平台教程丨添加原子电荷

前言

Introduction_

本教程将指导您如何使用殷赋云平台为分子添加原子电荷，并检查分子中是否存在Amber GAFF力场所缺失的拓扑参数。

我们的工具提供了两种主流的电荷计算方法：RESP拟合静电势和AM1-BCC，以确保您的分子模型在进行分子动力学模拟时既准确又可靠。

01预备知识概述

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原子电荷

原子电荷是指原子在分子中由于电子云分布不均而产生的局部电荷，这种电荷分布对分子的性质和相互作用有着显著影响。为了模拟这些复杂的电荷分布，科研人员开发了多种点电荷模型，其中包括Mulliken、MK、MMFF94、AM1-BCC、Gasteiger和QEq等。

这些模型通过不同的计算方法为原子赋予电荷，以便于在分子间相互作用的模拟中使用，如分子对接和分子动力学模拟。在这些模拟中，原子电荷是计算分子间相互作用力的关键参数，因此选择合适的电荷模型对于模拟结果的准确性至关重要。

Mulliken模型基于量子化学计算，通过波函数来分配原子电荷，而MMFF94是一种分子力学力场，它在模拟分子的几何结构和能量时也包括了原子电荷的计算。AM1-BCC结合了半经验量子化学方法和基于约束的电荷计算，而Gasteiger模型则基于分子电势场来计算原子电荷。QEq是一种量子化学的等化方法，用于精确计算原子电荷。

在进行分子模拟之前，必须为分子中的每个原子赋予一个电荷值。这些电荷值将用于计算分子间的相互作用，如静电作用和范德华力。

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拟合静电势电荷

在分子模拟领域，原子电荷的准确计算对于理解和预测分子行为至关重要。其中，拟合静电势电荷方法因其在模拟刚性分子时的适用性而备受关注，尤其是Merz-Kollman (MK)、CHELPG和RESP这三种方法。

RESP（Restrained ElectroStatic Potential）方法，由Kollman等人在1993年提出，已成为Amber分子动力学模拟中计算有机小分子电荷的首选方法。它依赖于量化计算软件（如Gaussian、ORCA）来获取分子的静电势，并通过限制性拟合计算得到原子电荷。

与此同时，AM1-BCC电荷计算方法，由Bayly等人在2000-2002年提出，是Amber中自带的计算程序。这种方法首先在AM1理论水平下优化分子结构并计算静电势，随后进行键电荷校正（BCC）。

尽管AM1-BCC方法在计算成本上低于RESP，且准确性可能稍逊，但它在处理大量分子或在缺乏Gaussian等商业软件许可的情况下（可用量化计算ORCA 4.2替代），仍然展现出显著的优势。

因此，根据模拟的具体需求和条件，科研人员可以选择RESP或AM1-BCC方法来计算原子电荷，以确保分子模拟的准确性和效率。

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净电荷

净电荷是化学中描述分子中所有原子正负电荷代数和的概念，它代表了分子中不能被完全抵消的正电荷或负电荷。

通常情况下，由于电荷的基本单位是电子的电荷，分子的净电荷总是一个整数。对于中性分子而言，其正负电荷完全平衡，因此净电荷为0。而带电分子的净电荷则直接反映了其含有的价电荷，即在化学反应中能够参与电荷转移的电荷数量。

例如，乙酸在正常状态下是一个中性分子，其净电荷为0，但如果去质子化（即脱去羧基氢），它将获得一个负电荷，净电荷变为-1。同样，十八烷基胺在未质子化时净电荷为0，但一旦质子化（即获得一个额外的氢原子），它的净电荷将变为1。

02操作步骤

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进入【添加原子电荷】

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上传分子结构文件

分子结构需为良好的3D结构，无氢原子缺失。可使用【准备化合物】小工具进行处理。

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设置净电荷

通常情况下，平台会默认自动计算分子的净电荷，这意味着您无需进行任何手动输入，程序将根据分子的结构自动确定净电荷。

然而，对于一些特殊或复杂的分子结构，自动计算的净电荷可能会出现错误。在这种情况下，您需要根据自己的化学知识和对分子结构的理解，手动判断并填写正确的净电荷值。

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选择电荷计算方法

RESP：在使用该计算方法时，您需要上传一个包含静电势数据的量化计算文件。您可以采用平台量化计算方案进行计算。

在使用这些文件时，用户还需要指定文件中使用的计算程序，因为不同的计算程序可能有不同的输入格式和参数设置，这对于后续的数据处理和分析至关重要。

AM1-BCC：在您使用AmberTools 20中的sqm半经验程序进行电荷计算时，无需提供额外的数据文件，因为提交任务后系统会自动调用sqm程序进行即时计算。

然而，对于较大的柔性分子，这一计算过程可能会比较耗时，有时甚至可能因为超出默认的时间限制（10分钟）而导致计算失败。此外，AM1-BCC方法在计算精度上通常不如RESP方法。

因此，除非存在特殊情况，否则强烈推荐您优先选择RESP方法进行电荷计算，以确保获得更高精度和可靠性的结果。

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点击【生成】，等待返回结果

本工具不仅能够计算原子电荷，还能检查分子中是否存在Amber GAFF力场所缺少的参数。这一检查过程对于使用Amber力场进行分子动力学模拟的用户来说至关重要。

GAFF力场已经相当成熟，覆盖了绝大多数有机小分子结构，因此参数缺失的情况较为罕见。然而，如果确实遇到参数缺失的问题，您需要下载ligand.frcmod文件，并手动填补缺失的参数。

在完成参数补充后，您应在提交分子动力学计算时上传ligand.frcmod文件，以确保模拟过程中能够正确应用这些补充的参数。对于那些不使用Amber力场的分子模拟，这一检查和参数补充的步骤可以忽略。

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查看电荷分布，下载分子结构文件

在分子视图中，您可以直观地查看生成的原子电荷。特别需要关注极性原子及其邻近区域的电荷分布是否合理，这对于理解分子的电性质和进行准确的分子模拟至关重要。

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