动力学模拟实验详解

分子平衡与动态行为的动力学模拟实验详解

吴景恒

实验目的：

（1）掌握Hyperchem中的分子建模方法

（2）掌握运用分子力学进行几何优化的方法，能正确设置力场参数及几何优化参数

（3）掌握分子动力学、Langevin动力学及Monte Carlo模拟方法， 能正确设置模拟参数

（4）通过动力学或Monte Carlo模拟，获取低能量的结构和热力学参数

实验注意：

（1）穿实验服；实验记录用黑色，蓝色或蓝黑色钢笔或签字笔记录；实验数据记录不需要画表格

（2）实验前请先仔细阅读前面的软件使用介绍，然后逐步按照实验步骤所写内容进行操作

（3）截图方法：调整视角至分子大小适中，按下键盘上的PrintScreen按键截图，从“Windows开始菜单”打开“画图”工具，按Ctrl+v或“编辑-粘贴”，去掉四周多余部分只留下分子图形，保存图片

（4）所有保存的文件全部存在E盘或D盘根目录用自己学号命名的文件夹下，不要带中文命名，实验完毕全部删除，不得在计算用机上使用自己携带的U盘或其他便携存储设备！

Hyperchem使用介绍：

本次实验用到的工具：

Draw：描绘分子工具，在工作区单击画出原子，拖拽画出成键原子，在分子键上单击更改成键类型，双击会出现如下元素周期表用于选择不同原子建立分子

Select：选择原子工具，选中的原子或键会呈现绿色，在原子上单击左键选择对应原子/分子（选择模式对应在Select 菜单下Atoms/Moleculars更改），在原子上右击取消选择该原子，在工作区单击选择全部分子，在工作区右击取消全部分子；同时选中（确保Select – Multiple Selections为选中状态）两个原子时在状态栏显示键长（单位为?），同时选中三个原子显示键角，同时选中四个原子显示二面角

Rotate out-of-plane：平面外旋转工具，转换视角用

Rotate in-plane：平面内旋转工具，转换视角用

Translate：平移工具，转换视角用

Mgnify/Shrink：放大镜工具，转换视角用

Model Builder：分子建模工具，左三分别用于画C, N, O原子，最右为建立分子模型

实验步骤：

一、建立丙氨酸两性离子模型

（1）根据不同建模方法用下面其中一种方法搭建分子模型：

1、在工作区画出丙氨酸两性离子基本构型（氢原子可先不画）

2、从Databases – Amino Acids – Ala建立大致模型再添加羟基氧和氨基氢原子

（2）分别双击两个C-O键，更改其键型为共轭键；单击工具栏建立分子模型工具（或Build – Add H & Model Build），建立模型后还少一个氢原子的，确认Build – Allow Arbitrary Vsalence为选中状态，手动增加氢原子上去后再点击一次建立分子模型工具或Build – Add H & Model Build：

（3）点击Select – Atoms使其为选中状态，选择C-O两个原子记录键长数据；取消选择，选择Cα-C'-O三个原子记录键角数据；取消选择，选择N-Cα-C'-O四个原子记录二面角数据（有两个氧原子，键长和键角只需记录一个，两组二面角都记录）

（4）取消选择，Display – Labels选中Charge并确定，请根据建模方法的不同设定不同电荷：

1、手工建立模型

取消选择，选中两个氧原子，直接画分子的在Build – Set Charge中设置原子电荷为-0.5，然后取消选择，选中氮原子，设置原子电荷为1.0（注意，手工建模的不需要按下面“2、直接从菜单建立丙氨酸模型”所述设置原子电荷）：

