![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
Методы учета окружения
Dec. 6th, 2015 10:56 pmЯ помню, что должна была написать, как расшифровывать выдачу спин-орбитального расчета. Но это реально тяжкий труд -- настолько эта выдача запутана. Сейчас же возникла необходимость (собс-но, она давно была, просто руки дошли) написать про различные методы учета окружения. Как-то я писала про довольно экзотический способ работы с окружением, а сейчас -- про наиболее типичные, те, к-рыми пользуюсь сама.
Окружение молекулы можно учитывать либо в модели непрерывной поляризуемой среды (Polarizable Continuum Model, PCM) с главным параметром -- диэлектрической проницаемостью, либо в разных дискретных моделях. PCM хороша тем, что (1) дешевая, (2) поляризуемая, причем самосогласование поляризации среды и исследуемой молекулы стОит недорого и делается на уровне ССП (в MP2 и CC есть свои особенности, я в них не вдавалась, но по крайней мере знаю где посмотреть про это). Недостатки PCM состоят в том, что она (1) параметризуется эмпирически, (2) не учитывает специфическую сольватацию. Т.е., для неполярных растворителей годится, для полярных апротонных -- худо-бедно, по всякому бывает, для протонных фигово. Можно сделать гибрид: насовать несколько живых молекул растворителя и окружить это все поляризуемой средой. Но может выйти тяжеловато, особенно если 1-2 молекулами растворителя не обойтись, да и знать надо, куда их совать -- такие системы не всегда имеют единственный глубокий минимум. А в белках континуальные модели вообще не работают.
Выход был найден в виде QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) -- наиболее существенная часть системы (активный центр, хромофор и т.п.) описывается квантовомеханически на любом желаемом уровне, а окружение -- с помощью мол. механики. Плюсы: (1) окружение более-менее дискретное, в нем можно пытаться описывать специфические эффекты, (2) модель остается относительно дешевой. Недостатки: (1) силовые поля параметризуются эмпирически, и результат зависит от использованного силового поля, (2) большинство используемых в QM/MM силовых полей не поляризуемые, а имеют фиксированные заряды, приписанные к ММ атомам, т.е., невозможно самосогласование взаимной поляризации акт. центра и окружения. Более того, в большинстве программ (в частности, в Гамессе) реализован только т.н. механический эмбеддинг (mechanical embedding), т.е. влияние окружения на акт. центр учитывается чисто механически (шарики-пружинки), и даже те несчастные точечные заряды, приписанные силовым полем к ММ атомам, никак не учитываются. Возможно, это и к лучшему: в схеме, где заряды ММ части фиксированы, ошибки от того, что они-то QM часть поляризуют, а сами-то на ее эл. статическое поле никак не реагируют, могут быть больше, чем если вообще выкинуть из схемы электростатику. Недавно вроде бы появились работы по поляризуемым силовым полям (AMOEBA, например), в т.ч. попытки их включения в QM/MM. Практической реализации я пока не видела.
На всякий случай: ONIOM -- это один из вариантов QM/MM, где между QM и MM частью есть еще прокладка в виде полуэмпирического слоя, на мой взгляд, вещь совершенно дурацкая. Сейчас вроде бы чаще делают ONIOM без полуэмпирического слоя, т.е. в чистом виде QM/MM.
И вот EFP -- Effective Fragment Potentials -- это попытка сделать поляризуемое окружение, параметризованное неэмпирически. EFP -- это жесткий фрагмент (целая молекула или ее часть), где все внутренние степени свободы заморожены, поэтому он может двигаться только как целое. Геометрию его можно соптимизировать любым способом, а потом с помощью Гамесса (эта процедура есть только там) сгенерировать EFP. В EFP входят заряды на атомах и некоторых специальных точках (по дефолту это середины связей (bond midpoints), но можно добавить другие), мультипольные моменты вплоть до октупольного, статические поляризуемости, частотно-зависимые поляризуемости, посчитанные для определенного, довольно широкого набора частот, а также специальный локализованный базис и соответствующий фокиан для межмол. взаимодействий. Ну и всякие параметры для демпфирования и экранирования (damping, screening), чтобы задемпфировать на близком расстоянии межмолекулярное взаимодействие фрагментов между собой и фрагментов с QM частью -- потому что на близком расстоянии (~ длины связи) это уже не межмолекулярные взаимодействия, а нечто иное. EFP используются в Гамессе, FireFly и Q-Chem.
Что можно (в принципе) сделать с EFP? можно оптимизировать геометрию молекулы + окружения. Можно даже всю эту конструкцию запихнуть в PCM (внутренняя сольватная оболочка дискретная, все что дальше -- континуальное). Можно гонять мол. динамику или Монте-Карло (глобальную оптимизацию) фрагментов (только для фрагментов, QM части в таких расчетах быть не должно!). Можно считать спектры в поляризуемом окружении (single-point). Можно разрезать сложное окружение, типа белка, на жесткие фрагменты попроще, сделать из них EFP, потом склеить обратно в белок в нужной конформации и использовать эту конструкцию в качестве окружения акт. центра. Но... все это с оговорками.
