分子模拟与计算机化学

课程编码：180082070304P3004H 英文名称：Molecule Simulations and Computational Chemistry 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：计明娟等

本课程是以分子力学和统计力学原理为基础，介绍分子模拟中各种技术的理论背景；结合现代计算机技术进一步介绍分子模拟和计算机化学如何在化学、材料和药物研究各个领域的应用及前沿研究概况。课程内容包括三大部分：基本原理、计算方法和应用。通过本课程理论学习，结合实验课上机操作，使学生初步掌握分子模拟的基本原理和利用计算机技术及相应软件研究药物、材料等分子结构、性质和功能之间的关系；进一步掌握分子模拟和计算机化学在新分子设计中的应用，为今后的科学研究打好基础。

普通化学（或无机化学上），物理化学

第一章 绪论 2学时 计明娟
第1节 定义，理论模型，
第2节 分子模拟的发展历史、意义和研究现状。
第二章 分子模拟中的有用概念 1学时 计明娟
第1节 坐标系，势能面，表面，分子图形，计算机硬件、软件及网络。
第三章 经验力场模型：分子力学 6学时 计明娟
第1节 引言
第2节 分子力场的势函数形式，力场的一般特征，
第3节 经验势中多体效应和有效对势
第4节 氢键和液体水模拟的力场模型，
第5节 联合原子力场和简化表达，
第6节 能量函数的微分
第7节 利用力场计算热力学性质，
第8节 力场的分类和力场参数的拟合
第四章 分子模拟中的最优化方法 3学时 计明娟
第1节 最优化问题概述。
第2节 最优化条件，最优化方法。
第3节 数值优化方法（最陡下降法、共轭梯度法、牛顿法）。
第4节 非数值优化方（模拟退火、遗传算法、人工神经网络）。
第五章 分子动力学模拟方法 6学时 计明娟
第1节 引言
第2节 简单模型的分子动力学，
第3节 具有连续势的分子动力学，
第4节 分子动力学模拟的设置和运行
第5节 限制分子动力学
第6节 合并溶剂效应的分子动力学（平均力势和随机动力学）
第7节 恒温、恒压的分子动力学
第8节 边界条件和截断值方法
第9节 分子动力学模拟轨迹分析
第六章 蒙特卡罗模拟方法 6学时 计明娟
第1节 引言
第2节 由积分计算性质
第3节 Metropolis Monte Carlo 方法的理论背景和应用，
第4节 刚性分子的Monte Carlo模拟，
第5节 柔性分子的Monte Carlo模拟，
第6节 高分子Monte Carlo模拟中的模型使用，
第7节 ‘Biased’ Monte Carlo 方法，
第8节 不同系综的Monte Carlo取样方法，
第9节 化学势的计算
第10节 相平衡模拟
第11节 Monte Carlo和分子动力学方法比较
第七章 构象搜索方法 5学时 计明娟
第1节 引言
第2节 系统搜索方法，模建方法，距离几何方法，
第3节 随机搜索方法，模拟退火方法，遗传方法，
第4节 簇算法和模式识别技术，
第5节 在预测肽和蛋白质结构中构象分析的规则
第八章 分子对接方法 6学时 计明娟
第1节 分子对接的理论基础
第2节 分子对接方法的分类（刚性对接，半柔性对接，柔性对接）
第3节 分子对接方法中的重要问题（搜索算法、结构优化算法、打分函数的设计和选择），几种有代表性的分子对接方法，虚拟筛选的策略。
第4节 几种有代表性的分子对接方法（Dock，Autodock，Flex）.
第5节 虚拟筛选的策略
第九章 溶剂效应 3学时 计明娟
第1节 显示溶剂模型
第2节 连续介质模型
第3节 表面加和模型
第4节 PB/SA模型,GB/SA模型
第十章 增强采样和自由能计算 4学时 崔巍
第1节 经典采样方法的局限，增强采样方法的基本思想
第2节 拉伸动力学、伞形采样方法、自适应偏置力方法、元动力学，REMD
第3节 自由能计算，自由能微扰方法、基于主方程的自由能方法
第十一章 统计学习与机器学习方法 6学时 崔巍
第1节 经典多元统计方法与计算化学：定量构效关系
第2节 计算化学中的监督学习：支持向量机的应用
第3节 计算化学中的非监督学习：主成分分析
第4节 人工神经网络在计算化学中的应用

计明娟 教授 博士生导师。 1978年毕生于北京大学化学系。自1978 年入校至今，先后开设并主讲《生物化学》、《结构分子生物学》、《分子模拟原理及其应用》、《分子模拟与计算机化学》和《计算化学实验》等课程。主要开展基于PTP1B结构的抗糖尿病药物分子设计和基于G3BP、AURORA结构的抗肿瘤药物设计。先后主持过国家自然科学基金重点项目子课题2项和面上基金3项，国家科技部项目2项；科学院项目2项。培养硕、博研究生11名。
崔巍 副教授 硕士生导师。2003年于北京大学药学院获理学学士学位，2009年于中科院研究生院获理学博士学位，2010年入校至今，先后开设并主讲《药物化学》、《生物分子结构化学》、《计算机辅助药物分子设计》、《物质结构与分析实验》、《无机化学实验》、《计算化学实验》等课程；先后担任本科《化学原理》、《无机化学》教师助教。主要开展计算机辅助药物设计和分子模拟研究，先后主持和参加国家自然科学基金项目3项，培养硕士研究生4人，在读3人。