MOPAC & GAMESS, химическое моделировани Опции

[zveroboy82]

Собственно вопрос, кто сталкивался с задачей расчета площади поверхности молекулы?
Как я понимаю в пакете ChemBioOffice есть пакеты для мат. моделирования GAMESS и MOPAC. В них и можно получать расчетные характеристики молекул. Вот только понятных мануалов как то к ним немного. А параметров, при расчетах, надо очень много задавать.
Может кто моделировал? Подскажите где можно найти описание.

[Katauri]

Собственно вопрос, кто сталкивался с задачей расчета площади поверхности молекулы?
Как я понимаю в пакете ChemBioOffice есть пакеты для мат. моделирования GAMESS и MOPAC. В них и можно получать расчетные характеристики молекул. Вот только понятных мануалов как то к ним немного. А параметров, при расчетах, надо очень много задавать.
Может кто моделировал? Подскажите где можно найти описание.

MOPAC`ом я одно время пользовался. На официальном сайте к нему есть хороший мануал, точнее довольно сносно описаны ключевые слова. Да и самого J.J.P. Stewart`а можно поспрашивать, на мыло он оперативно отвечает с учетом того, что он обитает в Нью-Йорке вроде. Параметры там лучше использовать стандартные, иначе можно мозг сломать.
Но с самой задачей расчета поиска площади поверхности молекулы не сталкивался, не зачем было, так что не знаю, можно ли что-нибудь сделать тамошними средствами. А для чего нужна такая плохо определенная вещь, как площадь поверхности молекулы?

[ycheff]

В Hyper Chem есть в меню Compute подменю QSAR Properties - там считается площадь поверхности молекулы, правда не знаю, каким методом и насколько точно.

[zveroboy82]

MOPAC`ом я одно время пользовался. На официальном сайте к нему есть хороший мануал, точнее довольно сносно описаны ключевые слова. Да и самого J.J.P. Stewart`а можно поспрашивать, на мыло он оперативно отвечает с учетом того, что он обитает в Нью-Йорке вроде. Параметры там лучше использовать стандартные, иначе можно мозг сломать.
Но с самой задачей расчета поиска площади поверхности молекулы не сталкивался, не зачем было, так что не знаю, можно ли что-нибудь сделать тамошними средствами. А для чего нужна такая плохо определенная вещь, как площадь поверхности молекулы?

Собственно проблема заключается в том, что результаты сильно завися от изменения параметров расчета, а так как я хочу моделирование провести с условиями близкими к реальным, то и вопрос сразу назревает, как их собственно настраивать.
а задачка заключается в следующем. Мне нужно доказать, что методом малоуглового рентгеновского рассеяния я получил спектры соответствующие рассеянию от частиц с гидродинамическим радиусом Rg 1,22 нанометра имеющие форму бублика(тора). На самом деле известно, что это такие циклические молекулы, состоящие из одинаковых органических цыпочек, в воде принимают устойчивую конформацию в виде тора. Восстановить по спектру форму такой частицы, мне не удается, из-за специфики такой формы(тор и диск одинаковые по размерам будут одинаковы и для рентгеновского рассеяния) и из-за того что светимость таких молекул очень низкая.
Так вот мне кажется, что другого выхода не остается, как моделированием получить какой нибудь параметр, с помощью которого можно доказать, что на спектре присутствуют характерные участки, которые можно рассматривать как рассеяние от тора с таким то Rg. Пока на ум приходит только площадь поверхности молекулы в определенном растворителе. К сожалению, ни MOPAC ни GAMESS не выдают на выходе параметр Rg. Ну или я не знаю как заставить их выдавать мне такой параметр.

[Katauri]

Собственно проблема заключается в том, что результаты сильно зависят от изменения параметров расчета, а так как я хочу моделирование провести с условиями близкими к реальным, то и вопрос сразу назревает, как их собственно настраивать.

С параметрами у Stewart`а всё не так просто - у него четырехступенчатая схема их нахождения, в которой, собственно, и состоит суть метода PM6 (концептуально, это же практически MNDO всё равно). Те параметры, которые у него есть, позволяют адекватно оптимизировать геометрию, и рассчитывать кое-какие особенности электронной структуры в тех случаях, когда отклонение от некоррелированного случая невелико (в полуэмпирическом контексте). Т.е. обычные проблемы, имеющиеся у полуэмпирических методов, основанных на ZDO, там всё равно есть.

