Водная модель - Water model
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; (i) количество точек взаимодействия, называемых сайтом , (ii) жесткая или гибкая модель, (iii) включает ли модель 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.
Простые водные модели
Жесткие модели считаются простейшими моделями воды и основаны на несвязанных взаимодействиях . В этих моделях связывающие взаимодействия неявно обрабатываются голономными ограничениями . Электростатическое взаимодействие моделируется с помощью закона Кулона , а силы дисперсии и отталкивания - с использованием потенциала Леннарда-Джонса . Потенциал таких моделей, как TIP3P (переносимый межмолекулярный потенциал с 3 точками) и TIP4P представлен как
где к С , то электростатическим постоянному , имеет значение , равное 332,1 Å · ккал / (моль · е ²) в единицах , обычно используемых в молекулярном моделировании; q i и q j - частичные заряды относительно заряда электрона; r ij - расстояние между двумя атомами или заряженными узлами; и и B являются параметры ЛД- . 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.
2-местный
Двухсайтовая модель воды, основанная на известной трехсайтовой модели SPC (см. Ниже), показала, что предсказывает диэлектрические свойства воды с использованием теории перенормированной по сайтам молекулярной жидкости.
3-местный
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 во многих приложениях моделирования молекулярной динамики . В большинстве моделей используется жесткая геометрия, соответствующая реальным молекулам 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.
ЧАЕВЫЕ | SPC | TIP3P | SPC / E | |
---|---|---|---|---|
r (ОН), Å | 0,9572 | 1.0 | 0,9572 | 1.0 |
HOH, град | 104,52 | 109,47 | 104,52 | 109,47 |
A , 10 3 ккал Å 12 / моль | 580,0 | 629,4 | 582,0 | 629,4 |
B , ккал Å 6 / моль | 525,0 | 625,5 | 595,0 | 625,5 |
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 для атомов водорода в дополнение к параметру для кислорода. Стоимость не изменяется. Трехузловая модель (TIP3P) лучше справляется с расчетом удельной плавки.
Гибкая водная модель SPC
Гибкая простая модель воды с точечным зарядом (или гибкая модель воды SPC) представляет собой перепараметризацию модели воды SPC с тремя участками. 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 . При моделировании молекулярной динамики он дает правильную плотность и диэлектрическую проницаемость воды.
Гибкий SPC реализован в программах MDynaMix и Abalone .
Другие модели
- Фергюсон (гибкий SPC)
- CVFF (гибкий)
- MG (гибкий и диссоциативный)
- Потенциал KKY (гибкая модель).
- BLXL (размытие заряженного потенциала).
4-местный
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 году, 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 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 участками 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 | СОВЕТЫ2 | TIP4P | TIP4P-Ew | TIP4P / Ice | TIP4P / 2005 | OPC | TIP4P-D | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
r (ОН), Å | 0,96 | 0,9572 | 0,9572 | 0,9572 | 0,9572 | 0,9572 | 0,8724 | 0,9572 |
HOH, град | 105,7 | 104,52 | 104,52 | 104,52 | 104,52 | 104,52 | 103,6 | 104,52 |
r (OM), Å | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,125 | 0,1577 | 0,1546 | 0,1594 | 0,1546 |
A , 10 3 ккал Å 12 / моль | 560,4 | 695,0 | 600,0 | 656,1 | 857,9 | 731,3 | 865,1 | 904,7 |
B , ккал Å 6 / моль | 837,0 | 600,0 | 610,0 | 653,5 | 850,5 | 736,0 | 858,1 | 900,0 |
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-местный
5-позиционные модели помещают отрицательный заряд на фиктивные атомы (обозначенные L ), представляющие неподеленные пары атома кислорода, с геометрией, подобной тетраэдру. Ранней моделью этих типов была модель BNS Бен-Наима и Стиллинджера, предложенная в 1971 году, вскоре на смену ей пришла модель ST2 Стиллинджера и Рахмана в 1974 году. В основном из-за их более высокой вычислительной стоимости пятиузельные модели разрабатывались мало. до 2000 года, когда была опубликована модель TIP5P Махони и Йоргенсена. По сравнению с более ранними моделями, в TIP5P модель приводит к улучшению геометрии для димера воды , более «тетраэдрическая» вода структура , которая лучше воспроизводит экспериментальные функции радиального распределения от дифракции нейтронов , а температура максимальной плотности воды. Модель TIP5P-E представляет собой повторную параметризацию TIP5P для использования с суммами Эвальда .
BNS | ST2 | TIP5P | TIP5P-E | |
---|---|---|---|---|
r (ОН), Å | 1.0 | 1.0 | 0,9572 | 0,9572 |
HOH, град | 109,47 | 109,47 | 104,52 | 104,52 |
r (OL), Å | 1.0 | 0,8 | 0,70 | 0,70 |
LOL, град. | 109,47 | 109,47 | 109,47 | 109,47 |
A , 10 3 ккал Å 12 / моль | 77,4 | 238,7 | 544,5 | 554,3 |
B , ккал Å 6 / моль | 153,8 | 268,9 | 590,3 | 628,2 |
q (L) | -0,19562 | -0,2357 | -0,241 | -0,241 |
q (H) | +0,19562 | +0,2357 | +0,241 | +0,241 |
R L , Å | 2,0379 | 2,0160 | ||
R U , Å | 3,1877 | 3,1287 |
Обратите внимание, однако, что модели BNS и ST2 не используют закон Кулона непосредственно для электростатических членов, а модифицированную версию, которая уменьшается в масштабе 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
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. Поскольку он имел очень высокую температуру плавления при использовании в периодических электростатических условиях (суммирование Эвальда), позже была опубликована модифицированная версия, оптимизированная с использованием метода Эвальда для оценки кулоновского взаимодействия.
Другой
- Влияние явной модели растворенного вещества на поведение растворенного вещества в симуляциях биомолекул также широко изучалось. Было показано, что явные модели воды влияли на специфическую сольватацию и динамику развернутых пептидов, в то время как конформационное поведение и гибкость свернутых пептидов оставались неизменными.
- 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.
- Крупнозернистые модели. Также были разработаны одно- и двухпозиционные модели воды. 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.
- Другая классификация многих моделей тела основана на расширении лежащей в основе электростатики, например, модель SCME (одноцентровое многополюсное расширение).
Вычислительная стоимость
Вычислительные затраты на моделирование воды возрастают с увеличением количества точек взаимодействия в модели воды. Процессорное время приблизительно 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 ограничения (хотя при ограниченной длине связей часто можно увеличить временной шаг).
Смотрите также
- 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