Mechanika molekularna - Molecular mechanics

W celu zminimalizowania energii rozciągania wiązania tej cząsteczki etanu stosuje się pole siłowe .

Mechanika molekularna wykorzystuje mechanikę klasyczną do modelowania układów molekularnych . Borna-Oppenheimera przybliżenie zakłada ważne i energia potencjalna wszystkich systemów jest obliczany jako funkcja współrzędnych atomowych wykorzystujących pola siłowe . Mechanika molekularna może być wykorzystywana do badania układów cząsteczek o różnej wielkości i złożoności, od małych do dużych układów biologicznych lub zespołów materiałów zawierających wiele tysięcy do milionów atomów.

Metody w pełni atomistycznej mechaniki molekularnej mają następujące właściwości:

• Każdy atom jest symulowany jako jedna cząsteczka
• Każdej cząstce przypisywany jest promień (zwykle promień van der Waalsa ), polaryzowalność i stały ładunek netto (zwykle uzyskany z obliczeń kwantowych i/lub eksperymentu)
• Oddziaływania wiązane traktowane są jako sprężyny o odległości równowagowej równej eksperymentalnej lub obliczonej długości wiązania

Możliwe są warianty tego tematu. Na przykład wiele symulacji historycznie wykorzystywało reprezentację zjednoczonych atomów, w której każda końcowa grupa metylowa lub pośrednia jednostka metylenowa była uważana za jedną cząsteczkę, a systemy dużych białek są zwykle symulowane przy użyciu modelu perełkowego, który przypisuje dwie do czterech cząstek na aminokwas .

Forma funkcjonalna

Funkcja energii potencjalnej mechaniki molekularnej z rozpuszczalnikiem ciągłym.

Poniższa abstrakcja funkcjonalna, zwana międzyatomową funkcją potencjalną lub polem siłowym w chemii, oblicza energię potencjalną układu molekularnego (E) w danej konformacji jako sumę poszczególnych warunków energetycznych.

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

gdzie składniki wkładu kowalencyjnego i niekowalencyjnego są podane przez następujące sumy:

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

${\ Displaystyle \ E_ {\ tekst {niekowalencyjny}} = E_ {\ tekst {elektrostatyczny}} + E_ {\ tekst {van der Waals}}}$

Dokładna postać funkcjonalną potencjalnej funkcji , lub w polu siły, w zależności od danego programu symulacji używany. Ogólnie terminy wiązania i kąta są modelowane jako potencjały harmoniczne skoncentrowane wokół wartości długości wiązania w równowadze uzyskanych z eksperymentalnych lub teoretycznych obliczeń struktury elektronowej przeprowadzonych za pomocą oprogramowania, które wykonuje obliczenia typu ab-initio, takie jak Gaussian . W celu dokładnego odwzorowania widm oscylacyjnych można zamiast tego wykorzystać potencjał Morse'a , kosztem obliczeniowym. Terminy dwuścienne lub skrętne zazwyczaj mają wiele minimów, a zatem nie mogą być modelowane jako oscylatory harmoniczne, chociaż ich specyficzna forma funkcjonalna różni się w zależności od implementacji. Ta klasa terminów może obejmować niewłaściwe terminy dwuścienne, które działają jako współczynniki korekcji odchyleń poza płaszczyzną (na przykład mogą być używane do utrzymywania płaskich pierścieni benzenowych lub poprawnej geometrii i chiralności atomów czworościennych w reprezentacji zjednoczonego atomu ).

Pełne 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 termin van der Waalsa szybko spada. Jest on typowo modelowany przy użyciu potencjału Lennarda-Jonesa 6–12 , co oznacza, że ​​siły przyciągania spadają z odległością r ^-6, a siły odpychające r ^-12 , gdzie r oznacza odległość między dwoma atomami. Odpychająca część r- ¹² jest jednak niefizyczna, ponieważ odpychanie wzrasta wykładniczo. Opis sił van der Waalsa potencjałem Lennarda-Jonesa 6–12 wprowadza nieścisłości, które stają się znaczące na krótkich dystansach. Generalnie 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 notorycznie trudne do dobrego obliczenia, ponieważ nie spadają szybko wraz z odległością, a oddziaływania elektrostatyczne dalekiego zasięgu są często ważnymi cechami badanego systemu (zwłaszcza w przypadku białek ). Podstawową formą funkcjonalną jest potencjał kulombowski , który spada tylko jako r- ¹ . W celu rozwiązania tego problemu stosuje się różne metody, z których najprostszą jest promień odcięcia podobny do stosowanego dla terminów van der Waalsa. Wprowadza to jednak ostrą nieciągłość między atomami wewnątrz i 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 intensywne obliczeniowo metody to siatka cząstek Ewalda (PME) i algorytm multipolowy .

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 równowagowego, kąta i dwuścienności, wartościami ładunku częściowego, mas atomowych i promieni oraz definicji funkcji energii, są wspólnie określane jako pole siłowe . Parametryzacja odbywa się zazwyczaj poprzez zgodność z wartościami doświadczalnymi i wynikami obliczeń teoretycznych. Pole siłowe Normana L. Allingera w ostatniej wersji MM4 oblicza dla węglowodorów ciepła tworzenia z błędem skutecznym 0,35 kcal/mol, widma oscylacyjne z błędem skutecznym 24 cm- ¹ , bariery rotacyjne z błędem skutecznym 2,2 ° , długości wiązania CC w granicach 0,004 Å , a 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 parametrów generalnie nie można przenosić z jednego pola siłowego do drugiego.

Obszary zastosowań

Główne zastosowanie mechaniki molekularnej to dynamika molekularna . Wykorzystuje to pole siłowe do obliczania sił działających na każdą cząstkę oraz odpowiedni integrator do modelowania dynamiki cząstek i przewidywania trajektorii. Przy wystarczającej ilości próbkowania i z zastrzeżeniem hipotezy ergodycznej , trajektorie dynamiki molekularnej można wykorzystać do oszacowania parametrów termodynamicznych układu lub właściwości kinetycznych sondy, takich jak szybkości i mechanizmy reakcji.

Innym zastosowaniem mechaniki molekularnej jest minimalizacja energii, gdzie jako kryterium optymalizacji stosuje się pole siłowe . Metoda ta wykorzystuje odpowiedni algorytm (np. strome zejście ) do znalezienia struktury molekularnej lokalnego minimum energetycznego. Minima te odpowiadają stabilnym konformerom cząsteczki (w wybranym polu siłowym), a ruch cząsteczki można modelować jako drgania wokół tych stabilnych konformerów i wzajemne konwersje. Powszechne jest zatem znajdowanie lokalnych metod minimalizacji energii w połączeniu z globalną optymalizacją energii, aby znaleźć globalne minimum energetyczne (i inne stany niskoenergetyczne). W skończonej temperaturze cząsteczka spędza większość czasu w tych nisko położonych stanach, które w ten sposób dominują we właściwościach molekularnych. Optymalizacja globalna może być realizowana przy użyciu symulowanego wyżarzania , algorytmu Metropolisa i innych metod Monte Carlo lub przy użyciu różnych deterministycznych metod optymalizacji dyskretnej lub ciągłej. Podczas gdy pole sił reprezentuje tylko składową entalpiczną energii swobodnej (i tylko ta składowa jest uwzględniana podczas minimalizacji energii), możliwe jest uwzględnienie składowej entropicznej poprzez zastosowanie dodatkowych metod, takich jak analiza modów normalnych .

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

Środowisko i solwatacja

W mechanice molekularnej istnieje kilka sposobów definiowania środowiska otaczającego cząsteczkę lub cząsteczki będące przedmiotem zainteresowania. System może być symulowany w próżni (nazywany symulacją fazy gazowej) bez otaczającego środowiska, ale jest to zwykle niepożądane, ponieważ wprowadza artefakty w geometrii molekularnej, zwłaszcza w naładowanych cząsteczkach. Ładunki powierzchniowe, które normalnie oddziaływałyby z cząsteczkami rozpuszczalnika, zamiast tego oddziałują ze sobą, tworząc konformacje molekularne, których jest mało prawdopodobne w jakimkolwiek innym środowisku. Najdokładniejszym sposobem solwatowania systemu jest umieszczenie wyraźnych cząsteczek wody w polu symulacyjnym z cząsteczkami będącymi przedmiotem zainteresowania i potraktowanie cząsteczek wody jako oddziałujących cząsteczek, takich jak cząsteczki w innych cząsteczkach. Istnieje wiele modeli wody o rosnącym stopniu złożoności, reprezentujących wodę jako prostą twardą kulę (model zjednoczonych atomów), jako trzy oddzielne cząstki o stałych kątach wiązania, a nawet jako cztery lub pięć oddzielnych centrów interakcji, aby uwzględnić niesparowane elektrony na atomie tlenu. W miarę jak modele wody stają się coraz bardziej złożone, powiązane z nimi symulacje stają się coraz bardziej intensywne obliczeniowo. Kompromisowa metoda została znaleziona w niejawnej solwatacji , która zastępuje wyraźnie przedstawione cząsteczki wody wyrażeniem matematycznym, które odtwarza przeciętne zachowanie cząsteczek wody (lub innych rozpuszczalników, takich jak lipidy). Ta metoda jest przydatna do zapobiegania artefaktom, które powstają w wyniku symulacji próżni i dobrze odtwarzają właściwości rozpuszczalnika w masie, ale nie może odtworzyć sytuacji, w których poszczególne cząsteczki wody mają specyficzne interakcje z substancją rozpuszczoną, które nie są dobrze wychwytywane przez model rozpuszczalnika, takie jak cząsteczki wody, które są częścią sieci wiązań wodorowych w białku.

Pakiety oprogramowania

To jest ograniczona lista; dostępnych jest znacznie więcej pakietów.

Zobacz też

Bibliografia

• Allinger NL, Burkert U (1982). Mechanika molekularna . Publikacja Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. Numer 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 .
• Box 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 .
• Pudełko VG (2004). „Efekty stereoelektroniczne w polinukleotydach i ich podwójnych helisach”. J. Mol. Struktura. . 689 (1–2): 33–41. Kod Bib : 2004JMoSt.689...33B . doi : 10.1016/j.molstruc.2003.10.019 .
• Beckera OM (2001). Biochemia i biofizyka obliczeniowa . Nowy Jork, NY: Marcel Dekker. Numer ISBN 978-0-8247-0455-1.
• Mackerell AD (październik 2004). „Empiryczne pola siłowe dla makrocząsteczek biologicznych: przegląd i zagadnienia”. 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. Numer ISBN 978-0-387-95404-2.
• Krishnan Namboori; Ramachandran, KS; Deepa Gopakumar (2008). Chemia obliczeniowa i modelowanie molekularne: zasady i zastosowania . Berlin: Springer. Numer ISBN 978-3-540-77302-3.

Zewnętrzne linki

• Zmiana metod symulacji dynamiki molekularnej
• Mechanika molekularna - to proste