Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Модель воды определяется ее геометрией, а также другими параметрами, такими как заряды атомов и параметры Леннарда-Джонса.

В вычислительной химии , А модель воды используется для моделирования и термодинамически подсчет кластеры воды , жидкие воды и водные растворы с явным растворителем. Модели определяются на основе квантовой механики , молекулярной механики , экспериментальных результатов и этих комбинаций. Чтобы имитировать определенную природу молекул, было разработано много типов моделей. В целом их можно классифицировать по следующим трем пунктам; (я) число точек взаимодействия называется сайт , (б) является ли модель жесткой или гибкой, (III) модель включает ли поляризационные эффекты.

Альтернативой явным моделям воды является использование неявной модели сольватации , также называемой моделью континуума, примером которой может быть модель сольватации COSMO или модель поляризуемого континуума (PCM) или гибридная модель сольватации. [1]

Простые модели воды [ править ]

Жесткие модели считаются простейшими водными моделями и основываются на несвязанных взаимодействиях . В этих моделях связывающие взаимодействия неявно рассматриваются голономными ограничениями . Электростатическое взаимодействие моделируется с помощью закона Кулона , а силы дисперсии и отталкивания - с использованием потенциала Леннарда-Джонса . [2] [3] Возможности таких моделей, как TIP3P (переносимый межмолекулярный потенциал с 3 точками) и TIP4P, представлены

где k C , электростатическая постоянная , имеет значение 332,1 Å · ккал / (моль · e ²) в единицах, обычно используемых в молекулярном моделировании [ необходима ссылка ] ; [4] [5] [6] q i и q j - частичные заряды относительно заряда электрона; r ij - расстояние между двумя атомами или заряженными узлами; а A и B - параметры Леннарда-Джонса. Заряженные сайты могут находиться на атомах или на фиктивных сайтах (например, неподеленных парах). В большинстве моделей воды термин Леннарда-Джонса применяется только к взаимодействию между атомами кислорода.

На рисунке ниже показана общая форма моделей воды с 3–6 участками. Точные геометрические параметры (расстояние OH и угол HOH) варьируются в зависимости от модели.

Water models.svg

2-сайт [ править ]

Было показано, что двухсайтовая модель воды, основанная на знакомой трехузловой модели SPC (см. Ниже), предсказывает диэлектрические свойства воды с использованием теории молекулярной жидкости с перенормировкой узлов. [7]

3-сайт [ править ]

Трехузельные модели имеют три точки взаимодействия, соответствующие трем атомам молекулы воды. Каждый узел имеет точечный заряд, и узел, соответствующий атому кислорода, также имеет параметры Леннарда-Джонса. Поскольку трехсайтовые модели обеспечивают высокую вычислительную эффективность, они широко используются для многих приложений моделирования молекулярной динамики . Большинство моделей используют жесткую геометрию, соответствующую геометрии реальных молекул воды. Исключением является модель SPC, которая предполагает идеальную тетраэдрическую форму (угол HOH 109,47 °) вместо наблюдаемого угла 104,5 °.

В таблице ниже перечислены параметры для некоторых моделей с 3 участками.

СОВЕТЫ [8]SPC [9]TIP3P [10]SPC / E [11]
r (ОН), Å0,95721.00,95721.0
HOH, град104,52109,47104,52109,47
A , 10 3 ккал Å 12 / моль580,0629,4582,0629,4
B , ккал Å 6 / моль525,0625,5595,0625,5
q (O)−0,80-0,82-0,834-0,8476
q (H)+0,40+0,41+0,417+0,4238

Модель SPC / E добавляет поправку к средней поляризации к функции потенциальной энергии:

где μ - электрический дипольный момент эффективно поляризованной молекулы воды (2,35 D для модели SPC / E), μ 0 - дипольный момент изолированной молекулы воды (1,85 D из эксперимента), а α i - константа изотропной поляризуемости. , со значением1,608 × 10 -40  Ф · м 2 . Поскольку заряды в модели постоянны, эта поправка просто приводит к добавлению 1,25 ккал / моль (5,22 кДж / моль) к полной энергии. Модель SPC / E дает лучшие плотность и константу диффузии, чем модель SPC.

Модель TIP3P, реализованная в силовом поле CHARMM, является немного измененной версией оригинала. Разница заключается в параметрах Леннарда-Джонса: в отличие от TIP3P, версия модели CHARMM помещает параметры Леннарда-Джонса также и для атомов водорода, в дополнение к параметру для кислорода. Стоимость не изменяется. [12] Трехузловая модель (TIP3P) лучше справляется с расчетом удельной плавки. [13]

Гибкая модель воды SPC [ править ]

Гибкая водная модель SPC

Гибкая простая модель воды с точечным зарядом (или гибкая модель воды SPC) является перепараметризацией модели воды SPC с тремя участками. [14] [15] Модель SPC является жесткой, в то время как гибкая модель SPC является гибкой. В модели Тукана и Рахмана растяжение O – H делается ангармоническим, и, таким образом, динамическое поведение хорошо описано. Это одна из самых точных трехцентровых моделей воды без учета поляризации . В моделировании молекулярной динамики он дает правильную плотность и диэлектрическую проницаемость воды. [16]

Гибкий SPC реализован в программах MDynaMix и Abalone .

Другие модели [ править ]

  • Фергюсон (гибкий SPC)
  • CVFF (гибкий)
  • MG (гибкий и диссоциативный) [17]
  • KKY потенциал (гибкая модель). [18]
  • BLXL (размытие заряженного потенциала). [19]

4-сайт [ править ]

Четырехузельные модели имеют четыре точки взаимодействия путем добавления одного фиктивного атома рядом с кислородом вдоль биссектрисы угла HOH трехузловых моделей (обозначенных буквой M на рисунке). У фиктивного атома только отрицательный заряд. Эта модель улучшает электростатическое распределение вокруг молекулы воды. Первой моделью, использующей этот подход, была модель Бернала – Фаулера, опубликованная в 1933 г. [20], которая также может быть самой ранней водной моделью. Однако модель BF плохо воспроизводит объемные свойства воды, такие как плотность и теплота испарения., и поэтому представляет только исторический интерес. Это следствие метода параметризации; более новые модели, разработанные после того, как стали доступны современные компьютеры, параметризовались путем запуска Metropolis Monte Carlo или моделирования молекулярной динамики и корректировки параметров до тех пор, пока объемные свойства не будут воспроизведены достаточно хорошо.

Модель TIP4P, впервые опубликованная в 1983 году, широко применяется в программных пакетах вычислительной химии и часто используется для моделирования биомолекулярных систем. Были проведены последующие изменения параметров модели TIP4P для конкретных целей: модель TIP4P-Ew для использования с методами суммирования Эвальда; TIP4P / Ice для моделирования твердого водяного льда; и TIP4P / 2005, общая параметризация для моделирования всей фазовой диаграммы конденсированной воды.

Большинство моделей воды с четырьмя узлами используют расстояние ОН и угол НОН, соответствующие таковому у свободной молекулы воды. Исключением является модель OPC, на которую не накладываются никакие геометрические ограничения, кроме фундаментальной молекулярной симметрии C 2v молекулы воды. Вместо этого точечные заряды и их положения оптимизированы для наилучшего описания электростатики молекулы воды. OPC воспроизводит полный набор объемных свойств более точно, чем обычно используемые жесткие модели n- площадок для воды. Модель OPC реализована в силовом поле AMBER .

BF [20]TIPS2 [21]TIP4P [10]TIP4P-Ew [22]TIP4P / Ice [23]TIP4P / 2005 [24]OPC [25]TIP4P-D [26]
r (ОН), Å0,960,95720,95720,95720,95720,95720,87240,9572
HOH, град105,7104,52104,52104,52104,52104,52103,6104,52
r (OM), Å0,150,150,150,1250,15770,15460,15940,1546
A , 10 3 ккал Å 12 / моль560,4695,0600,0656,1857,9731,3865,1904,7
B , ккал Å 6 / моль837,0600,0610,0653,5850,5736,0858,1900,0
q (М)-0,98−1,07−1,04-1,04844-1,1794-1,1128−1,3582-1,16
q (H)+0,49+0,535+0,52+0,52422+0,5897+0,5564+0,6791+0,58

Другие:

  • q-TIP4P / F (гибкий)

5-сайт [ править ]

5-позиционные модели помещают отрицательный заряд на фиктивные атомы (обозначенные L ), представляющие неподеленные пары атома кислорода, с геометрией, подобной тетраэдру. Ранняя модель такого типа была модель BNS Бен-Наим и Стиллингера, предложенный в 1971 году [ править ] вскоре сменил ST2 модели Стиллингера и Рахманом в 1974 г. [27] В основном из - за их более высокой стоимости вычислений, пять -сайтовые модели не особо разрабатывались до 2000 года, когда была опубликована модель TIP5P Махони и Йоргенсена. [28] По сравнению с более ранними моделями, модель TIP5P приводит к улучшению геометрии димера воды., Более «тетраэдрическая» вода структура , которая лучше воспроизводит экспериментальные функции радиального распределения от дифракции нейтронов , а температура максимальной плотности воды. Модель TIP5P-E - это повторная параметризация TIP5P для использования с суммами Эвальда .

BNS [27]ST2 [27]TIP5P [28]TIP5P-E [29]
r (ОН), Å1.01.00,95720,9572
HOH, град109,47109,47104,52104,52
r (OL), Å1.00,80,700,70
LOL, град.109,47109,47109,47109,47
A , 10 3 ккал Å 12 / моль77,4238,7544,5554,3
B , ккал Å 6 / моль153,8268,9590,3628,2
q (L)-0,19562-0,2357-0,241-0,241
q (H)+0,19562+0,2357+0,241+0,241
R L , Å2,03792,0160
R U , Å3,18773,1287

Обратите внимание, однако, что модели BNS и ST2 не используют закон Кулона непосредственно для электростатических членов, а модифицированную версию, которая уменьшается на коротких расстояниях путем умножения ее на функцию переключения S ( r ):

Таким образом, параметры R L и R U применяются только к BNS и ST2.

6-сайт [ править ]

Первоначально разработанная для изучения систем вода / лед, модель с 6 участками, объединяющая все участки моделей с 4 и 5 участками, была разработана Нада и ван дер Эрденом. [30] Поскольку он имел очень высокую температуру плавления [31] при использовании в периодических электростатических условиях (суммирование Эвальда), позже была опубликована модифицированная версия [32], оптимизированная с использованием метода Эвальда для оценки кулоновского взаимодействия.

Другое [ править ]

  • Влияние явной модели растворенного вещества на поведение растворенного вещества в моделировании биомолекул также широко изучалось. Было показано, что явные водные модели влияют на специфическую сольватацию и динамику развернутых пептидов, в то время как конформационное поведение и гибкость свернутых пептидов остаются неизменными. [33]
  • Модель МБ. Более абстрактная модель, напоминающая логотип Mercedes-Benz, которая воспроизводит некоторые особенности воды в двухмерных системах. Он не используется как таковой для моделирования «реальных» (т.е. трехмерных) систем, но полезен для качественных исследований и в образовательных целях. [34]
  • Крупнозернистые модели. Также были разработаны одно- и двухпозиционные модели воды. [35] В крупнозернистых моделях каждое место может представлять несколько молекул воды.
  • Многотельные модели. Модели воды, построенные с использованием конфигураций обучающих наборов, решаемых квантово-механически, которые затем используют протоколы машинного обучения для извлечения поверхностей потенциальной энергии. Эти поверхности потенциальной энергии вводятся в моделирование МД для беспрецедентной степени точности при вычислении физических свойств систем конденсированной фазы. [36]
    • Другая классификация многих моделей тела [37] основана на расширении базовой электростатики, например, модель SCME (одноцентровое многополюсное расширение) [38]

Вычислительная стоимость [ править ]

Вычислительные затраты на моделирование воды возрастают с увеличением количества точек взаимодействия в модели воды. Время ЦП примерно пропорционально количеству межатомных расстояний, которые необходимо вычислить. Для 3-позиционной модели требуется 9 расстояний для каждой пары молекул воды (каждый атом одной молекулы против каждого атома другой молекулы, или 3 × 3). Для модели с 4 сайтами требуется 10 расстояний (каждый заряженный сайт с каждым заряженным сайтом, плюс взаимодействие O – O, или 3 × 3 + 1). Для 5-позиционной модели требуется 17 расстояний (4 × 4 + 1). Наконец, для 6-позиционной модели требуется 26 расстояний (5 × 5 + 1).

