Химия в Гарвардской макромолекулярной механике ( CHARMM ) — это название широко используемого набора силовых полей для молекулярной динамики , а также название связанного с ними компьютерного пакета программного обеспечения для моделирования и анализа молекулярной динамики . [3] [4] [5] В проекте развития CHARMM участвует всемирная сеть разработчиков, работающих с Мартином Карплюсом и его группой в Гарварде над разработкой и поддержкой программы CHARMM. Лицензии на это программное обеспечение доступны за определенную плату людям и группам, работающим в научных кругах.
Силовые поля CHARMM для белков включают: CHARMM19 с единым атомом (иногда называемый расширенным атомом ), [6] полноатомный CHARMM22 [7] и его вариант CHARMM22/CMAP с исправленным диэдрическим потенциалом, а также более поздние версии CHARMM27 и CHARMM36 и различные модификации. например CHARMM36m и CHARMM36IDPSFF. [8] В силовом поле белка CHARMM22 парциальные заряды атомов были получены на основе квантово-химических расчетов взаимодействий между модельными соединениями и водой. Кроме того, CHARMM22 параметризован для явной модели воды TIP3P . Тем не менее, его часто используют с неявными растворителями . В 2006 году специальная версия CHARMM22/CMAP была повторно параметризована для совместного использования с неявным растворителем GBSW. [9]
Силовое поле CHARMM22 имеет следующую функцию потенциальной энергии: [7] [10]
Связующие, угловые, двугранные и несвязанные термины аналогичны тем, которые встречаются в других силовых полях, таких как ЯНТАРНЫЙ . Силовое поле CHARMM также включает неправильный термин, учитывающий изгиб вне плоскости (который применяется к любому набору из четырех атомов, которые не связаны последовательно), где – силовая константа, а – угол выхода из плоскости. Термин Юри-Брэдли представляет собой перекрестный термин, который учитывает 1,3 несвязанных взаимодействия, не учитываемых связующими и угловыми членами; – силовая константа и – расстояние между 1,3 атомами.
Для ДНК , РНК и липидов используется CHARMM27 [11] . Некоторые силовые поля можно комбинировать, например CHARMM22 и CHARMM27, для моделирования связывания белка с ДНК. Также можно загрузить параметры НАД+, сахаров, фторированных соединений и т. д. Эти номера версий силового поля относятся к версии CHARMM, в которой они впервые появились, но, конечно, могут использоваться с последующими версиями исполняемой программы CHARMM. Аналогично, эти силовые поля могут использоваться в других программах молекулярной динамики, которые их поддерживают.
В 2009 году было введено общее силовое поле для молекул, подобных лекарствам (CGenFF). Он «охватывает широкий спектр химических групп, присутствующих в биомолекулах и молекулах, подобных лекарствам, включая большое количество гетероциклических каркасов». [12] Общее силовое поле рассчитано на любую комбинацию химических групп. Это неизбежно сопровождается снижением точности представления любого конкретного подкласса молекул. На веб-сайте Маккерелла пользователей неоднократно предупреждают не использовать параметры CGenFF для молекул, для которых уже существуют специализированные силовые поля (как упоминалось выше для белков, нуклеиновых кислот и т. д.).
CHARMM также включает поляризуемые силовые поля, используя два подхода. Один из них основан на модели флуктуирующего заряда (FQ), также называемой уравнением зарядового равновесия (CHEQ). [13] [14] Другой основан на оболочке Друде или модели дисперсионного осциллятора. [15] [16]
Параметры всех этих силовых полей можно бесплатно загрузить с сайта Mackerell. [17]
Программа CHARMM позволяет создавать и анализировать широкий спектр молекулярных моделей. Самыми основными видами моделирования являются минимизация заданной структуры и прогонов траектории молекулярной динамики. Более продвинутые функции включают возмущение свободной энергии (FEP), оценку квазигармонической энтропии, корреляционный анализ и комбинированные квантовые и квантово - молекулярные методы ( QM/MM ).
CHARMM — одна из старейших программ по молекулярной динамике. В нем накопилось множество функций, некоторые из которых дублируются по нескольким ключевым словам с небольшими вариациями. Это неизбежный результат работы множества точек зрения и групп, работающих над CHARMM по всему миру. Файл журнала изменений и исходный код CHARMM — хорошие места для поиска имен и связей основных разработчиков. Участие и координация со стороны группы Чарльза Л. Брукса III в Мичиганском университете весьма значительны.
Примерно в 1969 году появился значительный интерес к разработке функций потенциальной энергии для малых молекул. CHARMM зародился в группе Мартина Карплюса в Гарварде. Карплюс и его тогдашний аспирант Брюс Гелин решили, что настало время разработать программу, которая позволила бы взять заданную аминокислотную последовательность и набор координат (например, из рентгеновской структуры) и использовать эту информацию для вычислить энергию системы как функцию положений атомов. Карплюс признал важность внесения существенного вклада в разработку (в то время безымянной) программы, в том числе:
В 1980-х годах наконец появилась газета, и CHARMM дебютировал публично. Программа Гелина к тому времени была существенно реструктурирована. Для публикации Боб Брукколери придумал название HARMM (HARvard Macromolecular Mechanics), но оно показалось неуместным. Поэтому они добавили тройку по химии. Карплюс сказал: « Иногда я задаюсь вопросом, послужило ли первоначальное предложение Брукколери полезным предупреждением для неопытных ученых, работающих с программой » .
Общий синтаксис использования программы:
charmm -i filename.inp -o filename.out
![{\displaystyle {\begin{aligned}V=&\sum _{bonds}k_{b}(b-b_{0})^{2}+\sum _{углы}k_{\theta }(\theta - \theta _{0})^{2}+\sum _{двугранники}k_{\phi }[1+cos(n\phi -\delta )]\\&+\sum _{неправильные}k_{\omega }(\omega -\omega _{0})^{2}+\sum _{Ури-Брэдли}k_{u}(u-u_{0})^{2}\\&+\sum _{несвязанный }\left(\epsilon _{ij}\left[\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{12}-2\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{6}\right]+{\frac {q_{i}q_{j}}{\epsilon _{r}r_{ij }}}\right)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/09e5c019fc57d6f6cffe178ae7ff7ef4b27d81de)
charmm– Имя программы (или сценария, который запускает программу) в используемой компьютерной системе.filename.inp– Текстовый файл, содержащий команды CHARMM. Он начинается с загрузки молекулярных топологий (вверху) и силового поля (пар). Затем загружаются декартовы координаты молекулярных структур (например, из файлов PDB). Затем можно модифицировать молекулы (добавляя водороды, изменяя вторичную структуру). Раздел вычислений может включать в себя минимизацию энергии, создание динамики и инструменты анализа, такие как корреляции движения и энергии.filename.out– Файл журнала запуска CHARMM, содержащий отображаемые команды и различные объемы вывода команд. Уровень выходной печати в целом можно увеличивать или уменьшать, а такие процедуры, как минимизация и динамика, имеют характеристики частоты распечатки. Значения температуры, энергетического давления и т. д. выводятся на этой частоте.Docking@Home , организованный Университетом Делавэра, один из проектов, использующих платформу с открытым исходным кодом для распределенных вычислений , BOINC , использовал CHARMM для анализа атомных деталей взаимодействий белок-лиганд с точки зрения моделирования молекулярной динамики (MD) и минимизации.
World Community Grid , спонсируемая IBM, запустила проект под названием The Clean Energy Project [19] , в котором также использовалась CHARMM на своей первой стадии, которая уже завершилась.
{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )