  在分子動(dòng)力學(xué)中，分子被描述為一系列帶電的點(diǎn)（原子），通過化學(xué)鍵相互連接。 為了描述鍵長、鍵角、扭轉(zhuǎn)角的時(shí)間演化，以及原子之間的非鍵范德華力和靜電相互作用, 人們使用力場來描述這些參數(shù)，力場通過參數(shù)化這些能量項(xiàng)的公式和常數(shù)，將原子之間的相互作用轉(zhuǎn)化為力和能量的數(shù)學(xué)表示。這些參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、量子化學(xué)計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)擬合等方法獲得。 通過力場，可以計(jì)算分子系統(tǒng)中原子之間的相互作用力，從而模擬分子的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)行為。力場在分子模擬和計(jì)算化學(xué)研究中起著重要的作用，能夠預(yù)測分子的構(gòu)象、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理等重要信息。不同的力場可能適用于不同類型的分子和研究問題，選擇合適的力場對(duì)于獲得準(zhǔn)確和可靠的模擬結(jié)果至關(guān)重要。 分子動(dòng)力學(xué)力場通常由以下文件組成： 1. 參數(shù)文件（Parameter files）：參數(shù)文件包含了力場所需的參數(shù)信息，如原子質(zhì)量、電荷、鍵長、鍵角、二面角等。這些參數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、量子力學(xué)計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)擬合獲得的。 2. 拓?fù)湮募═opology files）：拓?fù)湮募x了分子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括原子之間的連接方式、鍵類型、鍵長、鍵角等信息。它通常與參數(shù)文件一起使用。 3. 勢能函數(shù)文件（Potential function files）：勢能函數(shù)文件包含了力場所使用的勢能函數(shù)的具體形式和參數(shù)。它定義了鍵能、角能、二面角能和非鍵相互作用能的計(jì)算方式。 4. 輸入文件（Input files）：輸入文件是包含了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)文件和模擬參數(shù)的文件。它指定了模擬的起始結(jié)構(gòu)、模擬步長、溫度等參數(shù)，并指定使用的力場和相應(yīng)的文件。 勢能函數(shù)在分子動(dòng)力學(xué)力場中由幾個(gè)主要的組成部分構(gòu)成： 1. 鍵能（Bond Energy）：描述共價(jià)鍵的能量。它基于鍵的長度和鍵的彈性常數(shù)來計(jì)算，用于模擬原子之間的共價(jià)鍵振動(dòng)。 2. 角能（Angle Energy）：描述角度的能量。它基于角度的大小和角度的彈性常數(shù)來計(jì)算，用于模擬原子之間的鍵角變化。 3. 二面角能（Dihedral Energy）：描述二面角（扭轉(zhuǎn)角）的能量。它基于二面角的大小和周期性函數(shù)來計(jì)算，用于模擬原子之間的扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)。 4. 非鍵相互作用能（Nonbonded Interaction Energy）：描述非共價(jià)相互作用的能量，包括靜電相互作用和范德華力。它通常由庫侖勢和范德華勢來表示，用于模擬原子之間的靜電吸引和排斥以及范德華力的作用。 - 庫侖勢能（Coulombic Potential）：用于描述帶電粒子之間的靜電相互作用。它與電荷之間的距離成反比，通過庫侖常數(shù)和電荷值來計(jì)算。 - 范德華勢能（Van der Waals Potential）：用于描述非極性相互作用，如范德華力。它基于原子之間的距離和范德華力常數(shù)來計(jì)算，通常采用Lennard-Jones勢函數(shù)或其修正形式。  Ubond=共價(jià)震動(dòng)能量 Uangle=三個(gè)原子組成的鍵角震動(dòng)能量 Udihedrals=四個(gè)原子組成的二面角旋轉(zhuǎn)勢能 Unonbond=非鍵相互作用能量，包括靜電相互作用和范德華勢能； 原子之間的鍵結(jié)相互作用：  鍵長與鍵能之間的相互關(guān)系如下圖所示:
鍵角和不當(dāng)角（improper terms）具有類似的二次形式，但彈性系數(shù)較小。這些力常數(shù)可以通過分子的振動(dòng)分析獲得。 二面角勢能與二面角大小的相互關(guān)系如下圖所示：  其中n表示是周期性項(xiàng)的整數(shù)值，表示旋轉(zhuǎn)的周期性； 靜電勢能和原子之間距離的關(guān)系下圖所示：
范德華勢能和距離的相互關(guān)系如下圖所示：  下面是一些常見的分子動(dòng)力學(xué)力場文件： 1. AMBER力場：AMBER（Assisted Model Building with Energy Refinement）力場是廣泛應(yīng)用的力場之一。它提供了多個(gè)版本，如AMBER94、AMBER99和AMBER ff03等。AMBER力場主要用于蛋白質(zhì)和核酸的模擬研究。 2. CHARMM力場：CHARMM（Chemistry at Harvard Molecular Mechanics）力場是另一個(gè)常用的力場。它包括多個(gè)版本，如CHARMM22和CHARMM36等。CHARMM力場廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)和碳水化合物等生物分子的模擬。 3. GROMOS力場：GROMOS（Groningen Molecular Simulation）力場是由Groningen大學(xué)開發(fā)的力場。它適用于溶液中的生物分子模擬，并提供了多個(gè)版本，如GROMOS53A6和GROMOS96等。 4. OPLS力場：OPLS（Optimized Potentials for Liquid Simulations）力場是用于液體模擬的力場。它提供了多個(gè)版本，包括OPLS-AA（全原子力場）和OPLS-UA（United Atom力場）。OPLS力場廣泛應(yīng)用于脂質(zhì)、多肽和蛋白質(zhì)等系統(tǒng)的模擬。 5. AMBER-ff系列力場：AMBER-ff（AMBER Force Field）系列力場是AMBER力場的衍生版本，針對(duì)特定類別的分子進(jìn)行了參數(shù)化。例如，AMBER-ff99SB力場專門用于蛋白質(zhì)模擬，而AMBER-ff99SB-ILDN力場用于蛋白質(zhì)折疊和去折疊的模擬。 這些力場文件通常以特定的格式（如AMBER格式、CHARMM格式或GROMOS格式）存儲(chǔ)，并包含描述分子的拓?fù)湫畔⒑拖嗷プ饔脜?shù)。此外，還有其他一些力場，如MMFF（Merck Molecular Force Field）、UFF（Universal Force Field）等，它們適用于小分子和藥物化學(xué)等領(lǐng)域的模擬研究。 參考資料： https://www.ks./Training/Workshop/Boston/emad_lecture 關(guān)注我獲得 |
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