При использовании моделей жесткой воды в молекулярной динамике существуют дополнительные затраты, связанные с удержанием структуры в ограниченном состоянии с использованием алгоритмов ограничений (хотя при ограниченной длине связей часто можно увеличить временной шаг).

См. Также [ править ]

  • Вода (свойства)
  • Вода (страница данных)
  • Димер воды
  • Силовое поле (химия)
  • Сравнение реализаций силового поля
  • Молекулярная механика
  • Молекулярное моделирование
  • Сравнение программного обеспечения для моделирования молекулярной механики
  • Модели на растворителях

Ссылки [ править ]

  1. ^ Skyner RE, МакДонаг ДЛ, Грум CR, ван Моурик Т, Митчелл JB (март 2015). «Обзор методов расчета свободной энергии раствора и моделирования систем в растворе» (PDF) . Физическая химия Химическая физика . 17 (9): 6174–91. Bibcode : 2015PCCP ... 17.6174S . DOI : 10.1039 / C5CP00288E . PMID  25660403 .
  2. ^ Allen MP, Тилдесли DJ (1989). Компьютерное моделирование жидкостей . Кларендон Пресс. ISBN 978-0-19-855645-9.
  3. ^ Кирби BJ. Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах .
  4. ^ Суэйлс JM, Ройтберг AE (2013). "файл prmtop {A} mber" (PDF) .
  5. ^ Суэйлс JM (2013). Моделирование свободной энергии сложных биологических систем при постоянном pH (PDF) . Университет Флориды.
  6. ↑ Case DA, Walker RC, Cheatham III TE, Simmerling CL, Roitberg A, Merz KM и др. (Апрель 2019 г.). «Справочное руководство Amber 2019 (охватывает Amber18 и AmberTools19)» (PDF) .
  7. ^ Дайер KM, Perkyns JS, Стеллы G, Pettitt BM (2009). "Site-перенормированная теория молекулярной жидкости: о полезности двухузельной модели воды" . Молекулярная физика . 107 (4–6): 423–431. Bibcode : 2009MolPh.107..423D . DOI : 10.1080 / 00268970902845313 . PMC 2777734 . PMID 19920881 .  
  8. ^ Йоргенсен, Уильям Л. (1981). «Квантовые и статистические механические исследования жидкостей. 10. Переносимые межмолекулярные потенциальные функции для воды, спиртов и эфиров. Применение к жидкой воде». Журнал Американского химического общества . Американское химическое общество (ACS). 103 (2): 335–340. DOI : 10.1021 / ja00392a016 . ISSN 0002-7863 . 
  9. ^ HJC Berendsen, JPM Postma, WF van Gunsteren и J. Hermans, In Intermolecular Forces , под редакцией Б. Пулмана (Reidel, Dordrecht, 1981 ), стр. 331.
  10. ^ a b Йоргенсен WL, Чандрасекхар J, Мадура JD, Импей RW, Кляйн ML (1983). «Сравнение простых потенциальных функций для моделирования жидкой воды». Журнал химической физики . 79 (2): 926–935. Bibcode : 1983JChPh..79..926J . DOI : 10.1063 / 1.445869 .
  11. ^ Berendsen HJ , Grigera JR, Straatsma TP (1987). «Недостающий член в эффективных парных потенциалах». Журнал физической химии . 91 (24): 6269–6271. DOI : 10.1021 / j100308a038 .
  12. ^ MacKerell А.Д., Bashford Д, Bellott М, Dunbrack RL, Evanseck JD, поле МДж, и др. (Апрель 1998 г.). «Всеатомный эмпирический потенциал для молекулярного моделирования и изучения динамики белков». Журнал физической химии B . 102 (18): 3586–616. DOI : 10.1021 / jp973084f . PMID 24889800 . 
  13. Перейти ↑ Mao Y, Zhang Y (2012). «Теплопроводность, сдвиговая вязкость и удельная теплоемкость моделей жесткой воды». Письма по химической физике . 542 : 37–41. Bibcode : 2012CPL ... 542 ... 37M . DOI : 10.1016 / j.cplett.2012.05.044 .
  14. ^ Тукан К Rahman А (март 1985). «Молекулярно-динамическое исследование движений атомов в воде». Physical Review B . 31 (5): 2643–2648. Bibcode : 1985PhRvB..31.2643T . DOI : 10.1103 / PhysRevB.31.2643 . PMID 9936106 . 
  15. ^ Berendsen HJ, Grigera JR, Straatsma TP (1987). «Недостающий член в эффективных парных потенциалах». Журнал физической химии . 91 (24): 6269–6271. DOI : 10.1021 / j100308a038 .
  16. ^ Praprotnik МЫ, Janezic D, Маврите J (2004). "Температурная зависимость колебательного спектра воды: исследование с помощью моделирования молекулярной динамики". Журнал физической химии . 108 (50): 11056–11062. Bibcode : 2004JPCA..10811056P . DOI : 10.1021 / jp046158d .
  17. ^ Модель MG .
  18. ^ Кумагай Н, КАВАМУРА К, Yokokawa Т (1994). «Модель межатомного потенциала для H2O: приложения к полиморфам воды и льда». Молекулярное моделирование . Informa UK Limited. 12 (3–6): 177–186. DOI : 10.1080 / 08927029408023028 . ISSN 0892-7022 . 
  19. ^ Бернам CJ, Ли Дж, Xantheas СС, Лесли М (1999). «Параметризация модели полностью атомной поляризуемой воды типа Толола из первых принципов и ее применение к изучению кластеров воды (n = 2–21) и фононного спектра льда Ih». Журнал химической физики . 110 (9): 4566–4581. Bibcode : 1999JChPh.110.4566B . DOI : 10.1063 / 1.478797 .
  20. ^ а б Бернал JD, Фаулер RH (1933). «Теория воды и ионного раствора, с особым упором на водород и гидроксильные ионы». Журнал химической физики . 1 (8): 515. Полномочный код : 1933JChPh ... 1..515B . DOI : 10.1063 / 1.1749327 .
  21. Перейти ↑ Jorgensen (1982). «Пересмотренные TIPS для моделирования жидкой воды и водных растворов». Журнал химической физики . 77 (8): 4156–4163. Bibcode : 1982JChPh..77.4156J . DOI : 10.1063 / 1.444325 .
  22. ^ Horn HW, Swope туалет, JW Питера, Мадура JD, Дик TJ, Hura GL, Head-Gordon T (май 2004). «Разработка улучшенной модели воды с четырьмя узлами для моделирования биомолекул: TIP4P-Ew» . Журнал химической физики . 120 (20): 9665–78. Bibcode : 2004JChPh.120.9665H . DOI : 10.1063 / 1.1683075 . PMID 15267980 . 
  23. ^ Абаскаль JL, Sanz E, Гарсиа Фернандес R, Vega C (июнь 2005). «Возможная модель для изучения льдов и аморфной воды: TIP4P / Ice» . Журнал химической физики . 122 (23): 234511. Bibcode : 2005JChPh.122w4511A . DOI : 10.1063 / 1.1931662 . PMID 16008466 . 
  24. ^ Абаскаль JL, Vega C (декабрь 2005). «Универсальная модель конденсированных фаз воды: TIP4P / 2005» . Журнал химической физики . 123 (23): 234505. Bibcode : 2005JChPh.123w4505A . DOI : 10.1063 / 1.2121687 . PMID 16392929 . 
  25. ^ Izadi S, Anandakrishnan R, Онуфриев AV (ноябрь 2014). «Построение водных моделей: другой подход» . Журнал писем по физической химии . 5 (21): 3863–3871. arXiv : 1408,1679 . Bibcode : 2014arXiv1408.1679I . DOI : 10.1021 / jz501780a . PMC 4226301 . PMID 25400877 .  
  26. Перейти ↑ Piana S, Donchev AG, Robustelli P, Shaw DE (апрель 2015 г.). «Водно-дисперсионные взаимодействия сильно влияют на смоделированные структурные свойства неупорядоченных состояний белка» . Журнал физической химии B . 119 (16): 5113–23. DOI : 10.1021 / jp508971m . PMID 25764013 . 