Сейчас EFP -- штука слегка недоделанная. Возьмем, например, градиенты. Гамильтониан QM-EFP системы устроен так, что в нем есть слагаемые, отвечающие только за QM часть, только за EFP, и за QM-EFP взаимодействие. И градиенты энергии, столь необходимые при оптимизации геометрии, тоже бывают QM, EFP-EFP и QM-EFP. С первыми и вторыми проблем нет, а вот QM-EFP градиенты почему-то вызвали затык.
В чем же дело? EFP в Гамессе бывают двух видов: EFP1 -- полностью параметризованный (по квантовохимическим расчетам), не содержащий ничего, кроме электростатики и всяких параметров межмол. отталкивания, демпфирования и экранирования, и EFP2, генерируемый процедурой MAKEFP -- тот самый, с электростатикой, локализованным базисом, фокианом и прочим. Чтобы получить EFP1, нужно проделать нехилую работу по его параметризации. Ее однажды проделали -- для воды. Для других растворителей -- желающие, welcome :)) Зато такой EFP полностью функционален, для него запрограммированы все градиенты (EFP-EFP и QM-EFP), можно считать спектры, можно оптимизировать возб. состояния -- все супер, но... фактически, только для воды.
С EFP2 все куда сложнее. Хотя его можно сделать для любой молекулы, средств для работы с ним не так уж много. QM-EFP градиенты для EFP2 до сих пор не запрограммированы (хотя уже пару лет как вышла статья с соответствующими формулами). Если в инпут для расчета спектра вставить EFP2 в том виде, как он генерируется Гамессом, то сам же Гамесс и обругается, мол, не умею спектры с EFP2 считать. Проблему, однако, можно обойти, обрезав EFP2 до состояния EFP1: оставить только электростатику (заряды, мультиполи, статические поляризуемости) и скрининг. Все равно при расчете спектра ничего другого от EFP и не требуется, а на абсолютные энергии состояний мы смотреть не будем, только на энергии переходов. Кстати, если у нас есть несколько конфигураций акт. центра с разным расположением QM и EFP частей, то их энергии в таком варианте (с урезанным EFP2) мы тоже сравнивать не можем -- ни в основном состоянии, ни в возбужденном. Впрочем, в основном состоянии мы можем сделать single-point расчеты с полным EFP2 и сравнить эти энергии.
Градиенты QM-EFP2 авторы метода обещают уже который год :) последнее, что я от них слышала пару месяцев назад -- это "ну вот еще совсем чуть-чуть осталось". Ждем-с :))
Окружение молекулы можно учитывать либо в модели непрерывной поляризуемой среды (Polarizable Continuum Model, PCM) с главным параметром -- диэлектрической проницаемостью, либо в разных дискретных моделях. PCM хороша тем, что (1) дешевая, (2) поляризуемая, причем самосогласование поляризации среды и исследуемой молекулы стОит недорого и делается на уровне ССП (в MP2 и CC есть свои особенности, я в них не вдавалась, но по крайней мере знаю где посмотреть про это). Недостатки PCM состоят в том, что она (1) параметризуется эмпирически, (2) не учитывает специфическую сольватацию. Т.е., для неполярных растворителей годится, для полярных апротонных -- худо-бедно, по всякому бывает, для протонных фигово. Можно сделать гибрид: насовать несколько живых молекул растворителя и окружить это все поляризуемой средой. Но может выйти тяжеловато, особенно если 1-2 молекулами растворителя не обойтись, да и знать надо, куда их совать -- такие системы не всегда имеют единственный глубокий минимум. А в белках континуальные модели вообще не работают.
Выход был найден в виде QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) -- наиболее существенная часть системы (активный центр, хромофор и т.п.) описывается квантовомеханически на любом желаемом уровне, а окружение -- с помощью мол. механики. Плюсы: (1) окружение более-менее дискретное, в нем можно пытаться описывать специфические эффекты, (2) модель остается относительно дешевой. Недостатки: (1) силовые поля параметризуются эмпирически, и результат зависит от использованного силового поля, (2) большинство используемых в QM/MM силовых полей не поляризуемые, а имеют фиксированные заряды, приписанные к ММ атомам, т.е., невозможно самосогласование взаимной поляризации акт. центра и окружения. Более того, в большинстве программ (в частности, в Гамессе) реализован только т.н. механический эмбеддинг (mechanical embedding), т.е. влияние окружения на акт. центр учитывается чисто механически (шарики-пружинки), и даже те несчастные точечные заряды, приписанные силовым полем к ММ атомам, никак не учитываются. Возможно, это и к лучшему: в схеме, где заряды ММ части фиксированы, ошибки от того, что они-то QM часть поляризуют, а сами-то на ее эл. статическое поле никак не реагируют, могут быть больше, чем если вообще выкинуть из схемы электростатику. Недавно вроде бы появились работы по поляризуемым силовым полям (AMOEBA, например), в т.ч. попытки их включения в QM/MM. Практической реализации я пока не видела.