Что значит "условия близкие к реальным"? Параметры ищут, пытаясь воспроизвести какие-нибудь экспериментальные характеристики, остается решить какие именно характеристики тестового набора вы пытаетесь воспроизвести (и выбрать тестовый набор, конечно).

а задачка заключается в следующем. Мне нужно доказать, что методом малоуглового рентгеновского рассеяния я получил спектры соответствующие рассеянию от частиц с гидродинамическим радиусом Rg 1,22 нанометра имеющие форму бублика(тора). На самом деле известно, что это такие циклические молекулы, состоящие из одинаковых органических цыпочек, в воде принимают устойчивую конформацию в виде тора. Восстановить по спектру форму такой частицы, мне не удается, из-за специфики такой формы(тор и диск одинаковые по размерам будут одинаковы и для рентгеновского рассеяния) и из-за того что светимость таких молекул очень низкая.
Так вот мне кажется, что другого выхода не остается, как моделированием получить какой нибудь параметр, с помощью которого можно доказать, что на спектре присутствуют характерные участки, которые можно рассматривать как рассеяние от тора с таким то Rg. Пока на ум приходит только площадь поверхности молекулы в определенном растворителе. К сожалению, ни MOPAC ни GAMESS не выдают на выходе параметр Rg. Ну или я не знаю как заставить их выдавать мне такой параметр.

Вопрос №1 Количество атомов в молекулах? "Циклические молекулы, состоящие из одинаковых органических цыпочек" - из нескольких цыпочек? (IMG:style_emoticons/default/biggrin.gif) Как веревка, намотанная на шест? Наверно всё-таки это одна цыпочка, раз 1.22 нм. )))
Вопрос №2 Гидродинамический радиус в принципе же зависит от направления: линейной молекуле, например, плыть в направлении оси легче чем поперек. Если попытаться посчитать коэффициент диффузии для тора, плывущего так, что среда проходит через его дырку, и коэффициент диффузии для диска в том же направлении и такого же радиуса (не гидродинамического, а геометрического), то зная количество атомов в молекуле, можно рассчитать эффективный гидродинамический радиус и сравнить его с экспериментом. Или может быть можно непосредственно рассчитать гидродинамический радиус тора и диска - не помню, но можно либо то либо другое точно. Но здесь есть подводный камень - тор малого радиуса может вести себя как диск, и непонятно 1.22 нм - это много или мало (скорее мало)?.. Но это мысли вслух... Но вопрос, как посчитан такой гидродинамический радиус , остается.

А как площадь поверхности влияет на гидродинамический радиус? Можно тупо пытаться провести огибающую на каком-то расстоянии от ядер, но это в какой-то степени работает только в вакууме. В растворе надо учитывать размер молекул растворителя - если он не пролезет в дырку, то дырки нет.

Однозначно ни одна обычная квантовохимическая программа не будет выдавать гидродинамический радиус - это же свойство частицы в среде, сейчас надежно это никто не может посчитать на атомном уровне. В сущности, что именно нужно: обязательно квантовохимическое моделирование или можно обойтись малой кровью?

[Librarian]

Я на регулярной основе считаю похожую величину. Но не площадь молекулы, а например площадь доступную для внешних молекул воды.
Для рассчета использую CNS а так любой кристаллографический пакет это будет делать. вот ссылка на описание методики

http://lysozyme.co.uk/The-interpretation-o...cessibility.php

[zveroboy82]

Что значит "условия близкие к реальным"? Параметры ищут, пытаясь воспроизвести какие-нибудь экспериментальные характеристики, остается решить какие именно характеристики тестового набора вы пытаетесь воспроизвести (и выбрать тестовый набор, конечно).

Экспериментальные условия - это водный раствор, пиридиниевых солей. Структурные формулы приведены ниже:
димер(IMG:https://lh4.googleusercontent.com/-mVCY5RKDROI/TgSbTg1lyPI/AAAAAAAAAqA/WFDv82W1BOA/s144/Image00001.jpg) тример(IMG:https://lh4.googleusercontent.com/-LsSV0WVfL2c/TgSbS9ewaeI/AAAAAAAAAp4/s6oX5qdDlFc/s144/Image00002.jpg) Тетрамер(IMG:https://lh6.googleusercontent.com/-6Rw6UFRKqVo/TgSbTGGpv_I/AAAAAAAAAp8/9AAAt5xumFM/s144/Image00003.jpg)

как то еще охарактеризовать эту систему я не могу.


