Điện động lực học đa cực có thể phân cực từ phương pháp học máy Kriging: ứng dụng cho alanine

Theoretical Chemistry Accounts - Tập 131 - Trang 1-16 - 2012
Matthew J. L. Mills1, Paul L. A. Popelier2
1Manchester Interdisciplinary Biocentre (MIB), Manchester, UK
2School of Chemistry, University of Manchester, Manchester, UK

Tóm tắt

Chúng tôi trình bày một hàm năng lượng tiềm tàng điện tĩnh đa cực có thể phân cực cho các trường lực và mô tả ứng dụng của nó cho phân tử thí nghiệm MeNH-Ala-COMe (AlaD). Tổng năng lượng điện tĩnh liên quan đến các tương tác 1, 4 và cao hơn được phân chia thành các đóng góp từ từng nguyên tử bằng cách áp dụng hình học hóa học lượng tử (QCT). Tương tác chính xác giữa các nguyên tử được biểu diễn thông qua các mômen đa cực của nguyên tử. Phương pháp học máy Kriging được sử dụng để mô hình hóa sự phụ thuộc của các mômen đa cực này vào hình dạng của toàn bộ phân tử. Các mô hình thu được có khả năng dự đoán các mômen đa cực được phân chia theo QCT cho các hình học phân tử hóa học có liên quan. Năng lượng tương tác giữa các nguyên tử được dự đoán cho những hình học này và được so sánh với giá trị thực tế của chúng. Chi phí tính toán của quy trình được so sánh với chi phí của hình thức điện tích điểm.

Từ khóa

#điện động lực học #đa cực #học máy #Kriging #alanine #hóa học lượng tử #mô hình hóa #năng lượng tương tác

Tài liệu tham khảo

Hegefeld WA, Chen SE, DeLeon KY, Kuczera K, Jas GS (2010) J Phys Chem A 114(47):12391–12402 Perez-Angel CE, Seminario JM (2011) J Phys Chem C 115(14):6467–6477 Swadling JB, Coveney PV, Greenwell CH (2010) J Am Chem Soc 132(39):13750–13764 Car R, Parrinello M (1985) PhysRevLett 55(22):2471–2474 Remler DK, Madden PA (1990) Mol Phys 70(6):921–966 Warshel A, Levitt M (1976) J Mol Biol 103:227–249 Hu H, Yang W (2009) J Mol Struct THEOCHEM 898(1–3):17–30 Stone JE, Phillips JC, Freddolino PI, Hardy DJ, Trabuco LG, Schulten K (2007) J Comput Chem 28(16):2618–2640 Voelz VA, Bowman GR, Beauchamp K, Pande VS (2010) J Am Chem Soc 132(5):1526–1528 Khalili-Araghi F, Jogini V, Yarov-Yarovoy V, Tajkhorshid E, Roux B, Schulten K (2010) Biophys J 98(10):2189–2198 Brooks BR, Bruccoleri RE, Olafson BD, States DJ, Swaminathan S, Karplus M (1983) J Comp Chem 4:187–217 Foloppe N, MacKerell AD Jr (2000) J Comp Chem 21(2):86–104 Weiner SJ, Kollman PA, Case DA, Singh UC, Ghio C, Profetajr S, Wiener P (1984) J Am Chem Soc 106:765–784 Cornell WD, Cieplak P, Bayly CI, Gould IR, Merz KM Jr, Ferguson DM, Spellmeyer DC, Fox T, Caldwell JW, Kollman PA (1995) J Am Chem Soc 117:5179–5197 Oostenbrink C, Villa A, Mark AE, van Gunsteren WF (2004) J Comput Chem 25(13):1656–1676 Jorgensen WL, Swenson CJ (1985) J Am Chem Soc 107:569–578 Kaminsky GA, Friesner RA, Tirado-Rives J, Jorgensen WL (2001) J Phys Chem B 105(28):6474–6487 Halgren TA (1996) J Comp Chem 17:490–519 Dinur U, Hagler AT (1994) J Comput Chem 15(9):919–924 Tuzun RE, Noid DW, Sumpter BG (1997) J Comput Chem 18(14):1804–1811 Al-Matar AK, Rockstraw DA (2004) J Comput Chem 25(5):660–668 Lifson S, Warshel A (1968) J Chem Phys 49(11):5116–5129 Ewig CS, Berry R, Dinur R, Hill JR, Hwang MJ, Li H, Liang C, Maple J, Peng Z, Stockfisch TP, Thacher TS, Yan L, Xiangshan N, Hagler AT (2001) J Comput Chem 22(15):1782–1800 Halgren TA (1995) J Comput Chem 17(5–6):490–519 Banas P, Hollas D, Zgarbova M, Jurecka P, Orozco M, Cheatham TE III, Sponer J, Otyepka M (2010) J Chem Theory Comput 6(12):3836–3849 Tong Y, Mei Y, Ji CG, Li YL, Chang GJ, Zhang JZH (2010) J Am Chem Soc 122(14):5137–5142 Shaik MS, Devereux M, Popelier PLA (2008) Mol Phys 106:1495–1510 Ponder JW, Case DA (2003) Adv Protein Chem 66:27–85 Bayly CI, Cieplak P, Cornell WD, Kollman PA (1993) J Phys Chem 97(40):10269–10280 Cieplak P, Caldwell J, Kollman P (2001) J Comput Chem 22(10):1048–1057 Patel S, Brooks CL III (2004) J Comput Chem 25(1):1–15 Rick SW, Stuart SJ (2002) Potential and algorithms for incorporating polarizability in computer simulations. In: Lipkowitz KB, Boyd DB (eds) Reviews in computational chemistry, vol 18. Wiley-VCH, New York, pp 89–146 Harder E, Anisimov VN, Vorobyov IV, Lopes PEM, Noskov SY, MacKerell Jr AD, Roux B (2006) J Chem Theory Comput 2:1587–1597 Hemmingsen L, Amara P, Ansoborlo E, Field MJ (2000) J Phys Chem A 104:4095–4101 Thole BT (1981) Chem Phys 59:341–350 Handley CM, Popelier PLA (2010) J Phys Chem A 114:3371–3383. doi:10.1039/b905748j Handley CM, Hawe GI, Kell DB, Popelier PLA (2009) Phys Chem Chem Phys 11:6365–6376. doi:10.1039/b905748j Houlding S, Liem SY, Popelier PLA (2007) Int J Quantum Chem 107(14):2817–2827 Behler J, Parrinello M (2007) Phys Rev Letts 98:146401–146404 Hobday S, Smith R, Belbruno J (1999) Model Simul Mater Sci Eng 7:397–412 Sanville E, Bholoa A, Smith R, Kenny SD (2008) J Phys Condens Matter 20:285219 Bartok AP, Payne MC, Kondor R, Csanyi G (2010). Phys Rev Lett 104(13):136403–136406 Hawe GI, Alkorta I, Popelier