Journal of Computational Chemistry

Bài viết này mô tả bộ phần mềm GROMACS (Groningen MAchine for Chemical Simulation) được phát triển tại Đại học Groningen, Hà Lan, vào đầu những năm 1990. Phần mềm, được viết bằng ngôn ngữ ANSI C, bắt nguồn từ một dự án phần cứng song song, và rất phù hợp cho việc phân tán trên các cụm xử lý. Nhờ tối ưu hóa cẩn thận việc tìm kiếm hàng xóm và hiệu suất vòng lặp bên trong, GROMACS là một chương trình rất nhanh cho mô phỏng động lực học phân tử. Nó không có một trường lực riêng, nhưng tương thích với các trường lực GROMOS, OPLS, AMBER và ENCAD. Ngoài ra, GROMACS có thể xử lý các mô hình vỏ polarisable và các ràng buộc linh hoạt. Chương trình rất linh hoạt, vì người dùng có thể thêm các quy trình lực, chỉ định các hàm bảng và tùy chỉnh phân tích một cách dễ dàng. Động lực học không cân bằng và các phép xác định năng lượng tự do được tích hợp. Nó cung cấp giao diện với các gói hóa học lượng tử phổ biến (MOPAC, GAMES‐UK, GAUSSIAN) để thực hiện các mô phỏng MM/QM hỗn hợp. Gói phần mềm bao gồm khoảng 100 chương trình tiện ích và phân tích. GROMACS thuộc miền công cộng và được phân phối (cùng với mã nguồn và tài liệu) theo Giấy phép Công cộng Tự do GNU. Nó được bảo trì bởi một nhóm các nhà phát triển từ Đại học Groningen, Uppsala, Stockholm và Viện Max Planck về Nghiên cứu Polime ở Mainz. Trang web của nó là http://www.gromacs.org. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 26: 1701–1718, 2005

NAMD là một mã động lực học phân tử song song được thiết kế cho mô phỏng hiệu suất cao của các hệ thống sinh phân tử lớn. NAMD có khả năng mở rộng đến hàng trăm bộ xử lý trên các nền tảng song song hiệu năng cao, cũng như hàng chục bộ xử lý trên các cụm giá rẻ, và cũng có thể chạy trên máy tính để bàn và máy tính xách tay cá nhân. NAMD hoạt động với các hàm tiềm năng AMBER và CHARMM, các thông số và định dạng tệp. Bài viết này, dành cho cả người mới bắt đầu lẫn các chuyên gia, trước tiên giới thiệu các khái niệm và phương pháp được sử dụng trong chương trình NAMD, mô tả trường lực động lực học phân tử cổ điển, các phương trình chuyển động, và các phương pháp tích hợp cùng các thuật toán đánh giá điện động lực học hiệu quả được áp dụng và các biện pháp kiểm soát nhiệt độ và áp suất. Các tính năng để điều khiển mô phỏng vượt qua các rào cản và để tính toán các chênh lệch năng lượng tự do hóa học và hình thái được trình bày. Động lực cho và một lộ trình thiết kế nội bộ của NAMD, được triển khai bằng C++ và dựa trên các đối tượng song song Charm++, được tóm tắt. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tuần tự và song song của một mô phỏng được thảo luận. Cuối cùng, việc sử dụng NAMD điển hình được minh họa với các ứng dụng tiêu biểu cho một hệ thống sinh phân tử nhỏ, trung bình, và lớn, làm nổi bật các tính năng đặc biệt của NAMD, ví dụ, ngôn ngữ lập trình kịch bản Tcl. Bài viết cũng cung cấp danh sách các tính năng chính của NAMD và thảo luận về lợi ích của việc kết hợp NAMD với phần mềm đồ họa phân tử/phân tích chuỗi VMD và phần mềm điện toán lưới/collaboratory BioCoRE. NAMD được phân phối miễn phí kèm theo mã nguồn tại www.ks.uiuc.edu. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 26: 1781–1802, 2005

