - jak proteiny, tak NA, lepší jsou pro proteiny

20 Volně dostupné programy
Tinker ff94,96,98,99; CHARMM 19,27; MM2, MM3, OPLS, polarizovatelný ff Amoeba Gromacs Gromos, OPLS, Amber ff (