化学信息学（第四版）课件 第九章三维分子模型设计

第九章三维分子模型设计分子力学和分子建模分子力学基本原理键伸缩能角弯曲能二面角扭曲转动能范德华相互作用能静电相互作用能分子力场参数化三维分子模型的构建分子力学成键和非成键作用Vn为扭角力学常数，n是富里叶周期，Φ为二面角，Φ0为相角。Kr

是力学常数，r是实际键长，r0

是键长参数。分子力学的势函数表达式Kθ是力学常数，θ是实际键角，θ0是键角参数。分子力学的势函数表达式Vtotal=Vstretch+Vbond+Vtorsion+Vvdw+Velec

qi和qj是原子i、j的点电荷，Rij是二原子距离，ε介电常数。Rij是二非键原子距离，Aij和Bij是原子对的范德华参数。Rij是氢键的原子距离，Cij和Dij是原子对的氢键参数。羰基中C–O、C–C键势函数曲线酰胺中HN–C(O)傅里叶模拟函数8

氢键:N-H…ON-H…NO-H…NO-H…O范德华和氢键势函数曲线静电相互作用势能曲线图UnitedAtomBeadsincludeHatomsinCH2CH3etc.AllAtomCoarseGrainBeadsincludelargefunctionalgroups.Tip4pSPCσ/2

/10.1063/1.4863329(graphic:sklogWiki)12MolecularMechanicsForceFields:

AtomTypes

AMBER:J.Am.Chem.Soc.117,5179-5197势能面示意图分子力场参数化各种分子力学的势函数表达式和力场参数不相同。有效的力场势函数和正确的力场参数可达到很高的精度，例如在有机化学领域。力场参数的可移植性。力场的移植性要由实验数据优化得到。分子力学计算速度快，适用于大分子体系，但无法给出电子性质。薛定谔方程HisthequantummechanicalHamiltonianforthesystem(anoperatorcontainingderivatives)Eistheenergyofthesystem

isthewavefunction(containseverythingweareallowedtoknowaboutthesystem)|

|2istheprobabilitydistributionoftheparticles伯恩-奥本海默近似HartreeApproximationHartree-FockApproximationMolecularOrbitalPlotsDipoleMomentElectronDensityFeaturesofPotentialEnergySurfacesGaussView的使用

操作界面分子模型的绘制分子模型的显示其它功能

GaussView的简介GaussView是为Gaussian用户建立输入文件和查看输出结果而设计的图形用户界面程序。(1)快速绘制分子模型图，对这些分子进行简单的旋转、平移或缩放操作。(2)通过GaussView可以建立各类高斯计算的输入文件。(3)通过GaussView的图形显示，查看Gaussian的计算结果。GaussView的操作界面工具面板菜单栏主工具条分子窗口第一行为菜单栏:File:主要功能是建立，打开，保存和打印当前的文件SaveImage将当前文件保存为图片格式Preferences。可以在里面改变Gview默认的各种显示的设置。EditEdit:完成对分子的剪贴,拷贝,删除和抓图等。AtomList,显示当前分子的内坐标，笛卡儿坐标，分数坐标等。PointGroup可以显示当前分子的点群及可能有的点群。PBC显示晶体文件（可以将CIF文件转换为图形，在点PBC按钮后所给并的对话框中根据选项调节具体显示的格式。Mos用于显示分子轨道（只有检查点文件，此选项才能给出分子轨道图。Symmetrize，对当前体系进行对称性控制View这里面的选项都是于分子的显示有关的，如显示氢原子，显示键，显示元素符号,显示坐标轴等

Calculalte：Calculate可从Gview中直接向高斯提交计算。可以选择工作类型JobType（如优化，能量或频率等）;计算方法Method（如半经验方法，HF方法，DFT方法等）;Title(对所要做的计算给一个说明，以备以后的查看)Link0（给检查点文件命名，还可以在此用RWF命令设置临时数据交换文件的大小）；

General,Guess,（这两个选项主要是给出体系中各原子的连接关系及如何给出初始猜测)NBO（可在此设定NBO计算）PBC（可在此设定晶体的有关计算）Solvation（可在此设定溶液中的计算，除了选择溶剂外，还要选择模拟溶剂的理论模型）Result：显示计算的结果，包括电荷，静电势表示的表面，振动,频率，核磁，势能面扫描，优化等。注意有些结果只能用检查点文件才能显示。以构建一个间氟苯乙烷分子并从Gview里递交计算为例来说明(1)双击Gview图标，打开Gview，下图就是Gview打开后的窗口

(2)．双击窗口中图标，得到如下窗口里面有常用的环状官能团。选中苯环（单击即可选中）(3).在当前工作窗口（打开Gview时程序自动打开一个工作窗口，如下图）也可通过File-new路径新建一个工作窗口在这个窗口中点鼠标左键窗口中就会出现苯分子，见下图(4)．双击Gview界面上的元素图标ElementFragment。出现以下窗口点击氟的元素符号“F”，就选中氟原子。

(5).回到工作窗口在苯环上的任一个H上单击左键，将H置换成F。

但要注意此时仅是元素符号发生了改变，C-F间的距离仍是C-H键的距离。需要用建长工具进行调整。单击Gview界面上图标。然后再点击工作窗口中的C原子和F原子，看到被选中的两个原子于周围的原子再亮度上有差异此时会出现下面的窗口根据C-F键的长度在0.675和2.700之间的方框内进行C-F键的调整。(6)．双击Gview界面上的图标，出现以下窗口这是Gview里内置的链烃库，选中乙烷

(7).在工作窗口内空处点左键，用我们前面讲过的命令调节苯和乙烷间的距离和角度

将鼠标放在分子上，按左键左右或前后移动，可以调节分子的角度；将鼠标放在分子上，前后移动，可以将分子放大或缩小。Shift+Alt+鼠标左键组合可以在窗口内平移分子当工作窗口内有多个分子时[在构建大的分子时，这种情况很容易出现]这时可用以下命令可以用Shift+Alt+鼠标左键组合移动想要移动的分子，以调节各个分子间的距离。可以用Ctrl+Alt+鼠标左键组合调节其中一个分子的角度，以调节各个分子间的角度。Ctrl+Alt+鼠标左键这个组合常和[将鼠标左键放在分子上，左右或前后移动，可以调节分子的角度]这个功能连用。具体的好处需要自己去试（8）．单击Gview界面上图标。然后点击与乙烷正对的苯上的C原子和H原子选择“None”，乙烷上的C-H键作类似处理然后单击Gview上的图标，点选工作窗口中的两个氢原子，即将它们删去

至此分子构建已完成。9）．Gview存储个人常用分子的功能。Gview中只有常用的一些环状分子和链状分子，远不能满足研究特定体系的特殊需要。不过Gview有一个功能可以弥补这个缺憾：可以把常用的分子或官能团存在制定的文件夹内。在需要时可以直接调用。双击view上的图标，在下面的对话框中键入相关项目，保存即可（10）．查看分子的对称性从Edit-Pointgroup路径可以查看所构建分子的点群。点击Pointgroup后，出现如下窗口：为C1点群，其下拉菜单中的为可能的点群（改变Tolerance,也可帮助我们判断所构建体系可能有的点群）

（11）．查看分子坐标。单击Gview界面上的图标。

Z表示时内坐标，C表示直角坐标。可以在里面对坐标做适当的调整（12）．向Gauss递交计算。点Gview界面上Calculation会出来一个递交计算的对话框。从所给的对话框中可以选择工作类型JobType（能量）计算方法Method（HF/3-21g)Title(题目)Link0（缺省）

General,Guess,（初始猜测）NBO（NBO计算）PBC（可在此设定晶体的有关计算）Solvation（设定溶液中的计算）选择Vibrations选项,就可以直接查看分子的振动模式同样也可以看到分子的红外和拉曼光谱选择Edit然后在选择MOs,就可以实现对分子轨道的可视化

HyperChem简介HyperChem是HyperCubeInc.的产品，它具有强大的综合计算与分析功能，是优秀的分子图形和分子设计的工具软件之一。HyperChem是运行在Windows系统的分子计算与建模软件，具有量子化学（半经验、从头算和密度泛函）、分子力学、分子动力学、随机动力学、MonteCarlo模拟等计算功能，计算结果可以用三维图形显示。它还提供用户VB、C/C++和FORTRAN等语言的应用程序接口。HyperChem8.04版本已经推出。手册完备，适用于教学，但显示效果较差，版本更新慢。HyperChem8.04NewFeaturesMicrosoftVistaCompatibilityNewThird-PartyInterfacesNewBatchCapabilitiesUniversalUseofDoublePrecisionUndoandRedoCapabilitiesforModelBuildingEasyAccesstoMoleculesviaaRecentFileListGeometricMeasurementInvolvingPoints,Lines,andPlanesAChemicalSubstituentOperationRevisedToolbarwithEasierAccesstoModelBuildingCalculationofEntropiesandFreeEnergiesCalculationofHeatCapacitiesHyperChem8.04NewFeaturesCalculationofZero-PointEnergiesmputationofRateConstantsComputationofEquilibriumConstantsFurtherCapabilitiesforMP2PerturbationEnergiesSeparationofConfigurationInteractionfromSinglePointsRenderingofPOINT,LINE,andPLANEIntegrationofTemperatureasaSystemVariableDisplayofLineWidthEnvelopesforIRandUVSpectraSeparationofMM-QMCapabilitiesfromCurrentSelectionSeparationofFixedAtomsfromCurrentSelectionAbilitytoFixAtomsinQuantumMechanicalComputationsVibrationalAnalysisforMolecularMechanicsHyperChem8.04界面HyperChem8.04第三方接口HyperChem8.04

Mopec接口HyperChem8.04

Mopec2007接口

1.HyperChem入门

2.基本绘图和编辑

3.创建二、三维分子

4.分子平移、旋转和缩放

5.分子几何结构特性测定

6.构建多肽结构

7.选择与显示子结构HyperChem教学内容8.大分子的操作

9.分子力学能量的优化

10.分子动力学模拟和平衡行为

11.分子轨道计算

12.水与NMA的相互作用

13.蛋白质的电子性质

14.水的质子化作用

15.氨的振动和过渡态

16.乙烷的最低电子激发态HyperChem入门HyperChem的安装HyperChem的启动HyperChem的窗口鼠标和键盘的使用打开一个样例文件使用不同的分子显示模式HyperChem的退出HyperChem的安装Software-LicensedHardware-LicensedStandaloneInstallationNetworkLicenseServerSoftwareInstallationInstallingtheHardwareLockEvaluationInstallationHyperChemDiscussionGroupHyperChem鼠标的使用PointL-clickR-click:Generally,R-clickhastheoppositeeffectofL-click.Double-clickL-dragorR-dragLR-dragorRL-dragThemousecursorchangesshapedependingonwhereitisinthewindowandonwhatmodeHyperChemisin.HyperChem键盘的使用[Spacebar]ScaletoFitontheDisplaymenu,itcentersandscalesthemoleculeorselecteditemsintheworkspace.[F2]LastRenderingonDisplaymenu.[F3]ShowIsosurfaceonDisplaymenu.[F4]Isosurface...ontheDisplaymenu.[F9]CopyImageontheEditmenu.[Esc]Cancelmenuitem.使用键盘进行模型操作[←→]：按设定值绕X轴旋转[↑↓]：按设定值绕Y轴旋转[Shift]+[←→]：按设定值绕X轴平移[Shift]+[↑↓]：按设定值绕Y轴平移[PageUp]：按设定值缩小[PageDown]：按设定值放大[Home]：绕Z轴顺时针旋转[End]：绕Z轴反时针旋转鼠标和键盘操作的缺省值打开文件和文件格式缺省文件格式参数设定（背景改变）显示方式的设定显示方式选项显示方式选择图形质量设定原子显示模式Sticks（棒式)Balls（球式）BallsandCylinder（球柱式）OverlappingSpheres（球体重选式）Tubes（管式）NoChange（无变化）AddDots（增加点，复选框）二级结构显示方式None（不显示）RibbonLine（线带状）ThinRibbons（薄带状）ThickRibbons（厚带状）BetaSheet(Plus)（β折叠+）BetaSheet(Minus)（β折叠-）AlphaCylinder（α螺旋）RandomCoil（随机盘绕）

NoChange（无变化）胰岛素二级结构的显示使用POVRay增强显示效果POVRay和HyperChem的显示基本绘图和编辑绘制原子，元素的选择，绘制图标的双击和菜单的选择。绘制键、鼠标的拖拉。选择原子、残基、分子、多种选择。选择一组原子和矩形、球体选择（LR-Drag)。拷贝、剪切、粘贴和删除原子。选择图标的双击。绘图元素的选择选择功能选择单位：原子（Atoms）、残基（Residues）、分子（Molecules）、二级结构（SecondaryStructure）。工作时只能以其中一种为单位。多种单位选择（MultipleSelections）、矩形选择

和球体选择（SelectSphere），使用LR-Drag。全选（SelectAll）、反选（ComplementSelection）。Select:字符串（String）和编号选择（Name）。命名选择（NameSelection）。骨架选择（SelectBackbone）。以原子为选择单位创建二、三维分子绘制二维的分子骨架。改变键类型、芳香环。原子类型的标记（Label）。编辑单独的分子。加氢、建模与明确氢表示（ExplicitHydrogen）。允许异常价态（AllowArbitraryValence）。分子骨架的绘制改变双键和环芳香性改变原子类型双击显示元素周期表显示元素的符号原子、残基和键的标记符号加氢和建模加氢和建模后的模型双击加氢建模分子的平移、旋转和缩放XY轴平移（Translate）。XY轴和Z轴旋转（Rotate）。

Z轴平移及Z轴截片（ZClip）。图形的缩放（Zoom）。适合工作窗口尺寸（ScaletoFit）。

倒置（Invert）取一个原子为原点，再使用Select／NameSelection／POINT命令，去掉所有选择后，使用Edit／Invert命令。

镜像（Reflect）先选择三个原子作为镜像平面，再使用Select／NameSelection／PLANE命令，选择需要镜像的原子和分子，最后使用Edit／Reflect命令。

见教材（P271-272）。分子的平移、旋转和Z截面菜单选择或单、双击图标分子在Z截面边界的显示倒置原点的选择倒置操作倒置后的分子分子几何结构特性测定绘制二维分子骨架。编辑二维分子骨架。创建三维分子模型。

原子性质显示（编号、类型、电荷、分子力学方法、坐标等）。键长、键角、扭角值和非键距离。建模时限制键长、键角、扭角值建模时限制原子的几何构型。绘制二维分子骨架加氢建模后的三维分子所选键的键长数值键角数值的显示所选的键角数值扭角数值的显示所选的扭角数值建模时进行特定的限定强制限定几何构型、键角和扭角

构建多肽结构（Polypeptide)

使用氨基酸数据库。SelectBetaSheetastheconformation,Settheomegaangleto180degreesforatranspeptidebond.构建多肽结构（Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg)。创建两性离子（Zwitterion)。NH-,-CO。

在特定位置替换残基（Mutagenesis)。Lable:Name+Seq,Mutate。氨基酸的种类Ala丙氨酸Val缬氨酸His组氨酸Asp门冬氨酸Gly甘氨酸Asn天冬氨酸Phe苯丙氨酸Pro脯氨酸Leu亮氨酸Tyr酪氨酸Cyx半胱氨酸Ile异亮氨酸Glu谷氨酸Met甲硫氨酸HidHieLys赖氨酸Ser丝氨酸Gln谷氨酰胺Trp色氨酸Thr苏氨酸Arg精氨酸Cys半胱氨酸Nme构建多肽的标准氨基酸构建后的多肽模型此处将有改变创建两性离子（Zwitterion)

显示残基名和序号残基名加序号选择PHE5残基

以残基为选择单位替换PHE为THR替换后的结构替换后的结构选择与显示子结构（Subsets)创建Alpha螺旋体。Omega=180。Tran,Cis。（Phe-Phe-Phe-Phe-Phe-Phe-Phe-Phe)。标记碳、氮的终结原子（N-terminal,C-terminal）。NH-,-CO。选择和显示骨干（Backbone）。

显示侧链。子结构选择：反选、矩形框选择、球体选择、环状选择、侧链选择和命名选择。苯胺酸的α螺旋体结构

α螺旋体骨架的选择α螺旋体的反选矩形柱的选择L/R拖拉成矩形圆形柱的选择选择圆心L/R向外拖拉侧链的选择和旋转双击侧链的一方右键拖拉旋转侧链苯胺酸的α螺旋体厚带状显示大分子的操作打开pdb5pti.ent文件。显示PDB文件的格式。删除水分子（选择分子BPTI，反选），另存为testbpti.hin。显示结构：选择骨架（Backbone）。只显示选择项（ShowSelectionOnly)。显示侧链：显示Alpha螺旋体，选择从SER47到55的残基。显示双硫桥：CYX14。显示环状结构：双击S-S键。

