Mechanika molekularna

Pole siłowe służy do zminimalizowania energii rozciągania wiązania tej cząsteczki etanu.

Mechanika molekularna wykorzystuje mechanikę klasyczną do modelowania układów molekularnych . Zakłada się, że przybliżenie Borna -Oppenheimera jest ważne, a energia potencjalna wszystkich układów jest obliczana jako funkcja współrzędnych jądrowych przy użyciu pól sił . Mechanika molekularna może być wykorzystywana do badania systemów cząsteczkowych o różnej wielkości i złożoności, od małych do dużych systemów biologicznych lub zespołów materiałów zawierających wiele tysięcy do milionów atomów.

Całkowicie atomistyczne metody mechaniki molekularnej mają następujące właściwości:

Każdy atom jest symulowany jako jedna cząsteczka
Każdej cząstce przypisany jest promień (zwykle promień van der Waalsa ), polaryzowalność i stały ładunek wypadkowy (zazwyczaj wyprowadzony z obliczeń kwantowych i/lub eksperymentu)
Oddziaływania wiązań traktowane są jako sprężyny o odległości równowagi równej eksperymentalnej lub obliczonej długości wiązań

Możliwe są warianty tego tematu. Na przykład w wielu symulacjach historycznie stosowano zjednoczonych atomów , w której każda końcowa grupa metylowa lub pośrednia jednostka metylenowa była uważana za jedną cząstkę, a duże układy białkowe są zwykle symulowane przy użyciu modelu kulek , który przypisuje od dwóch do czterech cząstek na aminokwas .

Funkcjonalna forma

Funkcja energii potencjalnej mechaniki molekularnej z rozpuszczalnikiem ciągłym.

Poniższa abstrakcja funkcjonalna, zwana w chemii funkcją potencjału międzyatomowego lub polem siłowym , oblicza energię potencjalną ( E ) układu molekularnego w danej konformacji jako sumę poszczególnych składników energii.

${\ Displaystyle \ E = E _ {\ tekst {kowalencyjny}} + E _ {\ tekst {niekowalencyjny}} \,}$

gdzie składowe wkładów kowalencyjnych i niekowalencyjnych są określone przez następujące sumowania:

${\ Displaystyle \ E _ {\ tekst {kowalencyjny}} = E _ {\ tekst {wiązanie}} + E _ {\ tekst {kąt}} + E _ {\ tekst {dwuścienny}} }$

${\ Displaystyle \ E _ {\ tekst {niekowalencyjny}} = E _ {\ tekst {elektrostatyczny}} + E _ {\ tekst {van der Waalsa}}}$

Dokładna postać funkcjonalna funkcji potencjału lub pola sił zależy od konkretnego używanego programu symulacyjnego. Ogólnie wiązania i kąty są modelowane jako potencjały harmoniczne wyśrodkowane wokół równowagowych wartości długości wiązań pochodzących z eksperymentu lub teoretycznych obliczeń struktury elektronowej wykonanych za pomocą oprogramowania, które wykonuje obliczenia typu ab-initio, takie jak Gaussian . Do dokładnego odwzorowania widm wibracyjnych służy potencjał Morse'a można użyć zamiast tego, kosztem obliczeniowym. Wyrażenia dwuścienne lub torsyjne zazwyczaj mają wiele minimów i dlatego nie można ich modelować jako oscylatorów harmonicznych, chociaż ich specyficzna forma funkcjonalna różni się w zależności od implementacji. Ta klasa terminów może obejmować niewłaściwe terminy dwuścienne, które działają jako współczynniki korygujące odchylenia poza płaszczyzną (na przykład mogą być używane do utrzymywania płaskich pierścieni benzenowych lub prawidłowej geometrii i chiralności atomów czworościennych w reprezentacji zjednoczonego atomu ).

Całkowite obliczenie terminów niezwiązanych jest znacznie bardziej kosztowne obliczeniowo, ponieważ typowy atom jest związany tylko z kilkoma sąsiadami, ale oddziałuje z każdym innym atomem w cząsteczce. Na szczęście van der Waalsa szybko spada. Zwykle modeluje się go przy użyciu potencjału Lennarda-Jonesa 6–12 , co oznacza, że siły przyciągania zanikają wraz z odległością jako r ^-6 , a siły odpychania jako r ^-12 , gdzie r oznacza odległość między dwoma atomami. Część odpychająca r ⁻¹² jest jednak niefizyczne, ponieważ odpychanie rośnie wykładniczo. Opis sił van der Waalsa potencjałem Lennarda-Jonesa 6–12 wprowadza niedokładności, które stają się znaczące na krótkich odległościach. Zasadniczo promień odcięcia jest używany do przyspieszenia obliczeń, tak aby pary atomów, których odległości są większe niż odcięcie, miały energię interakcji van der Waalsa równą zero.

