计算机分子模拟技术
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计算机分子模拟技术范文第1篇
但是由于中药组成成分繁多而且复杂，加上对实际起作用的药物单体结构认识不清、作用机制模糊等研究现状，传统的筛选方法是将各成分分离提纯出来测其分子结构并进行相应的药理试验，其工作量巨大、盲目性、耗时长、成本高且只能是小规模筛选，这些都使得中医药学得不到很好的传承和发展。
有助于新药研究
近50年来，随着计算机技术的进步，运用计算机技术模拟药物小分子与生物大分子相互作用的分子模拟技术得到迅猛发展，从最初只能模拟小分子之间相互作用到如今能实现分子量巨大的蛋白质的相互作用；从最初只能模拟几个皮秒的变化到如今模拟几十个纳秒的变化，这些发展历程表明分子模拟计算正朝着高精度、大体系、长时程的方向发展。
这为我们从现有的中药数据库中数以百万计的分子中筛选出新的药物先导分子，研制新的药物提供了极大的方便。我们可以将中药或复方看成天然组合的化学库，在目前已知的中药或复方有关化学成分信息基础上，利用计算机药物虚拟筛选技术探讨其可能的作用机理，为实验的进行提供重要的信息，如有效分子的构象等，这会使得实验具有比较强的导向性，提高药物设计的命中率和减少盲目性，同时减少大量人力物力的消耗。
可以说，应用分子模拟技术筛选药物改变了传统的盲目性的药物筛选模式，极大地减少了药物筛选的时间，降低了成本，增加了安全性，加快了研究过程，并增进了对分子具体作用机制的了解。
分子模拟利用理论方法与计算机技术，是指运用一定的软件，通过超级计算机模拟或仿真分子运动或分子间相互作用的现代技术，可广泛应用于计算化学、计算生物学、材料科学等多个学科领域。
计算机分子模拟技术通过分析和计算一系列活性药物分子的三维构象，可以了解某一类药物分子所具有的空间结构，这一技术对新药研究有很大帮助。
以国际大型药厂为例，在采用计算机模拟筛选以前，研制一种新药，平均需要花费10～12年的时间，耗资2. 0亿～3. 5亿美元，而新药上市成功率只有17%～20%，但由于模拟计算的加入，新药上市的时间缩短了2～3年，成功率提升至50%～60%。这些都表明，模拟计算大大加快了新药研发的进程，也为中药新药物的发现与发展带来了新的曙光。
三种主要的计算机虚拟筛选技术
随着国家“十二五”规划的出台，生物医药研发受到了前所未有的重视。而想在医药方面有重大突破，中医药有效成分研发势在必行。
在医学全球化的大背景下，随着技术进步和人文理念的转变，生命科学的研究正在飞速发展中，全球化组织也纷纷出台相应发展战略，如WHO提出“21世纪人人享有卫生保健”的目标，这些都为中医药现代化提供了良好的机遇。
中医药经过长期积淀，其临床疗效显著，对人体健康毒副作用较低，而且部分药物单体表现出了广泛的药理活性，对多种疾病均具有治疗效果。而分子模拟计算的高通量和高精度等特点很好解决中医药现代化进程中面临的诸多难题。模拟计算不仅能够实现中药单体的大批量筛选，而且能够探究其具体的作用机制，这为阐明中医药的药理活性注入了全新的活力。
由此观之，在模拟计算技术飞速发展的今天，中医药产业实现现代化是大势所趋。
众所周知，传统的实体的药物筛选需要构建大规模的化合物库，提取或培养大量实验必需的靶酶或靶细胞，并且需要复杂的设备支持，因而需要投入大量的资金。而虚拟药物筛选是将药物筛选的过程在计算机上模拟，对化合物的活性做出预测，这样就能够集中目标，大大降低实验筛选化合物的数量从而缩短研发周期、节约经费开支。
将虚拟药物筛选技术应用在中医药研发中，能够达到事半功倍的效果。现阶段计算机虚拟筛选技术主要有以下几种方法：
一是基于分子对接的筛选方法。具体而言，这个方法是基于一个靶点（通常是酶、受体、离子通道、核酸等）的三维结构，常常采用分子对接的虚拟筛选方法从小分子数据库中找到能与之匹配的候选化合物。
所谓分子对接，就是小分子与受体大分子通过几何匹配和能量匹配相互识别的过程，即在药物分子和靶点产生药效的反应过程中，两个分子先充分接近，然后采取合适的取向，使两者在必要的部位相互契合、发生作用，进而通过构象调整形成稳定的复合物。这就好比是锁与钥匙的原理，特定的钥匙（药物分子）只与特定的锁（蛋白质）作用，而筛选出来的新的先导化合物就是与特定的钥匙类似的药物分子。
另一种是基于药效团搜索的方法。药效团的概念早在1909年由德国科学家提出，特指载有活性特征原子的分子框架。现在泛指生物活性分子（一般指小分子）中对活性起重要作用的“药效特征元素”的空间排列形式。这些“药效特征元素”可以是某些具体的原子或原子团，比如氧原子、苯环等，也可以指特定的功能结构，如亲水基团、疏水基团、氢键供体、氢键受体等。在得到某类抑制剂的药效团模型后，就可以以药效团作为一个参照标准进行数据库搜索。从数据库中筛选得到符合该药效团模式的候选分子，而在这些候选分子中可能包含新的先导化合物。
此外，定量构效关系研究方法在现代药物设计方法中占有重要的地位，也是应用最为广泛的药物设计方法，其目的是利用理论计算和统计分析工具来研究化合物的结构与其生物效应之间的定量关系，在此基础上推断受体活性部位的结构，并在计算机中建立起这样的一个结构，以这个结构为模板，对药物进行筛选。
利国利民
模拟计算在中医药产业的应用可以极大地推动该领域的科研进程和市场发展，是一件利国利民的措施。
我国是一个人口大国，人均基础资源缺乏，每年有不计其数的患者在饱受疾病痛苦的同时还要面对药物带来的诸多毒副作用。根据有关临床研究，天然药物比合成药有较小的毒副作用和更加全面的人体保健功能。我国有着丰富的动、植物资源，结合先进的计算机技术合理开发利用，不仅有助于弘扬中华医学文化，造福患者，同时可以节省巨额的医药研发经费和生产经费。
计算机分子模拟技术范文第2篇
结构化学的加速发展使得其对计算机技术的需求越来越迫切，主要表现在三个方面：“1）化学计算的难度越来越高，许多结构化学和物理化学中的问题离开了计算机便不能获得圆满解决；2）化工设备和工艺对自动化的要求越来越高，而且对许多化工过程，人工进行控制已经相当困难，需要高可靠性的控制系统；3）化学和化工实验研究的高费用和高风险性质也驱使人们探讨利用计算机模拟技术部分代替实际的化学和化工实验，以降低研究成本和减少风险。”因此，随着各类计算和模拟软件的开发，计算机越来越多地应用到结构化学的研究和教学中。就教学而言，首先应该使学生明白计算机技术在结构化学中的重要地位，其次掌握相关软件进行实际操作。学生需要学习并掌握以下几个方面的技术。
1.用计算机进行结构化学计算结构化学的研究涉及到原子和分子的结构关系及性能之间的关系，而作为微观粒子的电子、原子、分子等实物粒子具有波粒二象性，这样就涉及到实物粒子的波长、质量等计算。要完成复杂的计算需要借助计算机。用计算机进行结构化学计算需要借助专业软件。目前已经有很多功能强大的软件应用于结构化学的计算。主要有：
（1）Hyperchem。美国Hypercube公司出版的分子模拟软件，可以进行量子化学、分子动力学、分子结构等方面的计算。该软件的主要计算类型有单点能、几何优化、计算振动频率得到简正模式、过渡态寻找、分子动力学模拟、Langevin动力学模拟、MetropolisMonteCarlo模拟。支持的计算方法有：从头计算、半经验方法、分子力学、混合计算。可以用来研究的分子特性有：同位素的相对稳定性、生成热、活化能、原子电荷、HOMO-LUMO能量间隔、电离势、电子亲和力等。这款软件的优点是高质量、高灵活性和容易操作，是结构化学必学的一款软件。
（2）Gaussian。这是一款功能强大的综合性的量子化学软件，其最广泛的用途是做半经验计算和从头计算。其可执行程序可在不同型号的大型计算机、超级计算机、工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。它的功能有：过渡态能量和结构计算、键和反应能量计算、原子电荷和电势计算、振动频率计算等等，还可以预测周期体系的能量、结构和分子轨道。因此，Gaussian是应用研究领域广泛的强大工具。
（3）AccuModel。这是一款准确简单的分子力学计算软件，其功能有：能够建立并演示准确的分子结构模型；提供计算结构参数和热力学参数的手段；基于优化计算对分子模型能够进行几何和构象处理；利用能量计算方法对分子进行构象分析等。计算在结构化学学科中有相当重要的意义，只有严密而准确的计算才能得出分子、原子等实体粒子的结构和功能之间的关系。在信息量大、处理困难、单靠人脑无法准确计算的今天，用计算机进行计算是不二选择。而各种计算软件的学习则是学习结构化学的基础所在，因此课堂上的学习和课下的掌握都相当重要。
2.用计算机进行结构化学过程模拟由于结构化学实验和研究的费用和风险越来越高，大规模地进行实验有时候反而得不偿失。采用计算机模拟的方法则可以减少实验费用、降低实验风险、并扩大研究的范围，从而提高研究速度和效率，以最小的成本达到最好的效果。计算机的结构化学过程模拟主要包括两个方面：仿真模拟和数值模拟。数值模拟在科学领域中更为重要。这两种过程模拟可以更好地研究结构化学的反应机理、模拟过程、并推测结果，从而获得反应参数以指导科学研究。
用计算机进行结构化学过程模拟最常用的软件ChemicalKineticsSimulator0（以下简称CKS0）是少量的、比较出色的化学动力学商业软件之一。它的主要功能有：可以在产物并不清楚的条件下使用，反应物和产物可以用代码表示；处理范围宽泛，浓度和速率数值范围可达8个数量级；除了能够处理常规均相反应之外，还可以处理诸如界面吸附、膜形成、物质交换等化学和物理过程中的动力学问题；软件的使用需要事先了解必要的反应机理、速率常数、反应条件、相关热力学常数、物质的物理状态、等信息；模拟结果以关系曲线图和数据表格形式给出。“CKS0的操作主要包括建立化学反应文件、输入化学反应机理、输入反应条件、输入模拟条件、模拟运行和显示输出模拟结果6个步骤。”CKS0以其强大的功能用于各种化学反应的模拟，如甲基丙烯酸甲酯的聚合反应模拟、五氧化二氮的热分解反应模拟、固体表面吸附过程模拟、膜形成过程模拟等。这些软件在教学过程中产生的效果是显著的，它们使得教学过程有趣、丰富、生动、活泼，一对一的教学模式使得学生学习更加主动。学生不再为复杂的计算过程而一遍一遍地伤透脑筋，也更加直观地认识到分子、原子的结构。
二、计算机技术的应用效果评价
计算机应用到结构化学的教学中有多种形式，如：计算机多媒体教学、计算机交互链接式教学、计算机题库教学等。这里重点评价计算机软件教学。与国外某些发达国家相比，我国的软件教育相对落后，软件的出版和供应相对较少，且优秀的软件都来自国外，要想教学生使用，老师首先要有丰富的使用经验和较好的外语修养。
1.计算机技术教学的效果虽然有这些困难，我国计算机技术的教学效果是值得肯定的。首先，从教材上来讲，我们已经拥有大量的软件教学课件，这些课件来自于我国化学教师与计算机工程师的共同努力。他们编写了很多教材，如《计算机在化学化工中的应用技术》等，还有大量的课件应用于课堂之上，甚至通过国际互联网获得国外的教学课件，极大地丰富和完善了我国软件教学的教材。其次，从技术资源上来讲，刚开始时使用的由国外大学或中学开发的自由软件已经不能满足结构化学快速发展的需要，我国目前使用较多的是大型商业软件，这些软件由专业公司开发，软件的性能和质量能够保障。
2.计算机技术教学的不足尽管取得了很多成果，我国的计算机技术教学还是存在很多不足。
（1）硬件的缺乏。虽然教材资源丰富，但是硬件系统跟不上也会影响教学效果，如电脑的操作系统跟不上时展。计算机技术日新月异，更新换代很快，如果不能积极地引入新型计算机会浪费掉很多优秀的教师和教材资源。
（2）应试教育的副作用明显。多年的应试教育训练使得当代大学生习惯了考试才会努力，如果一门学科不是以考试为目的的学习，则缺乏学习兴趣，导致授课效果不理想。
（3）教师的教育观念偏差。目前我国大多数高校普遍存在的一个问题是教师上课积极性差，对待学生的态度不够严格，导致很多学生上课不认真、下课不复习、操作时间短，无法掌握软件的使用要领。
计算机分子模拟技术范文第3篇
关键词：计算机 趋势 发展
一、计算机科学与技术的发展趋势
（一）计算机科学与技术实现了智能化的超级计算
可能你不知道，超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器（机）组成，能完成普通计算机和服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果，能推动各个领域高精尖项目的研算、传翰和存储。光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。总之，计算机科学与技术实现了智能化的超级计算。
（二）计算机科学与技术实现了分子计算机
大家都知道，分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高，分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子，所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进人实用阶段。也就是说计算机科学与技术实现了分子计算机。
（三）计算机科学与技术实现了纳米计算机
纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围，质地坚固，有着极强的导电性，能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中，那时问你家里有多少计算机，你也数不清，你的笔记本，书籍都已电子化。再过十几、二十几年，可能学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料所以有人预言未来计算机可能像纸张一样便宜，可以一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。
（四）计算机科学与技术实现了量子计算机
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态。使信息沿着聚合物移动。从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此，一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，其运算速度可能比目前计算机的Pentium DI晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错等。量子计算机使计算的概念焕然一新。
二、计算机科学与技术的发展趋势总结
计算机科学与技术的发展，将朝着向信息的智能化发展。计算机技术的大多数领域以应用学科和工程学科的出现为标志，这些学科的职责是促进与实践有关的认识的发展，这些学科常吸收更为基础的学科，提高就能有实践的进步，在对计算机技术研究中，发现常有另外一条路径，这个过程存在着强烈的相互作用，有关半导体是如何运行的理论也建立了起来，这是用它们能够使计算机技术的实践中普遍存在的问题得到解决，或者说是促进实践的发展。能实现或更困难一些。显然，选择机制在计算机技术的实践进化和认识进化之间明显地提供了一种双向的连接，推动计算机技术的快速发展。参考文献：
[1]王华.计算机技术发展[J].电脑与电信，2013（02）.
计算机分子模拟技术范文第4篇
1 DNA平面结构模型制作过程
在课前运用Flash4.0软件工具栏中的工具分别制作成球形磷酸、五边形脱氧核糖、四种不同颜色形状的碱基方块，将它们生成符号，属性定为图形，命名为磷酸、脱氧核糖、碱基A、碱基T、碱基C、碱基G，如图1所示：
然后再调出以上符号，排列形成一条脱氧核苷酸短链和DNA分子平面结构片段。同样将它生成符号，属性定为图形，分别命名为短链和DN段。以上符号的图形可以作为排列成DNA分子平面结构的材料，由于图形已经分别生成了符号，可以反复调用。在多媒体教室，教师将提供的原料（以上图形符号）以Flash文件形式发送到学生主机上。其中符号脱氧核苷酸短链和DN段，作为教师提供给学生的范例，学生可以多次调用符号库中的磷酸图形、脱氧核糖图形、4种碱基图形，并利用所学Flash软件的基本技术将它们分别组装成不同碱基数目和顺序的脱氧核苷酸链，最后形成如符号库中教师所提供的DNA分子平面结构片段。
2 DNA立体结构模型制作过程
DNA立体结构主要是突出DNA分子的双螺旋结构，即脱氧核糖和磷酸交替构成的两条链形成螺旋结构。同时两条链之间形成碱基互补配对。做成螺旋片段，如图2所示。
同样将它生成符号，属性定为图形，命名为螺旋片段。接着教师利用生成的螺旋片段符号，为学生提供一个DNA双螺旋的范例，如图3所示。
也将图形生成符号，命名为DNA螺旋片段。学生就可以通过符号库调用，作为利用螺旋片段符号合成DNA双螺旋的参考，再利用符号库中的碱基图形，将两条链之间的碱基对补充上去，形成完整的DNA双螺旋结构。然后选择菜单Control中的TestMove将图形放大。这样，学生的实验操作过程就完成了。
3 学生分析和教师的引导
学生在用计算机做好DNA平面结构和立体结构后，对照图形，教师有目的地引导学生分析以下几个问题：
（1） 回忆DN面结构和立体结构是如何一步一步做成的。
（2） 相互比较所做成的DNA分子中的碱基数量和顺序差别（教师在实验过程中没有具体要求），分析：这些差别意味着什么？DNA是如何储存遗传信息的？
（3） DNA立体构型是怎样的？每个脱氧核苷酸之间在什么部位相互连接成长链的？
（4） DNA分子两条链的方向是怎样的？
由于学生制作的DNA图形直观、形象，可以随意移动、组合、放大、修改，再加上计算机的交互性，教师可随时调用学生所做的范例进行分析，所以学生很容易回答上述问题，从而加深了对DNA分子结构特点的了解。
计算机分子模拟技术范文第5篇
一、课程整合的基础理论
（一）课程整合的概念
从理论上讲，课程整合意味着对课程设置、各课程教育教学的目标、教学设计、评价等诸要素作系统的考量与操作，也就是说要用整体的、联系的、辨证的观点来认识、研究教育过程中各种教育因素之间的关系。
狭义的课程整合指的是，考虑到各门课程的有机联系，将这些课程综合化。广义的课程整合，即课程标准不变，但是相关课程的课程目标、教学与操作内容（包括例子、练习等）、学习的手段等课程要素之间互相渗透、互相补充。当这些互相渗透和补充的重要性并不突出，或者已经非常自然，到了潜移默化的程度，就没有必要提“整合”了，反之，就需要强调“整合”。
（二）当今世界对课程整合的研究
目前，国内对课程整合比较主流的理解是“把计算机技术融入到各学科教学中”，就像使用黑板粉笔一样自然、流畅。这种观点将课程整合的重点放在CAI（计算机辅助教学）上。它突出计算机作为工具，去辅助各传统学科的教学。
从世界范围来看，在实现信息技术与课程整合的理解目前是第一种模式占主流地位，第二种模式已经引起越来越多的关注，一些不发达国家的教育也积极加入信息技术与课程整合的行列中来。可以肯定信息技术与课程整合是未来教育发展的必然趋势。
二、信息技术与化学学科的课程整合的探究和实践
课堂教学向着多媒体化、智能化、网络化发展，必将大大促进对未来一代化学的教育。如果说化学教学中的实验教学在提高学生能力和化学素质上的作用是不可低估、不可代替的教学手段，那么从现在开始，使用计算机辅助化学教学将会异军突起，在体现和实现教学目的观、结构观、质量观和发展观方面将成为不可多得的形式。。
（一）利用多媒体软件解决物质结构教学中的难点
在《离子键与共价键》、《极性分子与非极性分子》两节教学中，利用计算机模拟核外电子运动、化学键的形成和分子模型就会很成功。这一内容抽象、枯燥、难度大，用一般模型演示不能给学生以动感，而且容易使学生概念模糊。计算机的二维及三维的图象与动画模拟达到了其他教学手段无法达到的效果。形成离子键时电子的转移、阴阳离子的形成、离子间引力与斥力的平衡等都表示的清清楚楚。使学生有了直观的感受，并且能科学准确地理解化学键的实质和特征。
（二）利用计算机模拟实验改进实验教学
对于药品太贵、装置复杂、反应中产生有毒有害物质的实验，应用计算机模拟整个过程，并且将各步实验操作进行分解，反复演练，直到学生掌握为止。
1.各种制备反应的装置、演示实验一般比较复杂、现象不明显，可按教学要求设计一定的操作步骤、模拟演示实验装置和过程，尤其可以针对操作中的注意事项设计一定的解释指导内容，及时反馈，比通过实验报告的反馈要及时、全面。例如，《原电池》利用计算机把无法用肉眼观察到的电极反应的微观变化模拟成宏观图景加以演示，弥补了化学实验为难以展现的微观世界的动态变化。软件的运用交错穿插在学生实验和教师讲解之间，教学效果达到了最佳状态，使学生理解透彻、掌握准确、印象深刻、记忆牢固。
2.对于一些研究物质性质的实验，运用计算机辅助之后，可以更广泛的选材，扩大书本内容，提高对比度。例如：在《金属和非金属的性质》这节的教学当中，我们可以用计算机预先设计出每种金属与非金属的反应现象，这样学生可以在段时间内看到多个实验，对比记忆印象深刻，而且毒性较大的物质的反应现象也可以课堂上演示。可见，利用计算机模拟化学实验，不仅扩大了学习内容的范围，缩短了学习时间，节省了实验场地和药品仪器，还大大提高了学生的学习效果。当然，尽管这是一种很好的教学形式，但它并不能完全取代化学实验室中的实验，对于有条件做的化学实验我们应该尽量多做，这样可以提高学生的实际动手能力。
（三）利用网络资源丰富课堂教学内容