PLA (2010) J Chem Inf Model 50:87–96 Mills MJL, Popelier PLA (2011) Comput Theor Chem “Special issue: ESPA 2010”: in pages Popelier PLA, Stone AJ (1994) Mol Phys 82:411–425 Popelier PLA, Stone AJ, Wales DJ (1994) Farad Discuss 97:243–264 Elking DM, Perera L, Duke R, Darden T, Pedersen LG (2010) J Comput Chem 31(15):2702–2713 Liem SY, Popelier PLA, Leslie M (2004) Int J Quantum Chem 99:685–694 Joubert L, Popelier PLA (2002) Mol Phys 100:3357–3365 Rafat M, Popelier PLA (2006) J Chem Phys 124:144102–144108 Solano CJF, Pendás AM, Francisco E, Blanco MA, Popelier PLA (2010) J Chem Phys 132:194110 Stone AJ (1981) Chem Phys Lett 83(2):233–239 Pilme J, Piquemal J-P (2008) J Comput Chem 29:1440–1449 Volkov A, Coppens P (2004) J Comput Chem 25:921–934 Devereux M, Plattner N, Meuwly M (2009) J Phys Chem A 113(47):13199–13209 Ponder JW, Wu C, Pande VS, Chodera JD, Schnieders MJ, Haque I, Mobley DL, Lambrecht DS, DiStasio RAJ, Head-Gordon M, Clark GNI, Johnson ME, Head-Gordon T (2010) J Phys Chem B 114:2549–2564 Bader RFW (1990) Atoms in molecules. A quantum theory. Oxford University Press, Oxford Popelier PLA (2000) Atoms in molecules. An introduction. Pearson Education, London Bader RFW, Popelier PLA (1993) Int J Quantum Chem 45(2):189–207 Popelier PLA, Bremond EAG (2009) Int J Quantum Chem 109:2542–2553 Popelier PLA, Aicken FM (2003) Chem Phys Chem 4:824–829 Stone AJ (1996) The theory of intermolecular forces. Clarendon, Oxford Koch U, Popelier PLA, Stone AJ (1995) Chem Phys Lett 228:253–260 in het Panhuis M, Popelier PLA, Munn RW, Angyan JG (2001) J Chem Phys 114:7951–7961 Krige DG (1951) J Chem Metal Min Soc S Afr 52:119–139 Cressie N (1993) Statistics for spatial data. Wiley, New York Plattner N, Meuwly M (2009) J Mol Model 15(6):687–694 GAUSSIAN03, Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, Scuseria GE, Robb MA, Cheeseman JR, Montgomery JAJ, Vreven JT, Kudin KN, Burant JC, Millam JM, Iyengar SS, Tomasi J, Barone V, Mennucci B, Cossi M, Scalmani G, Rega N, Petersson GA, Nakatsuji H, Hada M, Ehara M, Toyota K, Fukuda R, Hasegawa J, Ishida M, Nakajima T, Honda Y, Kitao O, Nakai H, Klene M, Li X, Knox JE, Hratchian HP, Cross JB, Adamo C, Jaramillo J, Gomperts R, Stratmann RE, Yazyev O, Austin AJ, Cammi R, Pomelli C, Ochterski JW, Ayala PY, Morokuma K, Voth GA, Salvador P, Dannenberg JJ, Zakrzewski VG, Dapprich S, Daniels AD, Strain MC, Farkas O, Malick DK, Rabuck AD, Raghavachari K, Foresman JB, Ortiz JV, Cui Q, Baboul AG, Clifford S, Cioslowski J, Stefanov BB, Liu G, Liashenko A, Piskorz P, Komaromi I, Martin RL, Fox DJ, Keith T, Al-Laham MA, Peng CY, Nanayakkara A, Challacombe M, Gill PMW, Johnson B, Chen W, Wong MW, Gonzalez C, Pople JA (2003) Gaussian Inc, Pittsburgh GaussView3.0. (2003) Semichem Inc, Gaussian Inc, Pittsburgh Keith TA (2011) AIMAll. 11.04.03 edn. http://aim.tkgristmill.com Popelier PLA (1996) Comput Phys Commun 93(2–3):212–240 Popelier PLA (1994) Chem Phys Lett 228(1–3):160–164 Rafat M, Devereux M, Popelier PLA (2005) J Mol Graph Model 24:111–120 Marvin (2010) 5.3.1 edn. ChemAxon (http://www.chemaxon.com) Humphrey W, Dalke A, Schulten K (1996) J Mol Graph 14:33–38 Stone J (1998) An efficient library for parallel ray tracing and animation. University of Missouri, Rolla Jensen F, Palmer DS (2011) J Chem Theory Comput 7(1):223–230 Jensen F (2007) Introduction of computational chemistry, 2nd edn. Wiley, Chichester Su ZW, Coppens P (1994) Acta Cryst A50:636–643 Haettig C, Hess BA (1994) Mol Phys 81:813–824 Haettig C (1996) Chem Phys Lett 260:341