  27. ^ a b c Стиллинджер Ф. Х., Рахман А (1974). «Улучшенное моделирование жидкой воды методом молекулярной динамики» . Журнал химической физики . 60 (4): 1545–1557. Bibcode : 1974JChPh..60.1545S . DOI : 10.1063 / 1.1681229 .
  28. ^ a b Махони MW, Йоргенсен WL (2000). «Пятиузельная модель жидкой воды и воспроизведение аномалии плотности с помощью жестких, неполяризуемых потенциальных функций» . Журнал химической физики . 112 (20): 8910–8922. Bibcode : 2000JChPh.112.8910M . DOI : 10.1063 / 1.481505 .
  29. ^ Rick SW (апрель 2004). «Повторная оптимизация водного потенциала пяти участков (TIP5P) для использования с суммами Эвальда» . Журнал химической физики . 120 (13): 6085–93. Bibcode : 2004JChPh.120.6085R . DOI : 10.1063 / 1.1652434 . PMID 15267492 . 
  30. ^ Нада, Х. (2003). «Модель межмолекулярного потенциала для моделирования льда и воды вблизи точки плавления: модель H 2 O с шестью узлами». Журнал химической физики . 118 (16): 7401. Bibcode : 2003JChPh.118.7401N . DOI : 10.1063 / 1.1562610 .
  31. ^ Абаскаль JL, Фернандес RG, Vega C, Carignano MA (октябрь 2006). «Температура плавления шестиузловой потенциальной модели воды» . Журнал химической физики . 125 (16): 166101. Bibcode : 2006JChPh.125p6101A . DOI : 10.1063 / 1.2360276 . PMID 17092145 . 
  32. ↑ Nada H (декабрь 2016 г.). «2O и моделирование молекулярной динамики». Журнал химической физики . 145 (24): 244706. Bibcode : 2016JChPh.145x4706N . DOI : 10.1063 / 1.4973000 . PMID 28049310 . 
  33. ^ Флорова P, Sklenovský P, Banaś P, Otyepka M (ноябрь 2010). «Явные водные модели влияют на специфическую сольватацию и динамику развернутых пептидов, в то время как конформационное поведение и гибкость свернутых пептидов остаются неизменными» . Журнал химической теории и вычислений . 6 (11): 3569–79. DOI : 10.1021 / ct1003687 . PMID 26617103 . 
  34. ^ Silverstein К.А., Haymet А.Д., укроп KA (1998). «Простая модель воды и гидрофобный эффект». Журнал Американского химического общества . 120 (13): 3166–3175. DOI : 10.1021 / ja973029k .
  35. ↑ Извеков С., Вот Г.А. (октябрь 2005 г.). «Мультимасштабная крупнозернистая структура жидких систем». Журнал химической физики . Издательство AIP. 123 (13): 134105. Bibcode : 2005JChPh.123m4105I . DOI : 10.1063 / 1.2038787 . PMID 16223273 . 
  36. ^ Medders GR, Paesani F (март 2015). "Инфракрасная и рамановская спектроскопия жидкой воды на основе" первых принципов "молекулярной динамики многих тел". Журнал химической теории и вычислений . 11 (3): 1145–54. DOI : 10.1021 / ct501131j . PMID 26579763 . 
  37. ^ Cisneros GA, Wikfeldt KT, Ojamäe L, Lu J, Xu Y, Torabifard H и др. (Июль 2016 г.). «Моделирование молекулярных взаимодействий в воде: от парных к функциям потенциальной энергии многих тел» . Химические обзоры . 116 (13): 7501–28. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.5b00644 . PMC 5450669 . PMID 27186804 .  
  38. ^ Wikfeldt KT, Батиста ER, Vila FD, Йонссон H (октябрь 2013 г. ). «Переносимый потенциал взаимодействия H2O на основе одноцентрового мультипольного расширения: SCME». Физическая химия Химическая физика . 15 (39): 16542–56. arXiv : 1306.0327 . DOI : 10.1039 / c3cp52097h . PMID 23949215 .