分子力学

分子力学使用经典力学来模拟分子系统。假定Born-Oppenheimer近似是有效的，并且所有系统的势能都是使用力场作为核坐标的函数来计算的。分子力学可用于研究分子系统的大小和复杂性，从小到大的生物系统或具有数千到数百万个原子的材料组装。全原子分子力学方法具有以下性质：

• 每个原子被模拟为一个粒子
• 每个粒子都被分配了一个半径（通常是范德华半径）、极化率和一个恒定的净电荷（通常来自量子计算和/或实验）
• 键合相互作用被视为平衡距离等于实验或计算键长的弹簧

这个主题的变体是可能的。例如，许多模拟历史上使用联合原子表示，其中每个末端甲基或中间亚甲基单元被认为是一个粒子，而大型蛋白质系统通常使用珠子模型来模拟，每个氨基酸分配两到四个粒子。

以下功能抽象，在化学中称为原子间势函数或力场，将给定构象中分子系统的势能(E)计算为单个能量项的总和。势函数或力场的确切函数形式取决于所使用的特定模拟程序。通常，键和角项被建模为以平衡键长值为中心的谐波势，这些平衡键长值来自实验或用软件进行从头算类型计算（例如高斯）执行的电子结构的理论计算。为了准确再现振动光谱，可以使用莫尔斯势代替，但需要计算成本。二面角或扭转项通常具有多个最小值，因此不能建模为谐振子，尽管它们的具体函数形式随实现而变化。这类项可能包括不正确的二面角项，它们用作平面外偏差的校正因子（例如，完全计算非键项的计算成本要高得多，因为一个典型的原子只与它的几个邻居键合，但与分子中的每个其他原子相互作用。幸运的是，范德瓦尔斯项迅速下降。它通常使用6-12Lennard-Jones势建模，这意味着吸引力随着距离r-6和排斥力随着r-12的距离而下降，其中r表示两个原子之间的距离。然而，排斥部分r-12是非物理的，因为排斥呈指数增长。Lennard-Jones6-12势对范德华力的描述引入了不准确性，这在短距离内变得显着。众所周知，静电项很难很好地计算，因为它们不会随着距离而迅速下降，而且长程静电相互作用通常是所研究系统的重要特征（尤其是蛋白质）。基本的函数形式是库仑势，它只下降为r-1。有多种方法可以解决这个问题，最简单的方法是使用类似于范德华术语的截止半径。然而，这会在半径内的原子和半径外的原子之间引入明显的不连续性。调节表观静电能量的切换或缩放函数是更精确的方法，将计算的能量乘以在外部和内部截止半径处从0到1的平滑变化的缩放因子。除了每个能量项的函数形式之外，必须为有用的能量函数分配力常数、范德华乘数和其他常数项的参数。这些术语与平衡键、角度和二面角值、部分电荷值、原子质量和半径以及能量函数定义一起统称为力场。参数化通常通过与实验值和理论计算结果一致来完成。NormanL.Allinger在最后一个MM4版本中的力场计算碳氢化合物的生成热，均方根误差为0.35kcal/mol，振动光谱的均方根误差为24cm-1，旋转势垒的均方根误差为2.2°，CC键长在0.004Å以内，CCC角在1°以内。每个力场都被参数化为内部一致，但参数通常不能从一个力场转移到另一个力场。

分子力学的主要用途是在分子动力学领域。这使用力场来计算作用在每个粒子上的力，并使用合适的积分器来模拟粒子的动力学并预测轨迹。给定足够的采样并服从遍历假设，分子动力学轨迹可用于估计系统的热力学参数或探测动力学特性，例如反应速率和机制。分子力学的另一个应用是能量最小化，其中力场被用作优化标准。该方法使用适当的算法（例如最速下降法）来找到局部能量最小值的分子结构。这些最小值对应于分子的稳定构象异构体（在选定的力场中），分子运动可以建模为围绕这些稳定构象异构体的振动和相互转换。因此，通常会找到局部能量最小化方法与全局能量优化相结合，以找到全局能量最小值（和其他低能量状态）。在有限的温度下，分子大部分时间都处于这些低位状态，因此支配了分子特性。全局优化可以使用模拟退火来完成，Metropolis算法和其他蒙特卡罗方法，或使用不同的离散或连续优化确定性方法。虽然力场仅代表自由能的焓分量（并且在能量最小化过程中仅包括该分量），但可以通过使用其他方法（例如正常模式分析）来包含熵分量。分子力学势能函数已用于计算结合常数、蛋白质折叠动力学、质子化平衡、活性位点坐标和设计结合位点。

在分子力学中，有几种方法可以定义一个或多个感兴趣的分子周围的环境。可以在没有周围环境的真空中模拟系统（称为气相模拟），但这通常是不可取的，因为它会在分子几何结构中引入伪影，尤其是在带电分子中。通常会与溶剂分子相互作用的表面电荷反而会相互作用，从而产生在任何其他环境中都不可能存在的分子构象。溶剂化系统的最准确方法是将显式水分子与感兴趣的分子一起放置在模拟框中，并将水分子视为与其他分子中的相互作用的粒子一样。存在各种水模型，其复杂程度不断提高，将水表示为一个简单的硬球（一个联合原子模型），作为三个具有固定键角的独立粒子，或者甚至作为四个或五个独立的相互作用中心来解释氧原子上的不成对电子。随着水模型变得越来越复杂，相关模拟的计算量也越来越大。在隐式溶剂化中发现了一种折衷方法，它用一个数学表达式代替了明确表示的水分子，该数学表达式再现了水分子（或其他溶剂，如脂质）的平均行为。该方法可用于防止真空模拟产生的伪影并很好地再现整体溶剂特性，但不能再现单个水分子与溶质的特定相互作用未被溶剂模型很好地捕获的情况。

这是一个有限的列表；还有更多的软件包可用。

• 鲍鱼
• ACEMD-GPUMD
• 琥珀色
• 阿斯卡拉夫设计师
• 老板
• 魅力
• 宇宙
• CP2K
• 化学
• 格罗麦克斯
• 格罗莫斯
• 内部坐标力学(ICM)
• 灯座
• 宏模型
• 动态混合
• 分子操作环境(MOE)
• NAMD
• 问
• Q-化学
• 斯巴达人
• StruMM3D(STR3DI32)
• 修补匠
• X-CRY
• 剩下
• 十二生肖