Chemistry 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Chemistry
标  题: 一些计算化学软件及网址
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jun 11 16:58:37 2003)

发表在《科学》, 1999, (6)61:62
一些计算化学软件及网址
李晓霞，周家驹，毛(博士)
化学软件是化学家利用计算机研究和解决化学问题的基本工具，在众多的化学软件中，

计算化学软件是一类最主要的软件。可以认为计算化学是在理论化学方法和实验数据
的基础上分析分子本身或分子间相互作用、预测分子的物性或生物活性的计算机化的
技术。计算化学的基本问题就是利用计算机模拟分子的化学结构和性质，即分子模
拟(Molecular Modeling)。分子模拟的结果有助于理解和解释实验现象，并可
提供通过实验无法获得的信息。下面根据分子模拟的具体功能来介绍
有关的方法和部分软件。
3D分子结构的检索与产生：通过实验测得的3D分子结构数据可以通过检索数据库获得，

免费检索布鲁克海文的蛋白质数据库PDB可获得生物大分子的3D结构实验数据，检索
剑桥结构库CSD可得到有机小分子及有机金属晶体结构的实验数据。由于目前已有的
3D分子结构实验数据与已知的化合物数目相比非常有限，从分子的2D结构自动产生3D
分子结构的软件得到了发展。德国Erlangen大学发展的著名软件CORINA，可通过结构
搭建自动生成有机小分子的3D结构，通过该站点可免费产生1000个分子的3D结构。
加拿大ACD公司用于绘制2D化学结构的免费软件ChemSketch从3.5版本开始增加了
从2D结构产生3D结构并进行显示的功能。
3D分子结构的显示：显示分子的3D结构是分子模拟过程中最基本的功能，目前的商业
软件一般都包括这一功能。一些免费的3D结构显示软件被广泛应用，如交互功能很强
的KineMage，RasMol也有良好的3D显示效果。目前已经实现了通过网络远程地显示分
子的3D结构，一般采用在Web浏览器装入插件的方法，MasMol可以作为浏览器插件使
用，MDL公司的Chime也是较早实现3D分子结构显示的浏览器插件。
表1. 与分子模拟有关的部分免费软件/数据库及其网址
软件/数据库名称                主要功能         网 址
蛋白质数据库PDB                   结构实验数据
             生物大分子3D    http://www.rcsb.org/pdb/
             国内镜像: http://www2.ipc.pku.edu.cn/mirror/mirror.html
CORINA 有机物分子3D          结构自动生成
             http://www2.ccc.uni-erlangen.de/software/corina/index.html
              软件不能下载，可在线免费生成1000个结构
ChemSketch          绘制2D结构、从2D生成3D结构并加以显示
             http://www.acdlabs.com/download/
KineMage             3D结构显示
            http://kinemage.biochem.duke.edu/website/kinhome.htm
RasMol  3D结构显示     浏览器3D结构显示插件
  http://www.umass.edu/microbio/rasmol/
Chime  浏览器3D结构显示插件
  http://www.mdli.com/cgi/dynamic/welcome.html
BABEL   分子模拟软件输入文件格式转换  http://www.ccl.net/cca/software/SOURCE

S/C/babel/index.shtml
软件一般都包括这一功能。一些免费的3D结构显示软件被广泛应用，如交互功能很强
的KineMage，RasMol也有良好的3D显示效果。目前已经实现了通过网络远程地显示分
子的3D结构，一般采用在Web浏览器装入插件的方法，MasMol可以作为浏览器插件使
用，MDL公司的Chime也是较早实现3D分子结构显示的浏览器插件。
表1. 与分子模拟有关的部分免费软件/数据库及其网址
软件/数据库名称                主要功能         网 址
蛋白质数据库PDB                   结构实验数据
             生物大分子3D    http://www.rcsb.org/pdb/
             国内镜像: http://www2.ipc.pku.edu.cn/mirror/mirror.html
CORINA 有机物分子3D          结构自动生成
             http://www2.ccc.uni-erlangen.de/software/corina/index.html
              软件不能下载，可在线免费生成1000个结构
ChemSketch          绘制2D结构、从2D生成3D结构并加以显示
             http://www.acdlabs.com/download/
KineMage             3D结构显示
            http://kinemage.biochem.duke.edu/website/kinhome.htm
RasMol  3D结构显示     浏览器3D结构显示插件
  http://www.umass.edu/microbio/rasmol/
Chime  浏览器3D结构显示插件
  http://www.mdli.com/cgi/dynamic/welcome.html
BABEL   分子模拟软件输入文件格式转换  http://www.ccl.net/cca/software/SOURCE

S/C/babel/index.shtml
分子叠合：在QSAR和QSPR计算时常需要通过分子叠合来比较同系分子。前面介绍的
免费软件KineMage可以用于分子叠合。一些著名商业软件包括分子叠合模块如Tripos公

司的GASP程序。
分子间相互作用及分子对接(docking)：研究分子之间、特别是生物分子复合物如药物
与受体之间的相互作用是非常重要的，但也非常困难。例如用量化方法研究分子间的
相互作用还只能在较小的体系上进行[1]。利用分子对接技术研究配体分子与蛋白质之
间的作用是一种常用的方法，一些著名商业软件包括分子对接模块如Tripos公司的
Alchemy 2000、Oxford Molecular 的AutoDock。
能量计算与最小化：计算分子体系的能量和分子体系中原子及分子的空间排布与体系
能量的关系。计算能量主要有三种计算方法，即经验方法(分子力学或称力场方法)、
半经验方法、从头算法(量子力学)。分子力学方法用于有机物的计算程序主要基于
Allinger的MM2和MM3力场，如Oxford Molecular公司的 CAChe、CambridgeSoft公司的
Chem3D采用改进的MM2力场，Tripos公司的Alchemy 2000采用MM3力场。
应用最广泛、用于生物大分子的力场是Kollman的AMBER和Karplus的CHARM，商业版
的AMBER由Oxford Molecular发行，CHARM则由MSI公司发行。半经验方法较
著名的软件有MOPAC、以及Oxford Molecular的可计算溶液体系AMSOL软件等。
从头算法应用最广的软件是Gaussian，最新版的Gaussian由Gaussian Inc.开发。
这类程序多数有很多版本，Internet上也有一些免费程序，
请参见ChIN网页[2]的化学软件目录，但由于算法的复杂性评定其可靠性比较困难。
构象搜索：采用经典力场通过最小化算法优化分子结构的方法是最通用的方法，其
局限性在于容易陷入局部最小，因此而发展了许多搜索构象的方法。常用的构象搜索
方法有系统搜索、分子动力学、蒙特卡罗、模拟退火方法等。Oxford Molecular的Chem

-X具有构象分析功能。
分子物性的计算：利用分子模拟方法可以计算分子的热力学性质、传递物性、
偶极距、静电势能、原子的部分电荷等。
表2. 开发分子模拟软件的一些公司及其网址
公司名称
 主要软件名称
  网 址
Oxford Molecular
 Tsar 、CAChe、Chem-X、UniChem、AMBER 、AMSOL 、AutoDock
 http://www.oxmol.com/
Molecular Simulations Inc. (MSI)
 Cerius2 、InsightII、WebLab、Catalyst、FELIX、QUANTA
  http://www.msi.com/
Tripos
 SYBYL、CoMFA、Biopolymer、TRIAD、GeneFold、MOLCAD、 Alchemy
  http://www.tripos.com/
CambridgeSoft (CS)
  ChemDraw、Chem3D、ChemFinder
 http://www.camsoft.com/
Gaussian, Inc.
 Gaussian
 http://www.gaussian.com/
Wavefunction, Inc
 SPARTAN、TITAN
 http://www.wavefun.com/
Serena Software
 PCMODEL
 http://www.serenasoft.com/
Fujitsu Ltd.
 MOPAC
 http://www.fujitsu.com/
Princeton Simulations
 Conformer
  http://www.conformer.com/
计算化学软件实现分子模拟的某一项或某几项功能，开发计算化学软件的公司也大致
可以分为两大类，有的致力于发展某一种软件如开发从头算软件的Gaussian公司、
开发构象搜索软件的Princeton Simulation公司。有些公司则可以提供分子模拟
各方面的软件如MSI公司。
计算化学软件发展的一个重要趋势是软件的高度集成，一些著名的商业软件公司一方
面在发展自己的软件时按照需要逐步向成套系列发展，另一方面则以自己的软件为基
础，通过建立与其他软件集成(add on)所需要的接口，来扩展软件的功能。
例如CambridgeSoft公司的ChemOffice 软件主要由2D化学结构绘制软件ChemDraw、
分子3D结构显示及模拟软件Chem3D、和化学结构检索软件ChemFinder三部分组成。
最新版本ChemOffice 2000所包括的ChemDraw Ultra 5.0可以实现化学结构和
命名之间的转换，使绘制分子的2D结构更加方便。绘制好的2D化学结构可立即通过
Chem3D显示其3D结构。Chem3D集成了许多最新分子模拟的计算功能如计算原子的
部分电荷、最新发展的物性预测方法等。要全面地了解商业软件的版本、功能，最好
的方法是访问其网址（请参见ChIN网页[2]的化学软件目录），表2给出了开发分子模拟

软件的著名公司及其网址。
随着PC机性能的不断提高，特别是分子图形化软件的发展，计算化学软件运行的平台
由超级计算机、工作站扩展到桌面系统(PC机)，例如在国外教学中使用较多的PC机分
子模拟软件PCMODEL可模拟最多包括500个原子的体系[3]。计算化学软件的用户界面
友好性得到不断改善，尽管多数计算化学软件需要具备一定的专业背景才能够使用，
一些计算化学软件已经发展到可以为普通的化学家所使用。表3给出了一部分可以运行
在PC机Windows操作系统下的分子模拟商业软件及其对用户专业背景的要求。
  软件名称  开发者及网址
 计算方法      程序功能  对用户专业背景的要求
Chem3D  CambridgeSoft       http://www.camsoft.com
 半经验及分子力学  通用模拟  适合各类用户
MOPAC   Fujitsu Ltd.      http://www.fujitsu.com
 半经验   分子和电子性质计算  中级用户
Gaussian  Gaussian Inc.  http://www.gaussian.com
 从头算及半经验  分子和电子性质计算  专业用户
Conformer  Princeton Simulations http://www.conformer.com
  分子力学  构象分析  初级用户
SciLogP, SciQSAR  Scivision http://www.scivision.com
  分子力学  3D性质预测  中级用户
参 考 文 献
[1] 朱维良，蒋华良，陈凯先，嵇汝运，分子间相互作用的量子
化学研究方法，化学进展，1999, 11(3):247-253
[2] 化学信息网ChIN: http://chin.icm.ac.cn/
[3] Matthew F. Schecht, Molecular Modeling on PC, Wiley-VCH Publishers, 1998

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