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分子模拟及分子动力学简介 什么是分子模拟 分子模拟的双重性质 分子模拟的大致分类 量子力学模拟：ab initio 分子级别的模拟 蒙特卡洛方法 分子动力学 CPMD:考虑量子效应的分子动力学 颗粒方法（Coarse Grain） 分子动力学简介 势能模型 简单分子的势能模型 复杂分子的势能模型 复杂分子的势能模型 例子：丙烷 键长 键角 扭矩 范德华力 不同类别原子之间的作用 静电力 周期边界条件 静电力的长程校正 多体作用 模型参数的获得 分子动力学程序的一般步骤 初始能量优化方法 积分方法 步长 复合步长 SHAKE，RATTLE NVE模拟 温度的计算 压力的计算 其他常见性质 NVT：温度的控制 NVT：温度的控制 NPT：压力控制 简单小型体系 大型（复杂）体系和并行算法 MPI 并行计算的主要矛盾 数据复制法 区域分解法 几种常见的针对软材料模拟分子动力学软件 NAMD AMBER CHARMM TINKER LAMMPS DL-POLY GROMACS 应用举例：C60和DNA的作用 背景 纳米颗粒一般是人工合成物质 纳米管，纳米球，纳米棒等等 纳米颗粒在生物医学方面的应用(PNAS, v99, p6645, 2002) 药物输送，基因输送 纳米颗粒的生物安全性 (Science, v300,p243, 2003) C60在鱼类脑部的累计 (Environmental Health Perspectives, v112, p1058, 2004) C60导致老鼠的肺部病症 (Toxicol. Sci. v77, p117, p126, 2004) 用分子动力学研究C60和基因分子的作用 势能模型和模拟方法 MD引擎 – NAMD 静电力-PME 恒温 (300 K) 衡压 (1 bar) 时间步长 = 2 fs 离子-中和体系 模拟时间 4-20 ns DNA模型 AMBER 99 双链, 12-20 碱基对 单链, 12-20 碱基 C60, sp2 碳原子用LJ 模型模拟 溶剂 4600到6000水分子 TIP3P模型 典型的起始结构 一个典型的MD过程, DNA/C60 C60和DNA的作用 结合能 C60和DNA分子之间典型的结合能大约在15-40 kcal/mol, 取决于二者的相对作用位置和结合点 C60和DNA分子之间的结合能远大于热波动kT (0.6 kcal/mol) 同时也远大于在同等模拟环境下C60和C60之间的结合能 (7.5 kcal/mol) C60和B型DNA之间的作用 C60和A型DNA C60和A-DNA C60对DNA结构的影响 C60和单链DNA的作用 结合部位水的结构 C60和受损的DNA 结论 DNA和C60能形成稳定的结合体 DNA和C60的典型的结合能大约在?20到?40 kcal/mol，远高于相同环境下C60和C60的结合能 C60和DNA的结合点在DNA的疏水部位 C60和DNA的结合影响DNA的结构 C60的吸附使得DNA的碱基对之间的角度变形 C60进入A-DNA的尾部，切断了尾部碱基对的氢键 C60能使单链DNA严重变形 C60进入DNA的损伤部位，形成稳定的结合体 一些参考书 Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. Because such simulation is …. 变形的角度 吸附在A型DNA侧面的DNA使得DNA碱基对之间的相对结构变形。本应平行的碱基对变形形成了一个大约20度的角 C60和单链DNA之间的结合导致单链DNA的严重变形 C60被单链DNA的某些部分包围，疏水的碱基平面和C60紧密接触 C60和单链DNA的结合能大约在?20到?30 kcal/mol C60和DNA之间结合的驱动力是疏水作用 DNA亲水部位的水密度分布 C60和DNA结合部位的水密度分布 C60进入损伤部位 去掉的DNA片断 C60很快进入DNA的损伤部位，形成稳定的结合体 C6