Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Уральский государственный университет им. А. М. Горького
Биологический факультет
Реферат на тему:
«Метод молекулярной динамики в биофизике»
Выполнил:
студент IV курса, гр. 402
Саидмагомедова Д.С.
Проверил:
к.б.н., доцент
Янович Семен Владимирович
Екатеринбург, 2009
Введение…………………………………………………………………………............. |
с. 3 |
История развития метода молекулярной динамики………………………………….. |
с. 4 |
Основные положения метода…………………………………………………………... |
с. 6 |
Ограничения применимости метода…………………………………………………… |
с. 7 |
Временные и пространственные параметры исследуемых систем………………….. |
с. 8 |
Применение метода…………………………………………………………………….. |
с. 9 |
Источники……………………………………………………………………………….. |
с.10 |
Метод классической молекулярной динамики (метод МД)— это метод, в котором временная эволюция системы взаимодействующих атомов или частиц отслеживается интегрированием их уравнений движения.
Метод молекулярной динамики является одним из наиболее важных инструментов теоретического изучения структуры и динамики биологических макромолекул, жидкостей, газов и других молекулярных систем.
Изначально разработанный в теоретической физике, метод молекулярной динамики получил большое распространение в науке о веществе и, начиная с 1970-х годов, в биохимии и биофизике.
Метод молекулярной динамики играет важную роль в определении структуры белка и уточнении его свойств. Взаимодействие между объектами может быть описано силовым полем (классическая молекулярная динамика), квантово-химической моделью или смешанной теорией, содержащей элементы двух предыдущих.
В основе метода молекулярной динамики лежит расчёт классических траекторий движения макромолекулы в фазовом пространстве координат и импульсов её атомов. Молекулярно-динамические расчёты позволяют получить информацию о флуктуациях и конформационных изменениях белков, нуклеиновых кислот и других молекул.
В настоящее время метод молекулярной динамики повсеместно используется для исследования структурных, динамических и термодинамических характеристик биологических молекул и их комплексов. К задачам, решаемым методом молекулярной динамики, относится изучение стабильности белков, исследование конформационных превращений систем, сворачивания белков, докинга лигандов, изучение процессов ионного транспорта.
Важную роль метод молекулярной динамики играет и при установке конечной структуры молекул и комплексов, определённой методами ЯМР и рентгеноструктурного анализа, а также в фармакологии при разработке новых лекарственных препаратов.
История развития метода молекулярной динамики.
Развитие молекулярной динамики шло двумя путями. Первый, обычно называемый классическим, (когда вычисляются траектории атомов) имеет довольно длительную историю. Он восходит к задаче двухчастичного рассеяния, которая может быть решена аналитически. Однако, как хорошо известно, даже уже для трех частиц появляются трудности, затрудняющие аналитическое решение. Примером может служить простая химическая реакция:
H + H2 = H2 + H.
Для такой реакции Хиршфельдер (Hirschfelder), Эйринг (Eyring) и Топли (Topley) в 1936 году провели попытку расчета нескольких шагов вдоль одной из траекторий. Это было за 30 лет до того, как такой расчет стал возможен на компьютере. Позднее классический подход был подкреплен полуклассическими и квантово-химическими расчетами в тех областях, где влияние квантовых эффектов становилось значимым.
Вторым путем развития метода молекулярной динамики стало исследование термодинамических и динамических свойств систем. Идеи, лежащие в основу этого пути восходят к работам Ван-дер-Ваальса и Больцмана.
Следует отметить несколько ключевых работ, определивших развитие метода молекулярной динамики. Первая работа, посвященная моделированию методом молекулярной динамики, вышла в 1957 году. Её авторами были Альдер (Alder) и Вэйнрайт (Waingwright). Целью работы было исследовать фазовую диаграмму системы твердых сфер и в частности области твердого тела и жидкости. В системе твердых сфер частицы взаимодействуют непосредственно при столкновении и двигаются, как свободные частицы между соударениями. Вычисления проводились на компьютерах UNIVAC и на IBM 704.
