Задание начальных координат и скоростей

Уравнения движения Ньютона требуют два начальных параметра для каждой степени свободы для того, чтобы начать вычисления. Эти два начальных параметра - набор начальных координат и набор начальных скоростей [5, 8, 16].

Начальные координаты

Начальные координаты обычно получаются из экспериментально определенной молекулярной структуры (методами рентгеновской кристаллографии или ядерного магнитного резонанса) или могут быть основаны на различных компьютерных моделях.

Данные, полученные с помощью эксперимента, прежде чем они будут использованы как начальные структуры в динамическом моделировании, должны подготавливаться для моделирования. Методом рентгеновской кристаллографии невозможно определить положения атомов водорода. Поэтому эти координаты должны быть добавлены к начальной структуре перед началом моделирования. Также бывают случаи, когда целые части белка отсутствуют в экспериментально определенной структуре, вследствие наличия в цепи белка гибких частей молекул, которые не дают четкой структуры, или из-за того, что они были преднамеренно удалены, чтобы облегчить процесс кристаллизации. Эти промежутки могут быть заполнены смоделированными структурами.

Перед самым началом моделирования все координаты пересчитываются для минимизации энергии модели. Минимизация энергии должна уменьшить локальные напряжения несвязанных взаимодействий, релаксировать длину связи и искажения углов связей в экспериментальной структуре. Происхождение этих напряжений связано с эмпирическим характером функции энергии при моделировании методом молекулярной динамики, а также из-за усреднения при получении экспериментальной кривой [10, 15, 17, 20, 30].

Начальные скорости

Начальные скорости, в отличие от начальных координат, не могут быть получены экспериментально. Единственная информация доступная относительно атомных скоростей - это температура системы Г, которая определяет скоростное распределение. Начальные скорости обычно определяются из стандартного распределения Максвелла при абсолютной температуре:

Ж)

  • 2 mi^i
  • 2кТ ?
  • (1.22)

где к - постоянная Больцмана.

Это назначение скоростей неравновесное: скорости соседних атомов не коррелированны. Например, связанные между собой атомы могут двигаться в противоположных направлениях. Также случайным образом какая-либо группа атомов при назначении может получить высокие скорости, в результате получится «горячая точка», вызвав нестабильность в моделировании. Для преодоления этой проблемы скорости сначала назначают при низкой температуре, которую увеличивают, когда происходит динамическая релаксация системы. Нагревание происходит до тех пор, пока не достигается нужная температура моделирования. Нагревание на практике выполняется увеличением скорости атомов: повторно назначая скорости из распределения Максвелла при поднятой температуре или умножая скорости на одинаковый коэффициент. Температуру можно определить из кинетической энергии системы:

Т(/) =

1

(1.23)

где Ndof - число степеней свободы системы,

Ndof=3N-n ,

(1.24)

где N — число атомов, «-число ограничений.

Другая проблема, связанная с начальным распределением скоростей -это большая величина полного импульса Р и полного момента импульса L молекулы. Эти импульсы приводят к перемещению центра масс и глобальному вращению молекулы, затеняя малые внутренние движения, что снижает эффективность моделирования. Поэтому эти импульсы периодически обнуляют в процессе моделирования [5, 20, 22].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >