Động lực học phân tử là gì? Các công bố khoa học về Động lực học phân tử

Trong các mô phỏng động lực học phân tử (MD), cần thiết thường xuyên để duy trì các tham số như nhiệt độ hoặc áp suất thay vì năng lượng và thể tích, hoặc để đặt các gradient nhằm nghiên cứu các tính chất vận chuyển trong MD không cân bằng. Một phương pháp được mô tả để thực hiện việc ghép nối với một bể bên ngoài có nhiệt độ hoặc áp suất không đổi với các hằng số thời gian ghép nối có thể điều chỉnh. Phương pháp này dễ dàng mở rộng cho các biến số khác và cho các gradient, và cũng có thể áp dụng cho các phân tử polyatomic liên quan đến các ràng buộc nội tại. Ảnh hưởng của các hằng số thời gian ghép nối lên các biến động lực được đánh giá. Một thuật toán nhảy cóc được trình bày cho trường hợp tổng quát liên quan đến các ràng buộc với ghép nối tới cả bể nhiệt độ không đổi và bể áp suất không đổi.

Một dạng thức Lagrangian mới được giới thiệu. Nó có thể được sử dụng để thực hiện các phép tính động lực học phân tử (MD) trên các hệ thống dưới các điều kiện ứng suất bên ngoài tổng quát nhất. Trong dạng thức này, hình dạng và kích thước của ô MD có thể thay đổi theo các phương trình động lực học do Lagrangian này cung cấp. Kỹ thuật MD mới này rất phù hợp để nghiên cứu những biến đổi cấu trúc trong chất rắn dưới ứng suất bên ngoài và ở nhiệt độ hữu hạn. Như một ví dụ cho việc sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi cho thấy cách mà một tinh thể đơn của Ni cư xử dưới tải trọng nén và kéo đồng nhất. Công trình này xác nhận một số kết quả của các phép tính tĩnh (tức là, nhiệt độ bằng không) đã được báo cáo trong tài liệu. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng một số kết quả liên quan đến mối quan hệ ứng suất-biến dạng thu được từ các phép tính tĩnh là không hợp lệ ở nhiệt độ hữu hạn. Chúng tôi nhận thấy rằng, dưới tải trọng nén, mô hình của chúng tôi đối với Ni cho thấy một điểm phân nhánh trong mối quan hệ ứng suất-biến dạng; điểm phân nhánh này cung cấp một liên kết trong không gian cấu hình giữa sự đóng gói lập phương và đóng gói gần hình lục giác. Chúng tôi gợi ý rằng một sự chuyển biến như vậy có thể được quan sát thực nghiệm dưới các điều kiện sốc cực đoan.

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

Bài báo phân tích ba phương pháp động lực học phân tử ở nhiệt độ không đổi được đề xuất gần đây bao gồm: (i) Nosé (Mol. Phys., sẽ được công bố); (ii) Hoover và cộng sự [Phys. Rev. Lett. 48, 1818 (1982)], và Evans cùng Morriss [Chem. Phys. 77, 63 (1983)]; và (iii) Haile và Gupta [J. Chem. Phys. 79, 3067 (1983)]. Chúng tôi đã phân tích các phương pháp này một cách lý thuyết bằng cách tính toán các hàm phân phối cân bằng và so sánh chúng với hàm của tập hợp canonical. Ngoại trừ các hiệu ứng do bảo toàn động lượng và động lượng góc, phương pháp (1) cho ra phân phối canonical chính xác trong cả không gian động lượng và không gian tọa độ. Phương pháp (2) có thể được điều chỉnh để trở nên chính xác trong không gian tọa độ, và có thể được phát triển từ phương pháp (1) bằng cách áp dụng một ràng buộc cụ thể. Phương pháp (3) không chính xác và cho giá trị lệch tỉ lệ N−1/2 so với phân phối canonical (N là số lượng hạt). Các kết quả cho tập hợp ở nhiệt độ không đổi – áp suất không đổi tương tự với trường hợp của tập hợp canonical.