2、直接从菜单建立丙氨酸模型

只需设置新增氧原子与新增氢原子电荷与同类型原子相同，其他原子维持原状（不需对逐个原子进行如图所示电荷设置）：

（5）点击Setup – Molecular Mechanics... 选择AMBER力场：

点击Options，作如下图的设值：

（6）点击Display – Labels – 选中Type并确定，检查是否有原子类型标记为“*”符号；若有，选择未被正确设置的原子，点击Build – Set Atom Type...从弹出窗口为该原子设置为与同类型原子一样的原子类型（如氨基上的氢设为H）

（7）再次检查结构，确认已通过单击工具栏建立分子模型工具或Build – Add H & Model Build为原子建好模型；分别点击Display – Labels 选择Charge及Type检查电荷和原子类型是否已正确无误

（8）同时选中N-Cα-C'-O四个原子，点击Select – Name Selection...将其命名为ncco

（9）点击File – Save As...，在保存类型下拉菜单中选择HyperChem (*.HIN)格式，将其保存为ala.HIN

二、丙氨酸两性离子在气相和液相中的几何优化及分子叠合

（1）点击Compute – Single Point计算单点能，记录Energy, Gradient两个数值：

点击Compute – Geometry Optimization为分子作真空几何优化，“RMS gradient of: ... kcal/mol”设为0.1，“or: … maximum cycles”设为1800（后面所有几何优化按默认设置直接确定即可，不需再作改动），点击OK待至Converged=Yes，记录能量数值以及cycles和points值（后面做几何优化時一样记录cycles和points值）如上测量并记录C-O键长，Cα-C'-O键角，N-Cα-C'-O二面角数值

点击File – Save As...，将分子存为ala-gas.HIN文件

（2）点击Setup – Periodic Box... 作如下设值：

点击OK，丙氨酸离子就被溶于12?×10?×12?的溶剂盒子当中：

（3）点击Setup – Molecular Mechanics... - Options作如下设值：

同上点击Single Point 和 Geometry Optimization分别进行单点能量及几何优化的计算，分别记录上述能量数值如出现以下提示，请选择“否”并确认Setup – Molecular Mechanics... - Options已如上述完成设定：

测量并记录C-O键长，Cα-C'-O键角，N-Cα-C'-O二面角数值

（4）液相优化丙氨酸离子后，点击File – Save As...，把分子保存为ala-liq.HIN文件

点击Select – Molecules使其为选中状态，单击丙氨酸两性离子使其呈选中状态：

然后点击Select – Complement Selection反选周围水分子：

按键盘上的Delete键并确定删除水分子，点击Display – Show Periodic Box取消显示盒子边界（5）再次选中液相中优化的丙氨酸离子，点击Display – Color Atoms...在以下选项中选择其中一个给分子上色（尽量选择对比度高易分辨的颜色）：

点击File – Merge...选择先前保存的ala-gas.HIN文件合并进工作区，按上述步骤把气相下优化的丙氨酸分子上另一种颜色

（6）点击Select – Atoms使其为选中状态，用选择工具分别依次选择两个分子的N, Cα和C’原子（先选择分子一的N原子然后选择分子二的N原子，再选择分子一的Cα原子...如此类推）：

点击Display – Overlay叠合两丙氨酸分子：

观察叠合结果并写入报告，注意分别标明气相和液相优化的分子为何种颜色；截图，保存图片为Overlay.png；

注意不要保存叠合后的分子文件！

三、丙氨酸两性离子的分子动力学模拟及蒙特卡罗模拟

（1）分子动力学：点击File – Open...点击“否”不保存叠合后的分子文件，然后打开先前保存的ala-liq.HIN文件，点击Compute - Molecular Dynamics...设置如下：

点击Averages...把EKIN, EPOT, ETOT, ncco移至最右并点OK；若没有ncco请参照上面第一大点第（8）小点进行设置，下同：

点击Proceed，观察分子的运动情况；分子动力学完毕后点击Rescale，如上法截图保存中间结果窗口部分为MD.png，点击Done结束；分别做一次Single Point 和 Geometry Optimization计算记录能量及梯度值，不需保存分子文件

（2）Langevin动力学：点击File – Open...打开ala-gas.HIN文件，点击Compute - Langevin Dynamics...作如下设置：

同上点击Averages...把EKIN, EPOP, ETOT, ncco移至最右并点OK；点击Proceed，动力学完毕后点击Rescale，截图保存中间结果窗口部分为LD.png；分别做一次Single Point 和 Geometry Optimization计算记录能量及梯度能量值，不需保存分子文件

（3）Monte Carlo模拟：点击File – Open...打开ala-liq.HIN文件，点击Compute – Monte Carlo...作如下设置：

点击Averages...把ACCR, EPOT, D ACCR, ncco移至最右并点OK：

点击Proceed，待动力学完毕后点击Rescale，截图保存中间结果窗口部分为MC.png；分别再做一次Single Point 和 Geometry Optimization计算记录能量及梯度能量值，不需保存分子文件

四、记录不同建模方法的实验数据

记录邻组建立初始模型后的气相单点计算，气相优化后和液相优化后三个能量值（只需要Energy值）

五、结束实验

检查下面数据是否已被正确记录：

1、丙氨酸离子的初始模型，气相优化和液相优化后的C-O键长，Cα-C'-O键角，N-Cα-C'-O二面角

2、丙氨酸离子气相和液相的初始模型及优化后的能量记录（Energy, Gradient, cycles和points）；分子动力学， Langevin动力学和 Monte Carlo模拟后的Single Point 和 Geometry Optimization的能量及梯度值

3、丙氨酸离子气相和液相优化结果的分子叠合图；分子动力学， Langevin动力学和 Monte Carlo模拟能量曲线图

4、使用不同建模方法法的另一组的能量数据

打开”网上邻居-综合 在 Zh00 上-2012-物化计算机实验”，找到以当天日期命名的文件夹，在下面新建以自己学号命名的文件夹，把Overlay.png, MD.png, LD.png, MC.png复制到里面，把原始数据记录取至前台检查签名（原始数据记录请务必写上姓名！），签名后在前台用U盘把自己的实验图片复制下来或发送到自己邮箱里面（教师用计算机学生不得操作！）

实验完毕删除自己在用机上所有留下的有关文件，关闭计算机，收拾桌椅并带好个人携带物品离开实验室

实验报告：

一、实验原始数据记录应附在实验报告的最后，不能直接作为实验报告的内容部分

二、实验图片应打印好作为实验报告的内容部分并标上图片标题和注释，不能附在实验报告的最后

三、实验报告所有数据必须用表格形式列出，并应对所有已记录的数据进行分析，此外还应包括以下内容：

1、分别比较气相和液相下优化的丙氨酸两性离子的结构的异同（观察叠合后的分子），请结合记录的键长键角二面角数据分析异同具体是如何产生的

2、试比较分析分子动力学和Monte Carlo模拟后的单点能计算和几何优化结果跟初始模型结果，包括Energy, Gradient, cycles和points数值的比较

3、分析在分子动力学模拟和Langevin动力学的模拟的过程中N-Cα-C'-O的变动情况

四、思考题（连同给定的书本上的思考题写入实验报告）：

1、两种不同建模方法区别在哪里，计算结果又有什么不同？请作具体的分析

2、力场设置里面的Dielectric(Epsilon)是什么意思，其下两个选项在气相跟液相优化分别是用的不同设置又是什么意思，设置不同会引起什么差别？（可查阅Hyperchem的使用手册）

3、力场设置里面的Cutoffs是什么意思，其下选项在气相跟液相优化分别是用的不同设置又是什么意思，设置不同会引起什么差别？（可查阅Hyperchem的使用手册）

4、分子动力学跟Langevin动力学的模拟结果图有什么异同？他们的原理和计算公式具体区别在哪里

5、Monte Carlo模拟中为什么没有加入EKIN和ETOT作图，如果对其作图会得到怎样的结果？

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jf0e.html