Линейный размер димера порядка 1,22нм. Остальные размеры я не оценивал, но понятно что больше чем у димера. Мы работаем собственно со смесью в которой присутствуют молекулы разной мерности скорее всего вплоть до октамера. Хотя мы точно не знаем, потому как в смеси например могут присутствовать молекулы только с четным количеством звеньев, или наоборот.

Собственно глобальной задачей в данном случае является установление состава смеси. Масс высокого разрешения не помог, так как он выдает моль-пик только для мономера. Поэтому для определения состава используем SAXS. Соостветственно в спектре проявились пички, и фурье анализом я определил, что каждый пик это триплет.

Соответственно сейчас стоит задача получить (расчетно) топологические характеристики всех молекул, и затем исходя из этих характеристик теоретически смоделировать спектры рассеяния и наложить их на реальные.

Вопрос №2 Гидродинамический радиус в принципе же зависит от направления: линейной молекуле, например, плыть в направлении оси легче чем поперек. Если попытаться посчитать коэффициент диффузии для тора, плывущего так, что среда проходит через его дырку, и коэффициент диффузии для диска в том же направлении и такого же радиуса (не гидродинамического, а геометрического), то зная количество атомов в молекуле, можно рассчитать эффективный гидродинамический радиус и сравнить его с экспериментом. Или может быть можно непосредственно рассчитать гидродинамический радиус тора и диска - не помню, но можно либо то либо другое точно. Но здесь есть подводный камень - тор малого радиуса может вести себя как диск, и непонятно 1.22 нм - это много или мало (скорее мало)?.. Но это мысли вслух... Но вопрос, как посчитан такой гидродинамический радиус , остается.

Так как у нас в условиях эксперимента нет потоков жидкости, то Rg в нашем случае совпадает с усредненным радиусом вращающейся относительно центра масс молекулы.

А как площадь поверхности влияет на гидродинамический радиус? Можно тупо пытаться провести огибающую на каком-то расстоянии от ядер, но это в какой-то степени работает только в вакууме. В растворе надо учитывать размер молекул растворителя - если он не пролезет в дырку, то дырки нет.

Площадь поверхности тора связанна с его внешним радиусом, а радиус можно пересчитать в Rg.


В принципе конечно хочется малой кровью, однако нужны точные величины, и доказательная база тоже нужна, чтобы показать откуда это было взято.

Сообщение отредактировал zveroboy82 - 24.06.2011, 17:49

[Alexa]

Занимаюсь физической химией ПАВ.
Предполагаю, что в водных растворах, такие циклические расправленные структуры как у вас на рисунках не существуют. А гидрофобные углеводородные "хвосты" изгибаются таким образом, чтобы как можно меньше взаимодействовать с водой.
Также, возможно, что образуются в растворах более сложные агрегаты (подтверждения образования таких агрегатов для циклических молекул, например, для каликсаренов, в которых гидрофобность выражена гораздо меньше встречаются в литературе все чаще).

Мне кажется, что даже если при оптимизации геометрии в вакууме (или однородной среде) стабильной окажется такая "расправленная" циклическая структура, в водных растворах из-за сольватации молекулами воды положительных групп пиридина и разрушения структуры воды при контакте с гидрофобными хвостами последние будут стремиться к самоорганизации как в аналогичных мицеллярных растворах. Посчитать квантово-химически такие системы с молекулами воды будет достаточно трудоемко.

Поэтому думаю, что к расчетам переходить рановато.
Подтвердить наличие агрегатов может, например, исследование зависимости радиуса экспериментально определенного радиуса частиц от их общей концентрации в растворе. Только начинать нужно с очень маленьких концентраций, что бы не пропустить возможного скачка на зависимости.
Также может помочь исследования при разных ионных силах раствора.
Я так понимаю Вы за границей работаете, тогда можно попробывать найти cryo-EM и посмотреть, что там все таки находиться в растворе.

Сообщение отредактировал Alexa - 25.06.2011, 17:17

[zveroboy82]

Занимаюсь физической химией ПАВ.
Предполагаю, что в водных растворах, такие циклические расправленные структуры как у вас на рисунках не существуют. А гидрофобные углеводородные "хвосты" изгибаются таким образом, чтобы как можно меньше взаимодействовать с водой.
Также, возможно, что образуются в растворах более сложные агрегаты (подтверждения образования таких агрегатов для циклических молекул, например, для каликсаренов, в которых гидрофобность выражена гораздо меньше встречаются в литературе все чаще).