CHARMM (Hóa học tại Harvard Macromolecular Mechanics) là một chương trình máy tính linh hoạt cao sử dụng các hàm năng lượng thực nghiệm để mô phỏng các hệ thống vĩ mô. Chương trình có thể đọc hoặc tạo mô hình cấu trúc, tối ưu hóa năng lượng cho chúng bằng kỹ thuật đạo hàm bậc nhất hoặc bậc hai, thực hiện mô phỏng chế độ bình thường hoặc động lực học phân tử, và phân tích các tính chất cấu trúc, cân bằng và động lực học được xác định trong các phép tính này. Các hoạt động mà CHARMM có thể thực hiện được mô tả, và một số chi tiết triển khai được nêu ra. Một tập hợp các tham số cho hàm năng lượng thực nghiệm và một ví dụ chạy mẫu được bao gồm.

Trong bài báo này, chúng tôi xây dựng các dạng tổng quát của các phương trình cần thiết để trích xuất dữ liệu nhiệt động lực học từ các đường cong chuyển tiếp ở trạng thái cân bằng trên các axit nucleic oligomeric và polymeric với tính phân tử bất kỳ. Đáng chú ý, vì các phương trình và giao thức là tổng quát, chúng cũng có thể được sử dụng để đặc trưng cho các quá trình cân bằng nhiệt động lực học trong các hệ thống khác ngoài axit nucleic. Chúng tôi sẽ tóm tắt cách thức các dạng giảm thiểu của các phương trình tổng quát đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để đánh giá các chuyển tiếp đơn phân tử và đôi phân tử, và sau đó giải thích làm thế nào những phương trình này có thể được tổng quát hóa để tính toán các tham số nhiệt động lực học từ những quan sát thực nghiệm phổ biến cho các chuyển tiếp có tính phân tử cao hơn. Chúng tôi nhấn mạnh các điểm mạnh và điểm yếu của từng phương pháp phân tích dữ liệu để các nhà nghiên cứu có thể chọn phương pháp phù hợp nhất cho hoàn cảnh thực nghiệm của họ. Chúng tôi cũng mô tả cách phân tích các đường cong nhiệt lượng riêng và các đường cong nóng chảy phân biệt không nhiệt lượng nhằm trích xuất cả dữ liệu nhiệt động lực học độc lập với mô hình và phụ thuộc vào mô hình cho các chuyển tiếp với bất kỳ tính phân tử nào. Các phương trình tổng quát và phương pháp phân tích được mô tả trong bài báo này sẽ đặc biệt hữu ích cho các phòng thí nghiệm hiện đang nghiên cứu các quá trình liên kết và phân ly trong axit nucleic có phân tử học lớn hơn hai.

Một công thức phần tử hữu hạn bao gồm hiệu ứng áp điện hoặc điện cơ được trình bày. Một sự tương đồng mạnh mẽ được thể hiện giữa các biến điện và biến đàn hồi, và một phương pháp phần tử hữu hạn ‘độ cứng’ đã được suy ra. Phương trình ma trận động của điện cơ được xây dựng và được phát hiện có thể chuyển dạng thành phương trình động lực học cấu trúc đã biết. Một phần tử hữu hạn hình tứ diện được trình bày, triển khai định lý cho ứng dụng đối với các vấn đề điện cơ trong không gian ba chiều.

