Zaburzenia energii swobodnej

Zaburzenia energii swobodnej ( FEP ) to metoda oparta na mechanice statystycznej , która jest wykorzystywana w chemii obliczeniowej do obliczania różnic energii swobodnej z dynamiki molekularnej lub symulacji Metropolis Monte Carlo .

Metoda FEP została wprowadzona przez Roberta W. Zwanziga w 1954 r. Zgodnie z metodą zaburzeń energii swobodnej różnicę energii swobodnej przejścia ze stanu A do stanu B uzyskuje się z następującego równania, znanego jako równanie Zwanziga :

${\ Displaystyle \ Delta F (\ mathbf {A} \ rightarrow \mathbf {B} )=F_{\mathbf {B} }-F_{\mathbf {A} }=-k_{\mathrm {B} }T\ln \left\langle \exp \left(-{\frac {E_{\mathbf {B}}-E_{\mathbf {A}}}{k_{\mathrm {B}}T}}\right)\right\rangle _{\mathbf {A}}}$

gdzie T to temperatura , k _B to stała Boltzmanna , a nawiasy kątowe oznaczają średnią z przebiegu symulacji dla stanu A . W praktyce przeprowadza się normalną symulację dla stanu A , ale za każdym razem, gdy akceptowana jest nowa konfiguracja, obliczana jest również energia dla stanu B. Różnica między stanami A i B może dotyczyć typów atomów, w którym to przypadku otrzymane Δ F służy do „mutacji” jednej cząsteczki w drugą lub może to być różnica geometrii, w którym to przypadku uzyskuje się mapę energii swobodnej wzdłuż jednej lub więcej współrzędnych reakcji . Ta mapa energii swobodnej jest również znana jako potencjał siły średniej lub PMF.

Obliczenia zaburzeń energii swobodnej są właściwie zbieżne tylko wtedy, gdy różnica między dwoma stanami jest wystarczająco mała; dlatego zwykle konieczne jest podzielenie zaburzenia na serię mniejszych „okien”, które są obliczane niezależnie. Ponieważ nie ma potrzeby ciągłej komunikacji między symulacją jednego okna a następnym, proces można w prosty sposób zrównoleglić, uruchamiając każde okno na innym procesorze, w tak zwanej konfiguracji „żenująco równoległej ” .

Aplikacja

Obliczenia FEP zostały wykorzystane do badania energetyki wiązania gospodarz-gość, przewidywań pKa , wpływu rozpuszczalnika na reakcje i reakcji enzymatycznych. Inne zastosowania to wirtualne badania przesiewowe ligandów w odkrywaniu leków , a także badania mutagenezy in silico . Do badania reakcji często konieczne jest zastosowanie mechaniki kwantowej (QM) reprezentacji centrum reakcji, ponieważ pola siłowe mechaniki molekularnej (MM) stosowane w symulacjach FEP nie radzą sobie z rozrywaniem wiązań. Metoda hybrydowa, która ma zalety zarówno obliczeń QM, jak i MM, nosi nazwę QM/MM .

Próbkowanie parasolowe to kolejna technika obliczania energii swobodnej, która jest zwykle używana do obliczania zmiany energii swobodnej związanej ze zmianą współrzędnych „pozycji” w przeciwieństwie do współrzędnych „chemicznych”, chociaż próbkowanie parasolowe może być również używane do transformacji chemicznej, gdy współrzędna „chemiczna” jest traktowana jako zmienna dynamiczna (podobnie jak w przypadku metody dynamiki Lambda Konga i Brooksa). Alternatywą dla zaburzeń energii swobodnej do obliczania potencjałów średniej siły w przestrzeni chemicznej jest całkowanie termodynamiczne . Inną alternatywą, która jest prawdopodobnie bardziej wydajna, jest wskaźnika akceptacji Bennetta . Istnieją adaptacje FEP, które próbują przypisać zmiany energii swobodnej do podsekcji struktury chemicznej.

Oprogramowanie

Opracowano kilka pakietów oprogramowania, aby pomóc w wykonywaniu obliczeń FEP. Poniżej znajduje się krótka lista niektórych z najpopularniejszych programów:

• FEP+
• BURSZTYN
• SZEF
• Urok
• Desmond
• GROMACS
• MakroModel
• MOLARIS
• NAMD
• Majstrować
• Q

Zobacz też

• Integracja termodynamiczna
• Pobieranie próbek parasolowych