Qua một loạt bài kiểm tra rộng rãi về dữ liệu năng lượng phân tử, đã chỉ ra rằng dạng toán học của hàm giảm trong các phương pháp DFT-D chỉ ảnh hưởng nhỏ đến chất lượng của các kết quả. Đối với 12 chức năng khác nhau, đã kiểm tra công thức "không giảm" chuẩn và giảm hợp lý đến các giá trị hữu hạn cho các khoảng cách nguyên tử nhỏ theo Becke và Johnson (giảm BJ). Cùng một chế độ (DFT-D3) được sử dụng để tính toán các hệ số phân tán. Giảm BJ yêu cầu thêm một tham số điều chỉnh cho mỗi chức năng (ba thay vì hai) nhưng có lợi thế là tránh được các lực tương tác nguyên tử đẩy tại các khoảng cách ngắn hơn. Với giảm BJ, kết quả tốt hơn đối với các khoảng cách không liên kết và rõ ràng hơn về hiệu ứng phân tán trong phân tử trong bốn cấu trúc phân tử đại diện được tìm thấy. Đối với các cấu trúc không liên kết trong bộ S22, cả hai phương pháp đều dẫn đến các khoảng cách giữa các phân tử rất giống nhau. Đối với năng lượng tương tác không liên kết, giảm BJ hoạt động tốt hơn một chút nhưng cả hai biến thể đều có thể được khuyến nghị nói chung. Ngoài ra, Hartree-Fock chỉ có thể được khuyến nghị trong biến thể BJ và khi đó gần với độ chính xác của GGA đã được điều chỉnh cho các tương tác không liên kết. Theo các bài kiểm tra nhiệt động lực học, giảm BJ chính xác hơn, đặc biệt là cho các vấn đề tương quan điện tử khoảng trung bình và chỉ quan sát được các hiệu ứng đếm gấp đôi nhỏ và gần như không đáng kể. Nó dường như cung cấp một hành vi ngắn hạn đúng về vật lý của tương quan/phân tán ngay cả với các chức năng chuẩn chưa được sửa đổi. Trong mọi trường hợp, sự khác biệt giữa hai phương pháp là nhỏ hơn nhiều so với hiệu ứng phân tán tổng thể và thường cũng nhỏ hơn ảnh hưởng của chức năng mật độ cơ bản.

Chúng tôi mô tả việc kiểm tra và phát hành AutoDock4 cùng với giao diện đồ họa người dùng đi kèm AutoDockTools. AutoDock4 tích hợp tính linh hoạt có giới hạn ở thụ thể. Nhiều thử nghiệm được báo cáo ở đây, bao gồm một thí nghiệm tái định vị với 188 phức hợp ligand-protein đa dạng và một thí nghiệm trao đổi định vị sử dụng chuỗi bên linh hoạt trong 87 phức hợp protease HIV. Chúng tôi cũng báo cáo tính hữu dụng của nó trong việc phân tích các ligand gắn kết covalent, sử dụng cả phương pháp định vị dựa trên lưới và một sửa đổi của kỹ thuật chuỗi bên linh hoạt. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2009

Bài báo này trình bày mô tả về gói hóa học lượng tử ab initio GAMESS. Các hệ hóa học chứa nguyên tử từ hydro đến radon có thể được xử lý với các hàm sóng từ trường hợp đơn giản nhất là lớp vỏ kín cho đến trường hợp tổng quát MCSCF, cho phép thực hiện tính toán ở mức độ tinh vi cần thiết. Bài báo nhấn mạnh vào các tính năng mới của chương trình. Chiến lược phân tán được sử dụng trong các phần RHF, ROHF, UHF và GVB của chương trình được mô tả, và các kết quả speecup chi tiết được đưa ra. Tính toán song song có thể được thực hiện trên các trạm làm việc thông thường cũng như trên các máy tính song song chuyên dụng. © John Wiley & Sons, Inc.

Multiwfn là một chương trình đa chức năng dùng để phân tích hàm sóng. Các chức năng chính của nó bao gồm: (1) Tính toán và trực quan hóa hàm không gian thực, chẳng hạn như thế năng tĩnh điện và hàm định vị điện tử tại điểm, trên một đường, trong một mặt phẳng hoặc trong một không gian nhất định. (2) Phân tích dân số. (3) Phân tích bậc liên kết. (4) Phân tích thành phần quỹ đạo. (5) Vẽ đồ thị mật độ trạng thái và phổ. (6) Phân tích hình thái cho mật độ điện tử. Một số công cụ hữu ích khác liên quan đến nghiên cứu hóa học lượng tử cũng được cung cấp. Module đồ họa tích hợp cho phép kết quả phân tích hàm sóng được vẽ trực tiếp hoặc xuất ra tệp đồ họa chất lượng cao. Giao diện chương trình rất thân thiện với người dùng và phù hợp cho cả mục đích nghiên cứu và giảng dạy. Mã nguồn của Multiwfn đã được tối ưu hóa và song song hóa một cách đáng kể. Hiệu suất của nó được chứng minh là cao hơn đáng kể so với các chương trình liên quan có cùng chức năng. Năm ví dụ thực tiễn với sự đa dạng về hệ thống và phương pháp phân tích đã được đưa ra để minh họa tính hữu ích của Multiwfn. Chương trình được cung cấp miễn phí và mã nguồn mở. Tệp đã biên dịch sẵn và mã nguồn có sẵn tại http://multiwfn.codeplex.com. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2011

