bioqm 生物分子的分子量一般都比较大 先用分子动力学方法对初始结构进行优化,再对优化后的结构进行高精度的从头算或密度泛涵计算,得到较好的计算结果

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生物分子的分子量一般都比较大,因此在量子化学的计算中要受到计算能力的限制。对于分子量较小的分子,很容易用从头算和密度泛涵的方法进行计算,然而对于分子量较大的分子,很难用高精度的方法进行计算。可以从两个方面的来解决这个问题:i. 应用半经验算法来进行计算,降低计算精度;ii. 先用分子动力学方法对初始结构进行优化,再对优化后的结构进行高精度的从头算或密度泛涵计算,得到较好的计算结果

量子化学在生物学领域的应用与研究进展

但是，电子学说也有其难处。在说明诸如萘那样的不具有取代基的芳香族烃的反应性时遇到了困难。这种化合物，其取代反应，无论对于富电子反应试剂，还是对于缺电子反应试剂，都是在同样的位置上发生。我想，这个课题对于想要将量子理论引用来说明化学的经验事实的我来说，是再好不过的一个课题。我不像以往那样，把电子密度作为全部电子的和来求得，而是尝试仅取出在跟富电子试剂和缺电子试剂分别反应中，具有特别意义的特定轨道的密度来计算看看。结果出乎意料，这些轨道的扩展方式跟反应性的对应关系相当好。1952年起陆续发表了这些结果，从此，所谓“轨道”这一概念的性质之一开始跟实验结果结合起来了。
  特定轨道的性质中，特别是特定轨道节面构型跟化学反应实验结果的相结合，是其后直至1964年的事。直接的反应示例是Diels—Alder反应。1965年，Woodward和Hoffman将其推广到一般的环式反应。这样就明确了：特定轨道的扩展方式跟化学反应的经验是具有密切关系的。换句话说，借助于以图表示这样的轨道性质、轨道图形(0rbitalPonem)，而直观地说明、推定实验事实理应是可能的。
  化学，特别是对于具有复杂特性的有机化学，通常是应用基于实验结果的类推这一手段来进行研究。类推时，具有一定理论根据的概念可作为基础。前述的有机电子学说中的总电子密度，以及后述的特定轨道方法中的轨道图形的想法，可分别作为其基础概念而被应用。这种轨道图形方法的应用范围逐渐扩大，不仅涉及到反应论，而且似乎也波及到构造论和物性论


另一方面，计算机的发展和量子化学计算方法的进步使得进行精确度非常高的能值计算成为可能，几乎大有无止境之势。在有关分子能量的问题上，即使说有时计算的精确度已经超过实验


计算显微镜(computational microscope) 方法 
该方法由加拿大学者Mezey 等人于1994 年提出。首先运用ab in itio 方法对组成大分子的各小分子碎片进行电子密度的计算, 然后基于M EDLA (mo lecu lar elect ronden sity lego addem ber) 原理运用计算机进行模糊电子密度碎片叠加而得到大分子的电子密度图像。有文献报道了由1384 个原子组成的蛋白质的电子等密度图, 声称其精度甚至可相当于6-31G的从头计算水平。这是模糊数学方法在计算大分子体系电子密度图像方面的成功应用


定域分子轨道法( localized molecular orbitals, LMO) 
该方法由Stewart 于1996 年提出。它提供了一条运用半经验量子化学方法研究包含数以千计个原子的大分子体系的途径。Stewart 认为常用的量子化学计算方法不能研究生物大分子体系的原因是无法实现自洽场(SCF)方程的求解。对于一个包含N个原子的体系, 被占分子轨道和原子轨道与原子数N 成正比, 因此,密度矩阵元数将以N2增加, 同时在每一个矩阵元的计算过程中所需要的计算量以N2增加,故在密度矩阵的计算中整个计算量将以N3增加。在这种情况下, 即使不考虑其它因素, 传统的半经验量子化学方法用来计算诸如酶这些大体系在时间上也是不现实的。这样, 求解密度矩阵就成了问题的关键。为了有效地减少密度矩阵的计算量, Stewart 提出用定域分子轨道来求解自洽场方程。分子轨道(molecular orbitals, MOs) 的生成可从定域分子轨道开始, 这种定域分子轨道对应于分子结构的Lewis 电子结构。传统的分子轨道遍及整个体系, 而定域分子轨道高度定域化。这样, 在涉及定域分子轨道的计算时, 仅仅计算LMOs 所涉及到的某些区域而不必遍及整个体系。为了生成自洽场,LMOs 必须作足够的扩展, 因此定域分子轨道方法求解自洽场方程用于处理小分子体系并不体现什么优势, 但当处理大分子体系时, 密度矩阵的计算仅随体系的增大成线性增加, 从而显示出该方法的优势, 这主要有以下3个原因：(1) 涉及远距离占据及虚设定域分子轨道间的相互作用为零, 而不为零的相互作用与LMOs 数有关。对于大体系,LMOs 规模仅决定于体系的大小, 故这种作用仅随体系规模呈准线性增加；(2) 密度矩阵的计算可只限于那些由定域分子轨道表示的矩阵元。