Atomistyczny model wody

Transkrypt

1 Symulacja Wody Celem ćwiczenia jest wprowadzenie do symulacji struktur nanoskopowych w NAMD, oraz zapoznanie się z podstawowymi metodami analizy takich obliczeń. W ćwiczeniu zapoznasz się z takimi elementami obliczeń jak: jakie pliki wejściowe są potrzebne do wystartowania symulacji, przygotowanie układu do symulacji metodą dynamiki molekularnej, jakie są podstawowe parametry potrzebne do wystartowania symulacji, przeprowadzenie symulacji, analiza wyników przy pomocy funkcji statystycznych.

2 Atomistyczny model wody Atomistyczny model wody do dzisiaj jest problemem nierozwiązanym. W zależności od właściwości wody (moment dipolowy, stała dielektryczna, temperatura przejść fazowych itp.), na której odtworzeniu nam zależy stosowane są odpowiednie modele. Punktem wyjścia dla większości modeli jest założenie, atomy wodoru są związane z tlenem poprzez wiązanie harmoniczne nie tylko ze względu na długość wiązań ale również kąt pomiędzy nimi. Podstawową trudnościa w takim wypadku jest poprawne umiejscowienie ładunków. W tzw. modelu SPC (single point charge zapronowanym przez Bernala i Fowlera w 1933 roku jest intuicyjne założenie, ładunki(1+ na wodorach i 2- na tlenie) znajdują się w środkach atomów. Mimo prostoty takiego podejścia, założenie produkuje bardzo duży, niefizyczny, moment dipolowy wody. W 1949 Rowlinson zaproponował podobne podejście ale z ładunkami ujemnymy umieszczonymi na dwusiecznej kąta pomiędzy wiązaniami OH. Model ten stał się punktem wyjścia dla obecnie stosowanych modeli TIP4P czy TIP5P. Cechą wspólna wszystkich modeli jest założenie, że pomiędzy atomami wody działa potencjał Lenarda-Jonesa zapobiegąjący nachodzeniu cząstek na siebie. Modele atomistyczne wody: a)model trójpunktowy wody TIP3P: ładunki dotanie q1 umieszczone są w środku atomu wodoru (białe), ładunek dotatni q2 na dwusiecznej wiązań b) model czteropunktowy TIP4P: ładunek dodatni jest rozdzielony na dwa znajdujące się na na zewnątrze atomu tlenu.

3 NAMD NAMD (Not Another Molecular Dynamics program) jest pakietem obliczeniowym do dynamiki molekularnej nastawionym na złożone obliczenia struktur biologicznych. Jest programem darmowym opracowanym przez Theoretical and Compuational Biophysics Group Uniwersytetu w Illinois ( Pakiet NAMD uruchamiamy przy pomocy skryptów zawierających polecenia (słowa kluczowe) dotyczące szczegółów symulacji. Istnieje możliwość puszczania prostszych symulacji przy pmocy programu VMD. Program VMD oprócz wizualizacji oferuje ponadto analizę wyników oraz szereg wtyczek umożliwiających tworzenie bardziej skomplikowanych układów. W ćwiczeniu poznamy jak przygotować symulację, jak ją uruchomić a także jak dokonać wstępnej analizy wyników. Struktura plików wejściowych i wyjściowych w NAMD *.psf (wiązania, kąty, prędkości) *.xsc (wielkość badanego układu, PBC) *.inp (plik parametrowy, forcefield) *.pdb (współrzędne atomów, grupy) NAMD *.namd (plik konfiguracjny, skrypt) *.coor (położenia końcowe) *.vel (prędkości końcowe) *.dcd (trajektoria) *.xsc (trajektoria wielkości układu) *.out (plik wynikowy: energie, temperatury itp.)

4 Ponieważ, aby obliczenia mogły wystartować wymagana jest duża ilość różnorodnych danych zostały one zawarte w różnych plikach. W plikach wejściowych do NAMD zawarte są następujące informacje: *.pdb plik zawierający współrzędne atomów badanego układu a także informacje o podziale na typy, residua, grupy *.psf plik zawiera informacje o tym, które atomy są ze sobą związane (bonds), z także jaki jest kąt pomiędzy wiązaniami, kąt dwuścienny oraz jakie są prędkości początkowe cząstek *.xsc w pliku zawarta jest informacja dotycząca periodycznych warunków brzegowych, jakie są rozmiary komórki elementarnej i pod jakim kątem są skierowne wektory tworzące *.inp tzw. plik topologiczny, zawiera informacje dotyczące oddziaływań pomiędzy poszczególnymi atomami w poszczególnych związkach (tzw. forcefield) *.namd plik zawierający skrypt wykonawczy czyli zestaw instrukcji które ma wykonać NAMD podczas symulacji W rezultacie symulacji powstaje również duża ilość informacji i podobnie są one poszeregowane w różnych plikach:.coor jest to plik typu pdb zawierający ostatnią klatkę symulacji (położenia końcowe).vel podobnie jak.coor zawiera prędkości w ostatniej klatce.dcd plik trajektorii: położenia i prędkości w czasie.xsc jak zmieniała się wielkość układu w czasie (ważne szczególnie w układzie NPT gdzie zmienia się objętość układu).out plik zawierający informacje o energiach, temperaturze, ciśnieniu itp. w trakcie trwania symulacji Plan symulacji 1. Analiza cząsteczki wody w modelu TIP3P 2. Zbudowanie układu zawierającego cząsteczki wody o określonej gęstości, objętości i temperaturze. 3. Analiza otrzymanego układu: strefy uwodnienia, porządek. 4. Symulacja w zespole NVE bez periodycznych warunków brzegowych -> doprowadzenie układu do stanu równowagi. 5. Analiza wyników symulacji. Cząsteczka wody 1. Otwórz program VMD. 2. Wczytaj cząsteczkę wody: File -> New Molecule -> Browse -> water.pdb 3. Przy pomocy programu VMD zmierz jaka jest długość wiązań oraz kąt pomiędzy wiązaniami w modelu TIP3P. Porównaj z danymi doświadczalnymi.

5 Pudełko wodne 1. Celem stworzenia układu do symulacji skorzystaj z narzędzia Extensions -> Modelling -> Add Solvation Box. 2. Plugin Add Solvation Box jest wtyczką służącą przede wszystkim do uwadniania badanych układów. W naszym ćwiczeniu użyjemy je do zbudowania układu wody do symulacji: a. W części Box Size wybierz współrzędne maksymalne oraz minimalne naszego ukladu wzdłuż każdej z osi: np b. Naciśinij polecenie Solvate i poczekaj. W oknie programu zostanie stworzony układ o zadanych rozmiarach. Ile atomów jest w układzie? Jaka jest gęstość zadanego układu? Czy jest równa gęstości eksperymentalnej? Dlaczego?

6 3. Wybierz cząsteczkę możliwie w środku układu a następnie zmierz odległości do najbliższych cząsteczek wody? Który atom wybierzesz jako bazowy? Ile cząsteczek znajduje się w najbliższym otoczeniu? Czy odległości są równe?

7 4. Aby uzyskać informację o średnim otoczeniu każdego atomów używamy tzw. radialnej funkcji rozkładu (RDF Radial Distribution Function). Wybierz Extensions -> Analysis -> Radial Pair Distribution Function: a. W oknie Use Molecule wybierz badany układ b. Policz RDF pomiędzy atomami wodoru, atomami tlenu, atomami tlenu i wodoru wypełniając odpowiednie odpowiednie pola Selection 1 i 2 (w oknie Graphical Representaion w zakładce Selection możesz sprawdzić jak nazwane są odpowiednie typy atomów a następnie w polu Selection wpisać type typ_atomu ). Odznacz Use PBC i naciśnij Compute g(r). c. W jakiej średniej odległości są najbliżsi sąsiedzi? (pierwsza strefa uwodnienia)