Статья «Dynamics of radiation damage» (J.B. Gibson, A. N. Goland, M.Milgram, G.H. Vineyard) выполненная в Брукхейвенской национальной лаборатории и появившаяся в 1960 году была, возможно, первым примером моделирования с непрерывным потенциалом. В работе для интегрирования использовался метод конечных разностей. Вычисления проводились на IBM 704, и один шаг занимал около минуты. В статье рассматривалось образование дефектов в меди вызванных радиационным повреждением. Тема работы была обусловлена проблемами защиты от ядерного нападения. Эта одна из самых лучших работ по данной тематике.
Анизар Рахман (Aneesur Rahman) из Аргонской национальной лаборатории в своей статье 1964 года «Correlation in the motion of atoms in luquid argon» изучил свойства жидкого аргона, используя потенциал Леннарда-Джонса. Система состояла из 864 атомов. Результаты были получены на компьютере CDC 3600. Программный код, использованный для расчетов, лег в основу многих последующих программ.
Верле (Loup Verlet) вычислил в 1967 году фазовую диаграмму аргона, используя потенциал Леннарда-Джонса, и смоделировал корреляционные функции, чтобы проверить теорию жидкого состояния. В своей работе он разработал процедуру сохранения вычислительных ресурсов, ныне известную, как «Verlet neighbor list», а также предложил новый метод численного интегрирования уравнений движения.
Среди отечественных специалистов в данной области можно назвать следующих персон:
Николай Кириллович Балабаев, Лаборатория молекулярной динамики, Институт математических проблем биологии РАН;
Шайтан Константин Вольдемарович, профессор биофака МГУ, кафедры биофизики.
А также пишут диссертации на сопряженные темы:
Ли Аньбан, «Молекулярная динамика ионного канала никотинового ацетилхолинового рецептора», специальность 03.00.02 - биофизика (к.ф.-м.н.).
Терёшкина Ксения Борисовна, «Молекулярная динамика пептидных структур и функционирование ионного канала глицинового рецептора», специальность 03.00.02 - биофизика (к.ф.-м.н.), защита состоялась 1 июня 2006 г.
Михайлюк Максим Григорьевич, «Молекулярная динамика элементов вторичной структуры и пространственно-временные корреляции атомных групп в белках», специальность 03.00.02 - биофизика (к.ф.-м.н.).
Основные положения метода.
Ограничения применимости метода.
Метод молекулярной динамики применим, если длина волны Де Бройля атома (или частицы) много меньше чем межатомное расстояние.
Также классическая молекулярная динамика не применима для моделирования систем состоящих из легких атомов, таких как гелий или водород. Кроме того, при низких температурах квантовые эффекты становятся определяющими и для рассмотрения таких систем необходимо использовать квантово-химические методы. Необходимо, чтобы времена, на которых рассматривается поведение системы, были больше чем время релаксации исследуемых физических величин.
Временные и пространственные параметры исследуемых систем.
Метод классической (полноатомной) молекулярной динамики позволяет с использованием современных ЭВМ рассматривать системы, состоящие из десятков тысяч атомов на временах порядка сотен наносекунд. Применение других подходов (тяжело-атомные, крупнозернистые (coarse-grained) модели) позволяет увеличить шаг интегрирования и тем самым увеличить доступное для наблюдения время до порядка микросекунд.
Применение метода.
Изначально разработанный в теоретической физике, метод молекулярной динамики получил большое распространение в науке о веществе и, начиная с 1970х годов в биохимии и биофизике. Он играет важную роль в определении структуры белка и уточнении его свойств (см. также кристаллография, ЯМР). Взаимодействие между объектами может быть описано силовым полем (классическая молекулярная динамика), квантово-химической моделью или смешанной теорией, содержащей элементы двух предыдущих (QM/MM - quantum mechanics/molecular mechanics).
Наиболее популярными пакетами программного обеспечения для моделирования динамики биологических молекул являются: AMBER, CHARMM (и коммерческая версия CHARMm), GROMACS, GROMOS, и NAMD.
Источники.
Метод классической молекулярной динамики [электронный документ] Режим доступа: