¿CÓMO HACER MODELOS COMPUTACIONALES DE

¿CÓMO HACER MODELOS
COMPUTACIONALES DE MOLÉCULAS?
(Introducción al Modelado Molecular)
Silvano J. SFERCO
INTEC (CONICET-UNL) y FBCB, UNL
Ciclo: Modelado Molecular y Software Libre
FIQ, UNL, 20 agosto 2008
¿Qué significa hacer un modelo de una molécula?
• Poder decir como están unidos los átomos
conectividad
•
Configuración de la molécula
Poder entender y predecir su forma tridimensional
Distancias de enlace, ángulos de enlace, ángulos diedros, etc
Conformación de la molécula
Modelo “mecánico” de bolas y palitos
Ejemplo: Estructura del ADN por J.Watson y F.Crick
La interesante historia del descubrimiento de la estructura del ADN:
La Doble Hélice, James D. Watson
Editorial Alianza, 2000
Algunas representaciones del ADN, algo mas modernas:
hyperchem
Programa: HyperChem
Desarrollado por HYPERCUBE, Inc.
Última versión: 8.0
http://www.hyper.com
Ventajas:
• Excelente interfase gráfica
• Muy bueno para docencia
• Permite “construir” moléculas
• Visualiza y calcula estructuras y propiedades
Desventajas:
• Hay que pagar para usarlo
• Sólo para Windows
• No muy bueno en cálculos para investigación
VMD
Programa: VMD (Visual Molecular Dynamics)
Desarrollado por
Theoretical and Computational Biophysics Group
University of Illinois at Urbana-Champaign
Última versión: 1.8.6
http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
Ventajas:
• Excelente interfase gráfica
• Muy bueno para enseñanza e investigación
• Gratis, tanto para Linux como para Windows
• Apropiado para macromoléculas y Dinámica Molecular
Desventajas:
• Básicamente visualizador
• No muy bueno para moléculas pequeñas
Para linux, existe un programa que se llama:
GABEDIT: (http://gabedit.sourceforge.net/)
Diferencia de densidades (Abdulrahman Allouche)
ƒConstruye y visualiza moléculas
ƒInterfase con buenos
programas cuánticos
Para visualizar es necesario tener
un archivo con las coordenadas de los átomos
(en un formato que nuestro programa visualizador entienda)
(Extracto del archivo de coordenadas del ADN mostrado antes, en formato PDB)
ATOM 485
ATOM 486
ATOM 487
ATOM 488
ATOM 489
ATOM 490
ATOM 491
ATOM 492
ATOM 493
CONECT 1
CONECT 2
CONECT 3
CONECT 4
CONECT 5
CONECT 0
CONECT 0
CONECT 6
CONECT 0
CONECT 7
CONECT 8
C5M T
C4 T
O4 T
N3 T
C2 T
O2 T
C3* T
C2* T
O3* T
2 3
1
1
1 5
4 6
5
5
5 7
6
6 8
7 12
12
12
12
12
12
12
12
12
12
4
9
10
9.310
8.785
7.571
9.274
10.634
11.090
15.174
13.876
15.965
1.740 -10.881
1.957 -8.431
1.872 -8.607
2.235 -7.059
2.276 -6.829
2.500 -5.720
2.113 -8.405
1.308 -8.326
1.753 -7.282
Pero,
¿de dónde sacamos el archivo de coordenadas de la molécula?
Bases de datos experimentales:
difracción de rayos X, difracción de neutrones, NMR, etc
Moléculas pequeñas:
•Cambridge Structural Database (CSD)
(http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/csd/)
Problema: hay que pagar para usarla
Sin embargo, tienen un muy buen programa gratis !
para visualizar estructuras cristalinas
Mercury: http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/mercury/
The CSD does not store:
* Polypeptides and polysaccharides having more than 24 units.
(Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb/ )
* Oligonucleotides.
(Nucleic Acids Data Bank http://ndbserver.rutgers.edu/)
* Inorganic structures,
(Inorganic Crystal Structure Database
http://www.fiz-karlsruhe.de/icsd_content.html )
* Metals and Alloys,
(CRYSTMET http://www.tothcanada.com/)
Base de Datos alternativa:
Crystallography Open Database (COD)
(http://www.crystallography.net/)
Gratis, pero no tan completa.
