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Moleküldynamik für biologische Anwendungen SimuLab Forschungszentrum caesar Vortragender: Stefan Hartmann.

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Präsentation zum Thema: "Moleküldynamik für biologische Anwendungen SimuLab Forschungszentrum caesar Vortragender: Stefan Hartmann."—  Präsentation transkript:

1 Moleküldynamik für biologische Anwendungen SimuLab Forschungszentrum caesar Vortragender: Stefan Hartmann

2 Themen Mathematische Modellierung von Atomen und Molekülen Newtonsche Bewegungsgleichungen – Kräfte zwischen Teilchen (Potentiale) Biologische Anwendungen – Proteine, Lipidschichten, Micellen

3 Einführung Jegliches Material ist aus Molekülen und diese sind aus Atomen aufgebaut. Atome selber bestehen aus Atomkern und Elektronen. Bindungen entstehen durch elektronische Wechselwirkungen.

4 Aggregatzustände Gasförmig Flüssig Festkörper

5 Physikalische Effekte entstehend auf vielen Skalen in Raum und Zeit –Mikroskopische Effekte haben Konsequenzen auf dem makroskopischen Level. Mathematische Modellierung und numerische Simulationstechnik muss die geeignete Skala berücksichtigen! Skala

6 Beispiel: Rissausbreitung Kontinuums-Skala Elastizitätsgleichung Quanten-Skala Schrödingergleichung atomistische Skala Newtongleichung Moleküldynamik

7 Gesamtmolekül: atomistische Skala Newtongleichung Moleküldynamik reaktive Stelle: Quanten-Skala Schrödingergleichung HIV Proteinase-Komplex

8 Klassische Potentialfunktionen Lennard –Jones Potentialparameter Coulomb, Gravitation

9 Moleküldynamik Newton-Gleichungen Partikelorte Massen Geschwindigkeiten Zeit N Partikel wird aus der gewählten Potentialfunktion berechnet.

10 Algorithmus t=0: Wähle Anfangspartikelorte und Anfangsgeschwindigkeiten, berechne die zugehörigen Kräfte für Zeitschritte k=1,2,3…. – berechne neue Geschwindigkeiten – berechne neue Partikelorte – berechne neue Kräfte

11 Astrophysik: Gravitationpotential Partikel sind Planeten oder ganze Galaxien Simulation von Planetenbewegungen, großräumige Struktur des Universums

12 Beispiele mit VMDL ein, zwei, drei und mehr Teilchen 25 Teilchen (Gas mit geringer Dichte) Exp1: 144 Teilchen (Gas mit hoher Dichte) Exp 1a: Kondensation in Tropfen Exp 1b: Kristallbildung

13 Makroskopische physikalische Größen Energie: Temperatureinstellen durch Skalieren der Geschwindigkeiten Gleichverteilungssatz der Thermodynamik mit kinetischer Energie

14 Beispiele mit VMDL eine Teilgebiet mit Teilchen gleichen Typs füllen, anschließend sukzessive die Temperatur erniedrigen. Wer schafft es einen Kristall zu erzeugen ? Bei welcher Temperatur entsteht der Kristall ?

15 NaCl-Schmelzen Wirken: MD

16 Schwerkraft Schwerkraft ist zusätzliche globale Kraft im System

17 Beispiele mit VMDL Ordne eine Schicht schwerer Teilchen in der oberen Hälfte des Gebiets und eine Schicht leichter Teilchen in der unteren Hälfte an. Was passiert ?

18 Rayleigh-Taylor-Instabilität

19 Potentialfunktionen für Moleküle Moleküle: Gruppe von Atomen mit Bindungen

20 Potentialfunktionen für Moleküle Paar Bindungstypen: Winkel Dihedral-Winkel Komplizierte Funktionen!

21 Kohlenstoff-Nanotubes

22 Struktur von Kohlenstoff-Nanotubes (n,n): armchair (θ=30) (n,0): zigzag (θ=0) (n,m): chiral (0<θ<30) θ θ metallisch: (n-m) ist ein Vielfaches von Drei halbleitend: (n-m) ist kein Vielfaches von Drei Einzigartige Materialeigenschaften: –Große Festigkeit, niedriges Gewicht –Hohe Stabilität und Elastizität Welcher Typ von Nanoröhre ist am stärksten unter Last ? Kohlenstoff-Nanoröhren sind aufgerollte Graphitlagen

23 Carbon (7,0)-Tube => Zigzag tubes vertragen höhere Last als armchair tubes Ziehen, bis es reißt

24 Fullerene

25 Proteinsimulationen Simuliere die Dynamik von Peptiden und Proteinen in Lösung Studiere die Stabilität und Konformations- änderungen

26 Standard-Modellprotein, bestehend aus 910 Atomen

27 Proteine Ohne umgebendes WasserMit umgebendem Wasser

28 Beispiele mit VMDL kleines Protein und nativer Zustand Temperaturerhöhung (Kochen von Eiweiß) Anschließende sukzessive Temperaturerniedrigung. Wer schafft es, den ursprünglichen Zustand wieder herzubekommen? In welchen Schritten muss man die Temperatur erniedrigen?

29 Beispiele mit VMDL Lipidschichten Micellen Wirkungsweise von Seife (Tensiden): Auflösen von Dreck

30 Proteinsimulationen Simulation sind heutzutage bis in den Mikrosekundenbereich möglich. Hauptproblem: Interessante Prozesse wie Faltung in tertiäre Strukturen findet auf größerer Zeitskala statt. Volle realistische Proteinfaltungs- simulation heutzutage noch nicht möglich, vielleicht in Jahren?

31 Bioproteine Alzheimer-Amyloid ß Peptid Rinder-PrionInsulinhormon (reaktiver Teil)HIV-1 Protease mit Inhibitor SDZ


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