8 Symulacja Naszym celem będzie przeprowadzenie wstępnej symulacji naszego układu w zespole NVE. 1. W programie VMD otwórz Extensions -> Simulation -> NAMD Graphical Interface 2. We wtyczne NAMD GI możemy ustawić podstawowe parametry związane z symulacją. W szczególności: a. Wskazać pliki wejściowe (pdb, psf, plik z warunkami brzegowymi.xsc, plik topologiczny Parameter File ), b. Ustawić katalog, w którym będziemy wykonywac symulacje: Working Dir c. Zdecydować czy będziemy przeprowadzać minimalizację, dynamikę molekularną czy kontynuować poprzednią symulację, d. Ustawić liczbę kroków symulacyjnych, e. Zdecydować w którym układzie kanonicznym przeprowadzimy symulację oraz z jakimi parametrami (temperatura, ciśnienie). 3. Program domyślnie wczytuje pliki związane z wybranym układem (pola PSF/TOPPAR file oraz PDB/RST7 file). W obszarze Timesteps odznacz Minimanization a wybierz Molecular Dynamics (nie będziemy minimalizować geometrycznej struktury tylko badać dynamikę układu w czasie). Zapisz plik ze skryptem wyjściowym (File -> Save NAMD config file). 4. Wybierz przycisk Run NAMD. Program poprosi Cię o wskazanie pliku wykonawczego NAMD. Wskaż plik namd2 w odpowiednim katalogu. Pole Status zmieni się z Ready na Running. W momencie gdy symulacja się skończy ponowanie status zmieni się na Ready.

9 5. Przejdź do katalogu roboczego. Następnym krokiem jest załadowanie pliku wynikowego z trajektorią (rozszerzenie.dcd) do naszego układu. W oknie głównym wybierz plik układu.psf, a następnie wybierz File -> Load Data into Molecule -> Browse -> plik.dcd. Na koniec wybierz Load. Trajektoria (położenie atomów w czasie) zostanie załadowana do programu. 6. W oknie głównym wybierz Play (przycisk w prawym dolnym rogu) i obejrzyj naszą symulację. Co zauważasz? Czy układ zachował swój kubiczny kształt? Dlaczego? Czy wszystkie cząstki zachowują kohezję? Z jakim zjawiskiem można związać ruch cząstek nie pozostających w głównym układzie?

10 7. Możemy teraz obejrzeć i zanalizować wyniki. Wybierz Extensions -> Analysis -> NAMD Plot. Otworzy się wtyczka służąca do analizy wyników produkowanym przez plik wynikowy w formie graficznej. Wybierz BOND (energia potencjalna), KINETIC (energia kinetyczna) oraz TEMP (temperatura). Wybierz plik wynikowy z rozszerzeniem.out: NAMD File -> Select NAMD Log Fil. Następnie wybierz File -> Plot Selected Data. Od którego momentu układ jest w stanie równowagi? Dlaczego? Czy temperatura układu jest stała? Dlaczego?

11 8. W VMD jesteśmy w stanie dynamicznie śledzić wybrane paramtry np. odległości między cząsteczkami. Przesuń pasek czasu na początek. Następnie zmierz odległość pomiędzy dwoma wybranymi atomami. Przesuwaj pasek czasu i obserwuj jak zmienia się odległość pomiędzy atomami. Możemy zbadać jak zmienia się odległość również graficznie. Wybierz Graphics -> Labels. W liście rozwijanej wybierz Bonds a następnie przejdź do zakładki Graph i wybierz Graph Poeksperymentuj z różnymi odległościami od różnych cząsteczek. Czy widzisz jakąś prawidłowość?

12 9. Aby wyodrębnić średnią strukture wody posłużymy się funkcją RDF analizując nasz układ w stanie równowagi. Ponownie otwórz okno wtyczki RDF. Wybierz odległość pomiędzy atomami tlenu. W polu First Frame wybierz klatkę od której Twoim zdaniem rozpoczął się stan równowagi. Jak zmieniła się funkcja RDF w stosunku do poprzedniego przypadku (układ początkowy). Dlaczego? Jaka jest granica pierwszej strefy uwodnienia? Czy jest druga? Porównaj wyniki z wartościami eskperymentalnymi. Zastanów się jak można poprawić wyniki.

13 W domu 1. Powtórz analizę dla układu o objętości , oraz A 3 oraz wybranych temperatur z przedziału 298 K do 350 K. Oblicz gęstości, funkcje rozkładu, ilość cząstek na sekundę opuszczających układ. 2. W dowolnym edytorze tekstu otwórz plik konfidugarcyjny zapisany przez Ciebie. Przeanalizuj komendy które się w nim znajdują i krótko opisz za co każda odpowiada (źródło