Si no hay información experimental de la estructura,
podemos hacer un modelo teórico a partir
de los átomos que forman la molécula
Mecánica Cuántica:
Sistema: núcleos y electrones
interactuando con la interacción de Coulomb
Mecánica Clásica:
Sistema: iones puntuales
interactuando a través de interacciones efectivas
(Campo de Fuerzas)
Mecánica Cuántica
Ejemplo: etanol
Hyperchem
Mecánica Cuántica
Teoría que habría que usar !!
• Solución numérica (la precisión la elijo yo)
• Los cálculos son a posiciones fijas de los núcleos
• Cálculos a T = 0K
• Para moléculas grandes, computacionalmente
muy costoso.
Mecánica Cuántica
Permite calcular:
Orbitales Moleculares, y con éstos, la Densidad de Carga
o sea, la distribución espacial de los electrones
(permite la identificación de los enlaces químicos)
Distribución en energías de los electrones
o sea, las energías de los orbitales moleculares
(permite entender transiciones en espectroscopía uv-vis)
Energía Total mínima
estructura estable
(permite entender y comparar estructuras moleculares)
Energía: vista como un “paisaje”, en función de
las coordenadas atómicas
Tipos de cálculos posibles:
Single Point: coordenadas de los núcleos fijas
Calcula Energía Total y otras propiedades de la molécula
Energía Total = cte
Geometry Optimization (o Energy Minimization):
Algoritmo numérico que modifica las coordenadas
de lo núcleos, hasta encontrar
el mínimo local mas cercano de Energía Total.
Energía Total: cambia hasta tomar el valor
del mínimo local mas cercano
Single Point
y
Geometry Optimization
se usan tanto en
cálculos cuánticos (Quantum Mechanics, QM),
como en
cálculos clásicos (Molecular Mechanics, MM)
Energía Total es constante, o disminuye hasta
el valor del mínimo local mas cercano.
Es decir,
no sirven para saltar barreras de potencial
Para saltar barreras de potencial
hay que “prender” la temperatura
T ≠ 0K
Cálculos clásicos (MM):
Cálculos cuánticos (QM):
Dinámica Molecular
Dinámica Molecular
(Molecular Dynamics, MD)
(Car-Parrinello Molecular Dynamics, CPMD)
Monte Carlo
Monte Carlo
(MC)
(Quantum Monte Carlo, QMC)
Cálculos clásicos:
Dinámica Molecular y Monte Carlo, basados en algún
Campo de Fuerzas
Campo de Fuerzas: interacciones efectivas
entre los átomos:
Para moléculas orgánicas pequeñas:
MM2, MM3, MM4 Force Field
Allinger's MM Res Lab:
http://europa.chem.uga.edu/
Dinámica Molecular: resuelve las ecuaciones de
Newton para cada átomo en función del tiempo
Monte Carlo: cambia las coordenadas atómicas al azar
Si se buscan estructuras estables:
minimización de energías al final
Buenos métodos para calcular valores medios:
Ej, valores de propiedades termodinámicas
MD, rt-hTERT
También se pueden calcular
los modos normales de vibración de una molécula
(relacionados con el
espectro vibracional o espectro IR
de la molécula)
Ejemplo: molécula de benceno
Ciencia de Materiales computacional
• propiedades del bulk
•Superficies
•Adsorción de moléculas, etc
nanoparticulas
Sólidos cristalinos - Superficies
Gran número de átomos: es necesario hacer modelos !
Modelos usuales:
Periódico (cristalino): celda primitiva,
Con condiciones periódicas de contorno.
(Métodos de la Física del Estado Sólido)
Local (cluster): trozo del material.
Equivale a una molécula
(métodos de química cuántica)
Hay que elegir la aproximación computacional apropiada:
• Density Functional Theory (DFT)
• Quantum Chemistry (QC) Methods
Periódico
El material está bastante
bien representado
versus
Local
El material está
pobremente representado
Modelo periódico
•Ideal para propiedades de volúmen del sólido
•Se pueden simular superficies (slabs)
•Se pueden simular defectos (superceldas)
•Se aprovecha la “artillería” numérica desarrollada
para sólidos cristalinos
Modelo periódico
Ejemplos de propiedades extendidas (o no locales)
• Energías de chemisorción.
• Constantes elásticas
• Efectos de recubrimiento
• Interacciones de largo alcance
• Efectos colectivos
• Propiedades del espacio k: patrones de difracción
• Espectroscopía de banda de valencia
Modelo periódico
Existen códigos de cálculo muy eficientes:
WIEN2K: FP-(L)APW+lo method (http://www.wien2k.at)
VASP: Vienna ab-initio Simulation Package
(http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/)
CPMD: Car-Parrinello Molecular Dynamics
(http://www.cpmd.org/)
QUANTUM EXPRESSO: Plane Waves and Pseudopotential DFT code
(http://www.quantum-espresso.org/)
DACAPO: ab-initio pseudopotential code
(http://dcwww.camd.dtu.dk/campos/epydoc/Dacapo/index.html)
GAUSSIAN: (http://www.gaussian.com/)
CRYSTAL: (http://www.crystal.unito.it/)
Modelo periódico
Ventajas:
• Muy buen control sobre el modelo.
• Eficiencia computacional
Desventajas:
• Sólo aplicable con Density Functional Theory (DFT)
• Tratamiento difícil de efectos magnéticos
• Aplicable, en principio, sólo para el estado fundamental
(T = 0K y no para estados excitados)
Modelo Local o de Clusters
Adecuado para propiedades locales de sistemas extendidos
Algunos ejemplos:
• Geometría de especies adsorbidas.
• Espectros XPS e IR de especies adsorbidas.
• Transiciones d → d
• Transiciones espectroscópicas de defectos (centros F).
• Acoplamientos magnéticos
Modelo Local o de Clusters
Ventajas:
• Fenómenos interpretados en términos químicos
• Buena predicción de propiedades locales
• Permite el uso de los métodos mas sofisticados de
Química Cuántica (post Hartree-Fock)
Desventajas:
• Efectos de bordes (se resuelve con embedding method)
• Convergencia respecto del tamaño del cluster
• Representación limitada de bandas anchas de energías
Aproximación computacional:
™ Hartree-Fock
Ab-initio (bases gaussianas)
Semiempíricos
™ Density Functional Theory
all electron o pseudopotenciales
™ Métodos post Hartree-Fock
Configuration Interaction (CI)
Møller-Plesset Perturbation Theory (MP2)
Coupled Cluster (CC)
Multi Configurational SCF (MCSCF)
™ Métodos QM/MM
Muy buenos links en la wikipedia:
ƒ Quantum Chemistry Computer Programs:
(http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_chemistry_computer_programs)
ƒ Semi-empirical Quantum Chemistry Methods:
(http://en.wikipedia.org/wiki/Semi-empirical_quantum_chemistry_methods)
ƒ Computational chemical methods in solid state physics:
(http://en.wikipedia.org/wiki/
Computational_chemical_methods_in_solid_state_physics)
ƒ Density Functional Theory Programs:
(http://en.wikipedia.org/wiki/
Density_functional_theory#Software_supporting_DFT)
ƒ Software for Molecular Mechanics modeling:
http://en.wikipedia.org/wiki/
Software_for_molecular_mechanics_modeling
¿Windows o linux?
Docencia: hay buenos programas en Windows y en linux
Investigación: prácticamente todos en linux
(excepto el Gaussian, que corre tanto en
Windows como en linux)
¿Windows o linux?
El “armado” de moléculas, así como casi todos
los cálculos cuánticos se pueden hacer en linux
utilizando el programa
GABEDIT (http://gabedit.sourceforge.net/)
o Los cálculos de Dinámica Molecular se pueden realizar
con:
GROMACS: (http://www.gromacs.org/)
NAMD: (http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/)
o Los cálculos de Monte Carlo se pueden realizar con:
TINKER: (http://dasher.wustl.edu/tinker/)
LiveCDs
The LiveCD List: http://www.frozentech.com/content/livecd.php
LiveCDs para Modelado Molecular:
VigyaanCD: http://public.vigyaancd.planetmirror.com
LiveCD del curso Modelado Molecular – FBCB, UNL
(Gabedit, PyMOL, Tinker, VMD, XmGrace, SPDBV)
Gracias a Fernando Chekirdimian !!
Pueden copiarlo si quieren !
Una copia en pdf de esta charla está a disposición de ustedes
Muchas Gracias !