На всякий случай: ONIOM -- это один из вариантов QM/MM, где между QM и MM частью есть еще прокладка в виде полуэмпирического слоя, на мой взгляд, вещь совершенно дурацкая. Сейчас вроде бы чаще делают ONIOM без полуэмпирического слоя, т.е. в чистом виде QM/MM.
И вот EFP -- Effective Fragment Potentials -- это попытка сделать поляризуемое окружение, параметризованное неэмпирически. EFP -- это жесткий фрагмент (целая молекула или ее часть), где все внутренние степени свободы заморожены, поэтому он может двигаться только как целое. Геометрию его можно соптимизировать любым способом, а потом с помощью Гамесса (эта процедура есть только там) сгенерировать EFP. В EFP входят заряды на атомах и некоторых специальных точках (по дефолту это середины связей (bond midpoints), но можно добавить другие), мультипольные моменты вплоть до октупольного, статические поляризуемости, частотно-зависимые поляризуемости, посчитанные для определенного, довольно широкого набора частот, а также специальный локализованный базис и соответствующий фокиан для межмол. взаимодействий. Ну и всякие параметры для демпфирования и экранирования (damping, screening), чтобы задемпфировать на близком расстоянии межмолекулярное взаимодействие фрагментов между собой и фрагментов с QM частью -- потому что на близком расстоянии (~ длины связи) это уже не межмолекулярные взаимодействия, а нечто иное. EFP используются в Гамессе, FireFly и Q-Chem.
Что можно (в принципе) сделать с EFP? можно оптимизировать геометрию молекулы + окружения. Можно даже всю эту конструкцию запихнуть в PCM (внутренняя сольватная оболочка дискретная, все что дальше -- континуальное). Можно гонять мол. динамику или Монте-Карло (глобальную оптимизацию) фрагментов (только для фрагментов, QM части в таких расчетах быть не должно!). Можно считать спектры в поляризуемом окружении (single-point). Можно разрезать сложное окружение, типа белка, на жесткие фрагменты попроще, сделать из них EFP, потом склеить обратно в белок в нужной конформации и использовать эту конструкцию в качестве окружения акт. центра. Но... все это с оговорками.
Сейчас EFP -- штука слегка недоделанная. Возьмем, например, градиенты. Гамильтониан QM-EFP системы устроен так, что в нем есть слагаемые, отвечающие только за QM часть, только за EFP, и за QM-EFP взаимодействие. И градиенты энергии, столь необходимые при оптимизации геометрии, тоже бывают QM, EFP-EFP и QM-EFP. С первыми и вторыми проблем нет, а вот QM-EFP градиенты почему-то вызвали затык.
В чем же дело? EFP в Гамессе бывают двух видов: EFP1 -- полностью параметризованный (по квантовохимическим расчетам), не содержащий ничего, кроме электростатики и всяких параметров межмол. отталкивания, демпфирования и экранирования, и EFP2, генерируемый процедурой MAKEFP -- тот самый, с электростатикой, локализованным базисом, фокианом и прочим. Чтобы получить EFP1, нужно проделать нехилую работу по его параметризации. Ее однажды проделали -- для воды. Для других растворителей -- желающие, welcome :)) Зато такой EFP полностью функционален, для него запрограммированы все градиенты (EFP-EFP и QM-EFP), можно считать спектры, можно оптимизировать возб. состояния -- все супер, но... фактически, только для воды.
С EFP2 все куда сложнее. Хотя его можно сделать для любой молекулы, средств для работы с ним не так уж много. QM-EFP градиенты для EFP2 до сих пор не запрограммированы (хотя уже пару лет как вышла статья с соответствующими формулами). Если в инпут для расчета спектра вставить EFP2 в том виде, как он генерируется Гамессом, то сам же Гамесс и обругается, мол, не умею спектры с EFP2 считать. Проблему, однако, можно обойти, обрезав EFP2 до состояния EFP1: оставить только электростатику (заряды, мультиполи, статические поляризуемости) и скрининг. Все равно при расчете спектра ничего другого от EFP и не требуется, а на абсолютные энергии состояний мы смотреть не будем, только на энергии переходов. Кстати, если у нас есть несколько конфигураций акт. центра с разным расположением QM и EFP частей, то их энергии в таком варианте (с урезанным EFP2) мы тоже сравнивать не можем -- ни в основном состоянии, ни в возбужденном. Впрочем, в основном состоянии мы можем сделать single-point расчеты с полным EFP2 и сравнить эти энергии.
Градиенты QM-EFP2 авторы метода обещают уже который год :) последнее, что я от них слышала пару месяцев назад -- это "ну вот еще совсем чуть-чуть осталось". Ждем-с :))