Terminy elektrostatyczne są bardzo trudne do dobrego obliczenia, ponieważ nie spadają gwałtownie wraz z odległością, a oddziaływania elektrostatyczne dalekiego zasięgu są często ważnymi cechami badanego systemu (szczególnie w przypadku białek ). Podstawową postacią funkcjonalną jest potencjał Coulomba , który spada tylko jako r ^-1 . Aby rozwiązać ten problem, stosuje się różne metody, z których najprostszym jest promień odcięcia podobny do tego używanego w przypadku terminów van der Waalsa. Jednak wprowadza to ostrą nieciągłość między atomami wewnątrz i atomami poza promieniem. Funkcje przełączania lub skalowania, które modulują pozorną energię elektrostatyczną, są nieco dokładniejszymi metodami, które mnożą obliczoną energię przez płynnie zmieniający się współczynnik skalowania od 0 do 1 na zewnętrznym i wewnętrznym promieniu odcięcia. Inne bardziej wyrafinowane, ale wymagające dużej mocy obliczeniowej metody to siatka cząstek Ewalda (PME) i algorytm wielobiegunowy .

Oprócz postaci funkcjonalnej każdego składnika energii, użytecznej funkcji energii należy przypisać parametry dla stałych siły, mnożników van der Waalsa i innych stałych składników. Terminy te, wraz z wartościami wiązania równowagi, kąta i dwuścianu, wartościami ładunku cząstkowego, masami atomowymi i promieniami oraz definicjami funkcji energii, są wspólnie określane jako pole siłowe . Parametryzacja jest zwykle dokonywana poprzez uzgodnienie z wartościami eksperymentalnymi i wynikami obliczeń teoretycznych. Pole sił Normana L. Allingera w ostatniej wersji MM4 oblicza dla węglowodorów ciepło formowania z błędem RMS 0,35 kcal/mol, widma wibracyjne z błędem RMS 24 cm ^-1 , bariery rotacyjne z błędem RMS 2,2°, długości wiązań CC w granicach 0,004 Å i kąty CCC w granicach 1°. Późniejsze wersje MM4 obejmują również związki z heteroatomami, takie jak aminy alifatyczne.

Każde pole siłowe jest sparametryzowane tak, aby było wewnętrznie spójne, ale generalnie parametrów nie można przenosić z jednego pola siłowego do drugiego.

Obszary zastosowań

Głównym zastosowaniem mechaniki molekularnej jest dziedzina dynamiki molekularnej . Wykorzystuje pole siłowe do obliczania sił działających na każdą cząstkę oraz odpowiedni integrator do modelowania dynamiki cząstek i przewidywania trajektorii. Biorąc pod uwagę wystarczającą liczbę próbek i z zastrzeżeniem hipotezy ergodycznej , trajektorie dynamiki molekularnej można wykorzystać do oszacowania parametrów termodynamicznych układu lub zbadania właściwości kinetycznych, takich jak szybkości i mechanizmy reakcji.

Mechanika molekularna jest również wykorzystywana w QM/MM , co pozwala na badanie kinetyki białek i enzymów. Układ jest podzielony na dwa regiony - z których jeden jest traktowany mechaniką kwantową (QM) umożliwiającą rozrywanie i tworzenie wiązań, a reszta białka jest modelowana za pomocą mechaniki molekularnej (MM). Sama MM nie pozwala na badanie mechanizmów działania enzymów, na co pozwala QM. QM zapewnia również dokładniejsze obliczenia energii systemu, chociaż jest znacznie bardziej kosztowny obliczeniowo.

Innym zastosowaniem mechaniki molekularnej jest minimalizacja energii, w której pole siłowe jest wykorzystywane jako kryterium optymalizacji . Metoda ta wykorzystuje odpowiedni algorytm (np. najbardziej strome zejście ), aby znaleźć strukturę molekularną lokalnego minimum energetycznego. Te minima odpowiadają stabilnym konformerom cząsteczki (w wybranym polu sił), a ruch cząsteczkowy można modelować jako wibracje wokół i wzajemne konwersje między tymi stabilnymi konformerami. Dlatego powszechne jest znajdowanie lokalnych metod minimalizacji energii w połączeniu z globalną optymalizacją energii, aby znaleźć globalne minimum energetyczne (i inne stany o niskim zużyciu energii). W skończonej temperaturze cząsteczka spędza większość czasu w tych nisko położonych stanach, które w ten sposób dominują we właściwościach molekularnych. Globalną optymalizację można osiągnąć za pomocą symulowanego wyżarzania , tzw Algorytm Metropolisa i inne metody Monte Carlo , czyli wykorzystanie różnych deterministycznych metod optymalizacji dyskretnej lub ciągłej. Podczas gdy pole sił reprezentuje tylko entalpiczny składnik energii swobodnej (i tylko ten składnik jest uwzględniany podczas minimalizacji energii), możliwe jest uwzględnienie składnika entropicznego za pomocą dodatkowych metod, takich jak analiza trybu normalnego .

Funkcje energii potencjalnej mechaniki molekularnej zostały wykorzystane do obliczenia stałych wiązania, kinetyki fałdowania białek, równowagi protonacji, współrzędnych miejsca aktywnego oraz do zaprojektowania miejsc wiązania .

Środowisko i solwatacja

W mechanice molekularnej istnieje kilka sposobów definiowania środowiska otaczającego cząsteczkę lub cząsteczki będące przedmiotem zainteresowania. System można symulować w próżni (nazywanej symulacją fazy gazowej) bez otaczającego środowiska, ale jest to zwykle niepożądane, ponieważ wprowadza artefakty do geometrii molekularnej, zwłaszcza w naładowanych cząsteczkach. Ładunki powierzchniowe, które zwykle oddziałują z cząsteczkami rozpuszczalnika, zamiast tego oddziałują ze sobą, tworząc konformacje cząsteczkowe, których obecność w jakimkolwiek innym środowisku jest mało prawdopodobna. Najdokładniejszym sposobem solwatacji systemu jest umieszczenie wyraźnych cząsteczek wody w pudełku symulacji z cząsteczkami będącymi przedmiotem zainteresowania i traktowanie cząsteczek wody jako oddziałujących cząstek, takich jak te w innych cząsteczkach. Różnorodność modele wody o coraz większym stopniu złożoności, przedstawiające wodę jako prostą twardą kulę (model zjednoczonych atomów), jako trzy oddzielne cząstki o stałym kącie wiązania, a nawet jako cztery lub pięć oddzielnych centrów interakcji, aby uwzględnić niesparowane elektrony na tlenie atom. W miarę jak modele wody stają się coraz bardziej złożone, związane z nimi symulacje stają się coraz bardziej wymagające obliczeniowo. Metoda kompromisowa została znaleziona w niejawnym solwatacji , który zastępuje wyraźnie przedstawione cząsteczki wody wyrażeniem matematycznym, które odtwarza średnie zachowanie cząsteczek wody (lub innych rozpuszczalników, takich jak lipidy). Ta metoda jest przydatna do zapobiegania artefaktom powstającym w wyniku symulacji próżni i dobrze odtwarza właściwości rozpuszczalnika w masie, ale nie może odtworzyć sytuacji, w których poszczególne cząsteczki wody tworzą określone interakcje z substancją rozpuszczoną, które nie są dobrze uchwycone przez model rozpuszczalnika, takie jak cząsteczki wody, które są część sieci wiązań wodorowych w białku.

Pakiety oprogramowania

To jest ograniczona lista; dostępnych jest wiele innych pakietów.

Uchowiec
ACEMD - GPU MD
BURSZTYN
Projektant Askalafa
SZEF
Urok
KOSMOS
CP2K
Gemiczny
GROMACS
GROMOS
Wewnętrzna mechanika współrzędnych (ICM)
LAMPY
MakroModel
MDynaMix
Molekularne środowisko operacyjne (MOE)
NAMD
Q
Q-Chem
spartański
StruMM3D (STR3DI32)
Majstrować
X-PLOR
Yasara
Zodiak

Zobacz też

Literatura

Allinger NL, Burkert U (1982). mechanika molekularna . Publikacja Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. ISBN 978-0-8412-0885-8 .
Pudełko VG (marzec 1997). „Mechanika molekularna skwantowanych wiązań walencyjnych”. Model J Mola . 3 (3): 124–41. doi : 10.1007/s008940050026 . S2CID 93821090 .
Pudełko VG (12 listopada 1998). „Anomeryczny efekt monosacharydów i ich pochodnych. Spostrzeżenia z nowego pola siłowego mechaniki molekularnej QVBMM” . Heterocykle . 48 (11): 2389–417. doi : 10.3987/REV-98-504 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 31 maja 2012 r . . Źródło 12 listopada 2008 r .
Pudełko VG (2004). „Efekty stereoelektroniczne w polinukleotydach i ich podwójnych helisach”. J. Mol. Struktura . 689 (1–2): 33–41. Bibcode : 2004JMoSt.689...33B . doi : 10.1016/j.molstruc.2003.10.019 .
Becker OM (2001). Biochemia obliczeniowa i biofizyka . Nowy Jork, NY: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-0455-1 .
Mackerell AD (październik 2004). „Empiryczne pola siłowe dla makrocząsteczek biologicznych: przegląd i problemy”. J Comput Chem . 25 (13): 1584–604. doi : 10.1002/jcc.20082 . PMID 15264253 . S2CID 9162620 .
Schlick T (2002). Modelowanie i symulacja molekularna: przewodnik interdyscyplinarny . Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-95404-2 .
Krishnan Namboori; Ramachandran, KS; Deepa Gopakumar (2008). Chemia obliczeniowa i modelowanie molekularne: zasady i zastosowania . Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-77302-3 .

Linki zewnętrzne