Bài viết này thảo luận về thiết kế, triển khai và khả năng của một hệ thống trực quan có thể mở rộng, UCSF Chimera. Chimera được phân thành một hạt nhân cung cấp các dịch vụ và công cụ trực quan cơ bản, và các phần mở rộng cung cấp hầu hết các tính năng cao cấp hơn. Kiến trúc này đảm bảo rằng cơ chế mở rộng đáp ứng được yêu cầu của các nhà phát triển bên ngoài, những người mong muốn tích hợp các tính năng mới. Hai phần mở rộng đặc biệt được trình bày: Multiscale, cho phép hình dung các tổ hợp phân tử lớn như lớp vỏ virus, và Collaboratory, cho phép các nhà nghiên cứu chia sẻ phiên làm việc của Chimera một cách tương tác mặc dù ở các vị trí khác nhau. Các phần mở rộng khác bao gồm Multalign Viewer, để hiển thị nhiều sự căn chỉnh chuỗi và các cấu trúc liên quan; ViewDock, để sàng lọc các định hướng ligand đã liên kết; Movie, để phát lại các quỹ đạo động học phân tử; và Volume Viewer, để hiển thị và phân tích dữ liệu thể tích. Một cuộc thảo luận về việc sử dụng Chimera trong các tình huống thực tế cũng được đưa ra, cùng với những định hướng trong tương lai được mong đợi. Chimera bao gồm tài liệu hướng dẫn người dùng đầy đủ, miễn phí cho người dùng học thuật và phi lợi nhuận, và có sẵn cho Microsoft Windows, Linux, Apple Mac OS X, SGI IRIX, và HP Tru64 Unix từ http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 25: 1605–1612, 2004

The Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA) was developed to investigate a three‐dimensional quantitative structure activity relationship (3D‐QSAR) model of ligands for the sigma 1 receptor. The starting geometry of sigma‐1 receptor ligands was obtained from the Tripos force field minimizations and conformations were decided from DISCOtech using the SYBYL 6.8. program. The structures of 48 molecules were fully optimized at the ab initio HF/3‐21G* and semiempirical AM1 calculations using GAUSSIAN 98. The electrostatic charges were calculated using several methods such as semiempirical AM1, density functional B3LYP/3‐21G*, and ab initio HF/3‐21G*, MP2/3‐21G* calculations within GAUSSIAN 98. Using the optimized geometries, the CoMFA results derived from the HF/3‐21G method were better than those from AM1. The best CoMFA was obtained from HF/3‐21G* optimized geometry and charges (R² = 0.977). Using the optimized geometries, the CoMFA results derived from the HF/3‐21G methods were better than those from AM1 calculations. The training set of 43 molecules gave higher R² (0.989–0.977) from HF/3‐21G* optimized geometries than R² (0.966–0.911) values from AM1 optimized geometries. The test set of five molecules also suggested that HF/3‐21G* optimized geometries produced good CoMFA models to predict bioactivity of sigma 1 receptor ligands but AM1 optimized geometries failed to predict reasonable bioactivity of sigma 1 receptor ligands using different calculations for atomic charges. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 25: 1385–1399, 2004

A previously published scheme of estimating atomic charges in haloalkanes is extended to include olefines, alcohols amines, acids, ethers, and amides. In the conjugated systems the effects of mesomeric transfer of charge are explicitly included. Generally good agreement with the observed dipole moments of these compounds and their substituted derivatives is found. The atomic charges so obtained are compared with those of other semiempirical and quantum‐mechanical calculations for the amide group. The charges so obtained fall within the range of values obtained by these other schemes, supporting the general validity of this approach.

Alternative methods of estimating atomic charges in haloalkanes are presented, derived from quantum mechanical and classical treatments. A scheme based on a breakdown of the transmission of charge by polar atoms into one‐bond, two‐bond, and three‐bond additive contributions is given, in which the one‐bond effect is proportional to the difference in the electronegativities of the bonded atoms, and the two‐ and three‐bond effects functions of the atomic electronegativity and polarizability. Suitable developments of the basic scheme, including an iterative self‐consistent process, give calculated dipole moments for a variety of haloalkanes in good agreement with the observed values. The atomic charges obtained by this scheme are compared with other estimates of these charges. They are similar to those derived from a simple LCAO–MO scheme but differ from those obtained by population analysis of more refined quantum mechanical calculations.