Вы, скорее всего, совершенно правы. Действительно, при достаточно высоких концентрациях, на спектрах SAXS отчетливо видно область соответствующую эллиптическим частицам порядка 30-40 нм. Я предположил, сначала, что вещества эти неустойчивы и идет полимеризация. эти частицы следствие образования полимера. Однако, агрегация в кластеры больше похожа на правду.
Видимо стоит попробовать, сделать съемку в другой системе так, чтобы уменьшить гидрофильные/гидрофобные взаимодействия. Какие могут быть варианты? DMSO, MeOH, EtOH? Наверное лучше всего систему MeOH-Water(70-30)% но как потом сделать расчеты для такого раствора?

[Katauri]

Собственно глобальной задачей в данном случае является установление состава смеси. Масс высокого разрешения не помог, так как он выдает моль-пик только для мономера. Поэтому для определения состава используем SAXS. Соостветственно в спектре проявились пички, и фурье анализом я определил, что каждый пик это триплет.

Соответственно сейчас стоит задача получить (расчетно) топологические характеристики всех молекул, и затем исходя из этих характеристик теоретически смоделировать спектры рассеяния и наложить их на реальные.

Мне кажется, что даже если при оптимизации геометрии в вакууме (или однородной среде) стабильной окажется такая "расправленная" циклическая структура, в водных растворах из-за сольватации молекулами воды положительных групп пиридина и разрушения структуры воды при контакте с гидрофобными хвостами последние будут стремиться к самоорганизации как в аналогичных мицеллярных растворах. Посчитать квантово-химически такие системы с молекулами воды будет достаточно трудоемко.

Речь реально идет об оптимизации геометрии? Без воды MOPAC это должен взять - если ему скормить близкие к правильным геометрии. С водой рассчитается гидролиз, поэтому нужно использовать методы, гарантирующие стабильность молграфа. Я бы посоветовал использовать метод, разработанный в научной группе, в которой я работаю, - метод SLG/SCF, реализующий приближение групповых функций (последнюю статью на эту тему приложил). Точность у этого метода сравнима или лучше, чем у MOPAC`а, а масштабируемость полилинейна. На аналогичных соединениях его тестировали.

В принципе конечно хочется малой кровью, однако нужны точные величины, и доказательная база тоже нужна, чтобы показать откуда это было взято.

Я вижу проблему в том, что результаты расчетов нельзя будет сравнить с экспериментом: расчет даст геометрические радиусы молекул, а не гидродинамические. Какие еще экспериментальные данные о смеси доступны?

Еще такой вопрос. Я сам экспериментом не занимаюсь и о методе SAXS знаю не так уж много. Он вроде бы дает площадь молекулы, а не гидродинамический радиус непосредственно, так? И может быть те гидродинамические радиусы, которые у вас есть, получаются просто из предположения о сферической форме поверхности молекулы?

Прикрепленные файлы

 SLG_SCF_Mult.pdf ( 843.32 килобайт ) Кол-во скачиваний: 1150

 

[zveroboy82]

Речь реально идет об оптимизации геометрии? Без воды MOPAC это должен взять - если ему скормить близкие к правильным геометрии. С водой рассчитается гидролиз, поэтому нужно использовать методы, гарантирующие стабильность молграфа. Я бы посоветовал использовать метод, разработанный в научной группе, в которой я работаю, - метод SLG/SCF, реализующий приближение групповых функций (последнюю статью на эту тему приложил). Точность у этого метода сравнима или лучше, чем у MOPAC`а, а масштабируемость полилинейна. На аналогичных соединениях его тестировали.

Собственно, речь идет о получении геометрических характеристик. В целом, известно, что тример и пентамер, в воде имеют форму сплюснутого бублика. Это я посчитал MOPAC'ом минимизацию энергии молекулы, без учета гидратации. Минимизировать энергию тетрамера, кстати пока не удалось, почему-то рисует разные конформации. Но! я не учитывал возможность появления ассоциатов в водных р-рах. Alexa намекнул мне на это.
Поэтому по всей видимости надо бы рассчитать минимизацию энергии не в воде а в DMSO в MOPAC вроде есть такое. И снимать SAXS так же надо будет перерастворить вещества в DMSO, и затем пытаться что то сравнивать.

