Химия в Гарварде Макромолекулярная механика ( CHARMM ) — это название широко используемого набора силовых полей для молекулярной динамики , а также название пакета компьютерного программного обеспечения для моделирования и анализа молекулярной динамики, связанного с ними. [3] [4] [5] Проект разработки CHARMM включает в себя всемирную сеть разработчиков, работающих с Мартином Карплусом и его группой в Гарварде для разработки и поддержки программы CHARMM. Лицензии на это программное обеспечение доступны за плату людям и группам, работающим в академической среде.
Силовые поля CHARMM для белков включают: объединенный атом (иногда называемый расширенным атомом ) CHARMM19, [6] все атомы CHARMM22 [7] и его вариант с поправкой на двугранный потенциал CHARMM22/CMAP, а также более поздние версии CHARMM27 и CHARMM36 и различные модификации, такие как CHARMM36m и CHARMM36IDPSFF. [8] В силовом поле белка CHARMM22 атомные парциальные заряды были получены из квантово-химических расчетов взаимодействий между модельными соединениями и водой. Кроме того, CHARMM22 параметризован для явной модели воды TIP3P . Тем не менее, он часто используется с неявными растворителями . В 2006 году специальная версия CHARMM22/CMAP была перепараметризована для последовательного использования с неявным растворителем GBSW. [9]
Силовое поле CHARMM22 имеет следующую функцию потенциальной энергии: [7] [10]
Термины связи, угла, двугранного угла и несвязанных элементов аналогичны терминам, встречающимся в других силовых полях, таких как AMBER . Силовое поле CHARMM также включает в себя несобственный элемент, учитывающий изгиб вне плоскости (который применяется к любому набору из четырех атомов, которые не связаны последовательно), где — силовая константа, а — угол вне плоскости. Член Юри-Брэдли — это перекрестный элемент, учитывающий 1,3-несвязанные взаимодействия, не учитываемые терминами связи и угла; — силовая константа, а — расстояние между 1,3-атомами.
Для ДНК , РНК и липидов используется CHARMM27 [11] . Некоторые силовые поля могут быть объединены, например CHARMM22 и CHARMM27 для моделирования связывания белка с ДНК. Также могут быть загружены параметры для NAD+, сахаров, фторированных соединений и т. д. Эти номера версий силовых полей 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). Оно «охватывает широкий спектр химических групп, присутствующих в биомолекулах и молекулах, подобных лекарствам, включая большое количество гетероциклических структур». [12] Общее силовое поле предназначено для охвата любой комбинации химических групп. Это неизбежно приводит к снижению точности представления любого конкретного подкласса молекул. На веб-сайте Mackerell 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 основан на модели флуктуирующего заряда (FQ), также называемой уравновешиванием заряда (CHEQ). [13] [14] Другой основан на оболочке Друде или модели дисперсионного осциллятора. [15] [16]
Параметры всех этих силовых полей можно бесплатно загрузить с веб-сайта Mackerell. [17]
Программа CHARMM позволяет генерировать и анализировать широкий спектр молекулярных симуляций. Самые основные виды симуляции — это минимизация заданной структуры и производственные циклы траектории молекулярной динамики. Более продвинутые функции включают возмущение свободной энергии (FEP), оценку квазигармонической энтропии, корреляционный анализ и комбинированные квантовые и квантово-механические — молекулярные ( QM/MM ) методы.
CHARMM — одна из старейших программ для молекулярной динамики. Она накопила множество функций, некоторые из которых дублируются под несколькими ключевыми словами с небольшими вариациями. Это неизбежный результат множества точек зрения и групп, работающих над CHARMM по всему миру. Файл журнала изменений и исходный код CHARMM — хорошие места для поиска имен и аффилированности основных разработчиков. Участие и координация со стороны группы Чарльза Л. Брукса III в Мичиганском университете бросаются в глаза.
Около 1969 года возник значительный интерес к разработке функций потенциальной энергии для малых молекул. CHARMM возникла в группе Мартина Карплуса в Гарварде. Карплус 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 расчета энергии системы как функции атомных положений. Карплус признал важность основных вкладов в разработку (в то время безымянной) программы, включая:
В 1980-х годах, наконец, появилась статья, и CHARMM дебютировала публично. К тому времени программа Гелина была значительно реструктурирована. Для публикации Боб Брукколери придумал название HARMM (HARvard Macromolecular Mechanics), но оно показалось неподходящим. Поэтому они добавили C для Chemistry. Карплус сказал: « Иногда я задаюсь вопросом, послужило ли бы первоначальное предложение Брукколери полезным предупреждением неопытным ученым, работающим с программой » . [18] CHARMM продолжала расти, и последний выпуск исполняемой программы был сделан в 2015 году как CHARMM40b2.
Общий синтаксис использования программы:
charmm -i filename.inp -o filename.out
![{\displaystyle {\begin{aligned}V=&\sum _{связей}k_{b}(b-b_{0})^{2}+\sum _{углов}k_{\theta }(\theta -\theta _{0})^{2}+\sum _{двугранных углов}k_{\phi }[1+cos(n\phi -\delta )]\\&+\sum _{несобственных}k_{\omega }(\omega -\omega _{0})^{2}+\sum _{Юри-Брэдли}k_{u}(u-u_{0})^{2}\\&+\sum _{несвязанных}\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{align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/09e5c019fc57d6f6cffe178ae7ff7ef4b27d81de)
charmm– Имя программы (или скрипта, который запускает программу) в используемой компьютерной системе.filename.inp– Текстовый файл, содержащий команды CHARMM. Он начинается с загрузки топологии молекул (сверху) и силового поля (par). Затем загружаются декартовы координаты молекулярных структур (например, из файлов PDB). Затем можно модифицировать молекулы (добавление водородов, изменение вторичной структуры). Раздел расчета может включать минимизацию энергии, производство динамики и инструменты анализа, такие как корреляции движения и энергии.filename.out– Файл журнала для запуска CHARMM, содержащий эхо-команды и различные объемы вывода команд. Уровень вывода печати может быть увеличен или уменьшен в целом, а такие процедуры, как минимизация и динамика, имеют спецификации частоты печати. Значения температуры, давления энергии 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 и минимизации молекулярной динамики (МД).
World Community Grid , спонсируемая IBM, запустила проект под названием The Clean Energy Project [19] , в котором также использовался CHARMM на первом этапе, который уже завершен.
{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )