Конспект лекцій (опорний) з дисципліни “Компьютерна хімія”. Укладач: к.т.н., доц. Кулігін М.Л., кількість сторінок 76.

Рецензент: доц. каф. ХТіБС Скропишва О.В.

Затверджено на засіданні кафедри ХТіБС

протокол № __ від ”__” _______ 20__р.

Зав. кафедри ________ Г.С. Сарібеков

Відповідальний за випуск завідувач кафедри проф. Г.С. Сарібеков

Лекція 1.

Мета і задачі курсу. Класифікація спеціальних програм, що можливо використовувати для візуалізації хімічних формул, створення тривимірних моделей молекул - їх призначення та можливості

Курс спрямований на надання навичок володіння спеціалізованим хімічним програмним забезпеченням і застосування його для обробки і представлення результатів хімічного експерименту, оформлення курсових робіт і дипломного проекту.

Курс включає навчання роботі з програмами моделювання структури та енергетики молекулярних систем Chem Draw, Chem 3D, а також знайомство з хімічними ресурсами Інтернету.

В даний час комп'ютери одержали широке поширення у всіх сферах життєдіяльності людини. Комп'ютери використовуються як засіб комунікації, як домашній центр розваг, для ведення ділової та технічної документації, конструювання в машинобудуванні та архітектури, в медицині, авіації, автомобілях, побутовій техніці, економіці, науці і всіх галузях промисловості.

Основними напрямками застосування комп'ютерів в хімії і хімічної промисловості

є:

•управління технологічними процесами і контроль якості готової продукції;

•моделювання складних хімічних реакцій та розробка нових хімічних сполук, особливо складних високомолекулярних органічних;

•візуалізація хімічних сполук для кращого розуміння їх будови і особливостей - в плоскому і об'ємному вигляді.

1.1. Ліцензії на програмне забезпечення

Ліцензія на програмне забезпечення - це правовий інструмент, що визначає використання та розповсюдження програмного забезпечення, захищеного авторським правом.

Ліцензія, або ліцензійна угода, це спеціальна форма договору між автором програмного забезпечення (далі ПЗ) і користувачем програмного забезпечення. При продажу тиражованою ПО ніякі авторські або майнові права на це ПЗ не передаються, дається тільки право на використання ПЗ.

Програмне забезпечення захищене законами про авторські права. Відповідно до цих законів тільки автор (видавець) може виробляти копії програмних продуктів та надавати право на використання програмного забезпечення. Ліцензійна угода визначає, як, і на яких умовах, одержувач ліцензії може використовувати програмний продукт.

Комерційні та вільно доступні програми

Для вирішення найбільш важливих практичних завдань існують як комерційно поширювані програми (proprietary software), так і вільно доступні програми, або програми з відкритим кодом (free / open source software). У вільному доступі існують не тільки прикладні програми, а й цілі операційні системи (GNU / Linux, Free BSD та інші).

Пропрієтарні ліцензії - Основною характеристикою пропрієтарних ліцензій є те, що видавець ПЗ в ліцензії дає дозвіл її одержувачу використовувати одну або декілька копій програми, але при цьому сам залишається правовласником усіх цих копій. Один з наслідків такого підходу полягає в тому, що практично всі права на програмне забезпечення залишаються за видавцем, а користувачеві передається лише дуже обмежений набір суворо окреслених прав. Для пропрієтарних ліцензій типово перерахування великої кількості умов, що забороняють певні варіанти використання ПЗ, навіть тих, які без цієї заборони були б дозволені законом про авторське право. Хорошим прикладом пропрієтарної ліцензії може служити ліцензія на Microsoft Windows, яка включає великий список заборонених варіантів використання, таких як зворотна розробка, одночасна робота з системою декількох користувачів і поширення тестів її робочих характеристик.

Найбільш значним наслідком застосування пропрієтарної ліцензії є те, що кінцевий користувач зобов'язаний прийняти її, тому що за законом власником ПЗ є не він, а видавець програми. У разі відмови прийняти ліцензію користувач взагалі не може працювати з програмою.

Ліцензії вільного і відкритого ПЗ - на відміну від пропрієтарних, вільні і відкриті ліцензії не залишають права на конкретну копію програми її видавцеві, а передають найважливіші з них (що становлять 4 волі за визначенням Фонду ВПЗ, або потрапляють під інше визначення вільного або відкритого ПЗ) кінцевому користувачеві, який і стає власником. В результаті користувач за замовчуванням отримує важливі права, що закон про авторське право за замовчуванням дає лише власнику копії, проте всі авторські права на програмне забезпечення, як і раніше залишаються у видавця. Прикладом вільної ліцензії є GNU General Public License (GPL), яка дає користувачеві право самому поширювати ПЗ під цією ліцензією, брати участь у його зворотному розробці або змінювати іншими способами. Тим не менше, перераховані права зобов'язують користувача ПЗ під GPL підкорятися певним правилам, наприклад, будь-які зміни програми, зроблені користувачем і поширені далі, повинні супроводжуватися вихідним кодом цих змін (див. копілефт).

Головною рисою вільних ліцензій є те, що вони абсолютно не обмежують особисте користування - користувач вільний приймати чи не приймати їх, працювати з програмою він може і без ліцензії.

1.2. Комп'ютерне конструювання хімічних сполук

Існують методи прямого чи непрямого конструювання хімічних сполук. Прямий метод можливий, якщо відома просторова структура з'єднання. Він є відносно простим і найбільш ефективним.

Якщо просторова структура сполуки невідома, в цьому випадку застосовуються непрямі методи. Можна зібрати інформацію про ряд відомих низькомолекулярних

сполук, які є прототипами або мають певні властивості, схожі на шукані. Можна спробувати з'ясувати, що ж у них спільного. Це дозволяє знайти якісь образи, які властиві всій групі даних речовин. Тоді підключення можна замінити цим образом, що з комп'ютерною точки зору означає пошук в базах даних молекул, аналіз взаємозв'язку їх структури та активності або структури і функції. Спеціальна комп'ютерна програма може оцінювати властивості майбутніх з'єднань до їх синтезу.

Подібні дослідження є дорогими. На розробку з нуля нового складного з'єднання до моменту, коли продукт можна буде реалізовувати, може пройти від 1 до 5 років. А сумарні витрати можуть скласти від 200000 тис. до 5 млн. доларів. Тому всі провідні хімічні і фармацевтичні фірми займаються комп'ютерним моделюванням хімічних сполук, не шкодуючи на це коштів. Синтезувати нову хімічну сполуку набагато дорожче, ніж змоделювати її, і часу буде потрібно незрівнянно більше, а час - це гроші: комп'ютери конкурентів не простоюють. Крім того, величезну економію дає зниження ризику синтезу невдалого з'єднання.

Типова система для лабораторії моделювання, як правило, складається з декількох робочих станцій SGI і одного-двох багатопроцесорних серверів, на яких йдуть основні розрахунки. У дослідницьких центрах найбільших фармацевтичних компаній, таких як, наприклад, Bayer (Німеччина) або Procter & Gamble (США), можна побачити по кілька серверів з 10-20 процесорами кожен і сотні робочих станцій. Платформа SGI домінує у цій галузі. Історично це пов'язано з тим, що візуалізація складних молекул в цій галузі не розкіш, а необхідність. Для того, щоб розглядати, "повертати" тривимірні моделі молекул з тисяч атомів, потрібні робочі станції з високопродуктивними графічними підсистемами, а в минулі часи з Silicon Graphics по цій частині мало хто міг змагатися. Тепер конкуренція в цьому секторі більш гостра, але вчасно з'явилися на ринку багатопроцесорні сервери від SGI, і стало вигідно купувати готові рішення на їх базі. У цілому, моделювання молекул - одне з найбільш "ненажерливих" (в сенсі обчислювальних ресурсів) застосувань комп'ютерів. Тому такими речами на Заході займаються не тільки, або не стільки наукові центри середнього класу, але, скоріше, "монстри". Однак ІБМХ, непогано оснащений за нашими мірками, отримує результати, які високо цінує і (частково), сплачує світове співтовариство.

Пакети, які використовуються для молекулярного моделювання, розробляються декількома фірмами, що спеціалізуються в цій області. Такі дорогі пакети, як Sybyl (самий, мабуть, відомий), зазвичай не купуються. Якщо купувати пакет з правами безстрокового використання, це буде коштувати багато сотень тисяч доларів. Деякі фірми купують ліцензію для всіх своїх підрозділів, для всіх баз даних і без обмежень кількості процесорів. Ціна такої ліцензії призначається в процесі переговорів і, як правило, становить понад мільйон доларів. Ціна індивідуальної ліцензії залежить від кількості програмних модулів і типу організації. Типова академічна ліцензія коштує близько 20-30 тисяч доларів на рік на один процесор.