▪ Tóm tắt  Sự phát hiện các gen và protein mới trực tiếp hỗ trợ cho sự bám dính của bạch cầu đang giảm dần, trong khi đó mối quan tâm đến cơ học tế bào và động lực học thụ thể dẫn đến từ sự gắn kết tạm thời qua các selectin đến sự thay đổi ái lực và tăng cường sự bám dính thông qua các integrin đang tăng cao. Các công cụ quang học mới cho phép hình ảnh hóa thời gian thực quá trình lăn và dừng của bạch cầu trong các kênh dòng chảy tấm song song (PPFCs), và việc phát hiện quang phổ lực phân tử đơn cung cấp cái nhìn sâu sắc về vùng tiếp xúc bám dính giữa các tế bào. Sự thu hút bạch cầu trong quá trình viêm cấp tính được kích hoạt bởi việc liên kết các thụ thể hóa học đôi GTP (GPCRs) và sự tập hợp của các selectin. Điều này, lại kích hoạt β₂-integrin (CD18), giúp tạo điều kiện cho sự bắt giữ và dừng tế bào trong dòng chảy cắt. Bài đánh giá này cung cấp một mô hình khái niệm cho các sự kiện phân tử hỗ trợ sự thu hút bạch cầu.

Phản hồi giữa động lực học của thảm thực vật, quá trình hình thành đất và sự phát triển địa hình ảnh hưởng đến "vùng quan trọng" — bộ lọc sống của chu kỳ thủy văn, địa hóa, và chu trình đá/trầm tích của Trái đất. Đánh giá tầm quan trọng của những phản hồi này, đặc biệt rõ nét trong các hệ thống hạn chế nước, vẫn là một thách thức cơ bản xuyên ngành. Các "đảo trời" ở miền nam Arizona cung cấp một thí nghiệm tự nhiên được xác định rõ ràng liên quan đến những phản hồi này bởi vì lượng mưa trung bình hàng năm thay đổi đáng kể theo hệ số năm trên khoảng cách khoảng 10 km ở những khu vực có kiểu đá (đá granit) và lịch sử kiến tạo tương tự. Tại đây, chúng tôi tổng hợp dữ liệu phân bố không gian có độ phân giải cao về Chuyển đổi Năng lượng và Khối lượng Hiệu quả (EEMT: năng lượng có sẵn để điều khiển phong hoá đá gốc), sinh khối trên mặt đất, độ dày đất, độ dốc địa hình theo quy mô sườn đồi, và mật độ thoát nước trong hai dãy núi như vậy (Santa Catalina: SCM; Pinaleño: PM). Tồn tại sự tương quan mạnh giữa các biến thảm thực vật - đất - địa hình, biến đổi phi tuyến theo độ cao, vì vậy những phần thấp, khô, ấm của các dãy núi này được đặc trưng bởi sinh khối trên mặt đất tương đối thấp, đất mỏng, chất hữu cơ trong đất tối thiểu, dốc đứng, và mật độ thoát nước cao; ngược lại, ở độ cao cao hơn, mát mẻ, ẩm ướt hơn, có sinh khối cao hơn một cách hệ thống, đất dày hơn giàu chất hữu cơ, dốc hơn nhẹ nhàng, và mật độ thoát nước thấp hơn. Để kiểm tra xem các phản hồi eco-pedo-địa hình có điều khiển mô hình này hay không, chúng tôi đã phát triển một mô hình tiến hóa cảnh quan kết hợp quá trình hình thành đất và phát triển địa hình trên quy mô thời gian địa chất, với tốc độ phụ thuộc rõ rệt vào mật độ thảm thực vật. Mô hình tự tổ chức thành các trạng thái tương tự như đã quan sát ở SCM và PM. Kết quả của chúng tôi nhấn mạnh tầm quan trọng tiềm năng của các phản hồi eco-pedo-địa hình, trung gian bởi độ dày đất, trong các hệ thống hạn chế nước.

Dimethylsulfoxide được khử bởi hydro phân tử trong điều kiện nhẹ để tạo thành dimethylsulfide và nước trong sự hiện diện của các phức chất rhodium(III) như chất xúc tác. Động lực học của các hệ thống sử dụng RhCl₃.3H₂O và cis-RhCl₃(Et₂S)₃ đã được nghiên cứu, và cơ chế liên quan đến quá trình khử dimethylsulfoxide phối hợp trong phức rhodium(III) hydride được giả thuyết. Hiệu suất xúc tác của các hệ thống giảm dần do sự hình thành các dạng rhodium(I) không hoạt động.