У меня на данном этапе проблема заключается, в том, что я не могу рассчитать по данным SAXS Rg и форму. Слишком высокий фон. Поэтому и пытаюсь сначала смоделировать, а затем на основе модельных данных расшифровывать спектры. Ну и плюс к этому я не знаю состав смеси (соотношение димера, тримера и тд.), это тоже осложняет ситуацию.

Я вижу проблему в том, что результаты расчетов нельзя будет сравнить с экспериментом: расчет даст геометрические радиусы молекул, а не гидродинамические. Какие еще экспериментальные данные о смеси доступны?

Геометрический радиус связан с гидродинамическим (в случае сферической геомертии):
R𝑔 ^ 2 = (3 R^2)⁄5

А кроме Масс высокого разрешения и SAXS больше ничего нет.

Еще такой вопрос. Я сам экспериментом не занимаюсь и о методе SAXS знаю не так уж много. Он вроде бы дает площадь молекулы, а не гидродинамический радиус непосредственно, так? И может быть те гидродинамические радиусы, которые у вас есть, получаются просто из предположения о сферической форме поверхности молекулы?

SAXS выдает распределение по гидродинамическому радиусу частиц в растворе, так же можно уточнить форму частицы если статистика позволит. Однако для восстановления формы необходимо получить такой спектр, что бы было видно несколько рефлексов. если их интенсивность мала и они "тонут" шумах то процедура восстановления не получится.

[Katauri]

Собственно, речь идет о получении геометрических характеристик. В целом, известно, что тример и пентамер, в воде имеют форму сплюснутого бублика. Это я посчитал MOPAC'ом минимизацию энергии молекулы, без учета гидратации. Минимизировать энергию тетрамера, кстати пока не удалось, почему-то рисует разные конформации.

Т.е. при малых изменениях начальной геометрии и деталей её оптимизации получаются конформационно различные варианты оптимизированной геометрии? Надо смотреть на значения полной энергии для каждой конформации, скорее всего, все конформации могут быть в растворе.

Но! я не учитывал возможность появления ассоциатов в водных р-рах. Alexa намекнул мне на это.

Попробуйте поместить молекулу воды рядом с атомом азота - рассчитается ли гидролиз.

Поэтому по всей видимости надо бы рассчитать минимизацию энергии не в воде а в DMSO в MOPAC вроде есть такое. И снимать SAXS так же надо будет перерастворить вещества в DMSO, и затем пытаться что то сравнивать.

Не помню, но мне кажется там есть что-то для имитации растворителя каким-то непрерывным полем, но сам я этим не пользовался. Вообще эта порочная практика - часть считается с атомным разрешением, а часть совершенно необоснованно размазывается. Я бы пытался туда налеплять молекулы DMSO и оптимизировал не все координаты сразу, а либо только молекулы растворителя либо растворенное вещество, иначе может оптимизация не сходиться или получаться какие-то жуткие вещи - когда я считал гидратацию полиоксометаллатов такой подход работал, правда, вторая координационная сфера уже плохо получалась - уплывали молекулы иногда.

У меня на данном этапе проблема заключается, в том, что я не могу рассчитать по данным SAXS Rg и форму. Слишком высокий фон. Поэтому и пытаюсь сначала смоделировать, а затем на основе модельных данных расшифровывать спектры. Ну и плюс к этому я не знаю состав смеси (соотношение димера, тримера и тд.), это тоже осложняет ситуацию.

А какая погрешность в рассчитанных данных допустима? SAXS чувствует первую координационную сферу, или гидродинамический радиус, который он выдает, отвечает самой молекуле? Мне кажется, что гидродинамический радиус димера может быть на 15-20% меньше чем у тримера просто по геометрии. Кстати, а минимальный гидродинамический радиус должен же быть у мономера - его видно?
С другой стороны углеводородные цепочки могут быть расправленными, а могут - скукоженные: что МОПАК дает для димера и тримера? Какие у них расстояния между самыми удаленными друг от друга атомами? Мне кажется, что единственным способом получить при помощи МОПАКа правильно скукоженные молекулы может оказаться имитация растворителя непрерывным полем, но не будет известно живут ли вообще такие молекулы в растворе.

SAXS выдает распределение по гидродинамическому радиусу частиц в растворе, так же можно уточнить форму частицы если статистика позволит. Однако для восстановления формы необходимо получить такой спектр, что бы было видно несколько рефлексов. если их интенсивность мала и они "тонут" шумах то процедура восстановления не получится.

Т.е. при отсутствии шумов для одной частицы будут видны несколько рефлексов, отвечающих гидродинамическим радиусам в разных направлениях?