显示氢键。侧链的旋转。打开PDB5PTI.ENT文件PDB5PTI.ENT的结构蛋白质文件格式PDB(ENT)PDB是蛋白质结构数据库（BrookhavenProteinDataBank）专用设计存储蛋白质的各种性质的文件格式。PDB文件记录的信息详细且周全，它包括标题、一级结构、二级结构、坐标、连接表等。HEADER表示标题；COMPND表示蛋白质名；AUTHOR表示作者姓名；REVDAT表示发表日期；JRNL表示发表数据的文献期刊；REMARK表示注释，它带有参考文献和实验条件的说明；SEQRES表示一级结构的残基序列信息；二级结构信息以关键词HELIX、SHEET、TURN表示；ATOM表示原子坐标，它通过标准格式进行排序；HETATM则是表示“非标准”原子的坐标；FORMUL表示分子式；CRYST、ORIGX、SCALE分别表示晶胞参数和坐标转换；CONECT表示原子连接关系；TER表示链状结构的结束；MASTER表示则表示控制整个文件特殊记录；END表示结束标记。HIV-1ProteasePDF文件示意删除水分子后的结构只显示骨架结构选择47-55编号残基显示α螺旋结构计算和显示氢键分子力学能量的优化分子力学的能量计算公式。使用记录文件（LogFile）：开始、停止和注释。选择分子力学方法：MM+、AMBER、BIO+、OPLS。

创建椅式环己烷。显示结构性质：键长和键角。进行单点计算（能量和梯度值）。结构优化：能量和梯度值和结构性质。将椅式环己烷转变为船式环己烷，优化前后结构性质的变化。扭曲船式环己烷的创建和优化。能量的比较。分子力学计算方法设置量子化学计算方法的设置选择Amber的参数集椅式环已烷的构建几何构型的优化椅式转换成船式环已烷椅式转换成船式环已烷创建扭曲船式环已烷环已烷的三种构型Amber2椅式船式扭曲船式Energy1.338.317.21Gradient0.070.090.08△E(boat-chair)=6.98(6.9)△E(twistboat-chair)=5.88(5.3)

分子动力学模拟和平衡行为使用Amber2分子力学构建和优化气态丙胺酸(AlanineZwitterion)。设定周期性边界条件(Box)，调整分子力学参数在水溶液中优化分子。比较气态和水溶液中的分子的优化结构。分子动力学模拟退火。各种方法的优化的能量比较。绘制丙胺酸(Alanine)结构允许异常价态明确的氢原子设定N、O原子的电荷Amber2气态分子力学的设置以Amber2力场建模手性原子的显示和改变手性原子符号Shift+Draw点击气态分子的几何构型优化真空条件PeriodicBox（周期盒子）设置溶剂系统的显示溶剂系统的优化设为常数溶液边界条件优化收敛后体系能量气态与液态优化后分子的重叠重叠后的分子分子动力学选项的设置分子动力学平均数和图形的选择分子动力学平均和图形绘制分子性质图形在PlotMolecularProperties，先要进行量子化学计算，再进行必要的绘图设置，选择显示分子性质类型（静电势、总自旋密度或总电荷密度）。选择2D等高线或3D等值面的表现模式；设置等高线和等值线的网格数值；设置分子显示的透明度等。使用Display／ShowIsosurface（F3）命令，可控制是否显示分子性质图形。使用Display／Isosurface（F4）命令，可重新进行分子性质图形的参数设置。水分子的对准水分子的CNDO设定水分子的CNDO单点计算水的分子绘图分子性质绘图选项设置水分子的三维等值面静电势图水分子的三维等值面静电势图分子轨道图、振动和电子光谱Orbital（分子轨道）：使用鼠标点击轨道占据图一个分子轨道，选择绘图方式（2D等高线或3D等值面）后，点击“Options”按钮可以进行等高线和等值面的显示模式、网格数值和分子显示透明度等设置，点击“Plot”按钮可显示出分子轨道图。VibrationalSpectrum（振动光谱）：在完成了量子化学计算和振动频率计算（使用Compute／Vibrations命令）后，可显示振动光谱。还可以会示模拟的分子振动图形。ElectronicSpectrum（电子光谱）：先使用量子化学方法进行单激发的组态相互作用（CI）计算。可以显示电子光谱。乙烯的分子轨道计算选择分子轨道分子轨道图的绘制改变轨道大小乙烯的LUMO分子轨道图乙烯的LUMO分子轨道图氨的振动光谱和过渡态绘制氨分子。选择3-21G基组。三角椎构型的NH3的振动光谱。平面构型的氨分子的优化和振动光谱。使用本征向量跟踪查找过渡态。使用同步转变查找过渡态。振动光谱的计算振动光谱的显示振动光谱的显示和模拟选择振动模式水与NMA的相互作用绘制氮甲基乙酰胺（N-methylacetam