Molekulární modelování

Molekulární modelování (MM)  je souhrnný název pro metody studia struktury a vlastností molekul výpočetními metodami s následnou vizualizací výsledků, zajišťující jejich trojrozměrné zobrazení za podmínek uvedených ve výpočtu [1] .

Techniky molekulárního modelování se používají v počítačové chemii , počítačové biologii a vědě o materiálech ke studiu jak jednotlivých molekul, tak interakcí v molekulárních systémech.

Výpočty nejjednodušších systémů v molekulárním modelování lze provádět ručně, ale vzhledem k velkému množství výpočtů v modelovacích systémech praktického zájmu, zejména při studiu molekulární dynamiky , se používají počítačové metody výpočtu a vizualizace, tato technika se nazývá počítačová molekulární modelování ( anglicky  computer-assisted molecular modeling, CAMM ) [2] .

Společným znakem MM metod je atomistická rovina popisu molekulárních systémů – nejmenší částice jsou atomy nebo malé skupiny atomů. To je rozdíl mezi MM a kvantovou chemií , kde jsou elektrony také výslovně brány v úvahu. Výhodou MM je tedy nižší složitost při popisu systémů, což umožňuje uvažovat ve výpočtech větší počet částic.

Molekulární mechanika

Molekulární mechanika  je jedním z přístupů k MM, který používá klasickou mechaniku k popisu fyzikálních základů modelu. Atomy (jádra s elektrony) jsou reprezentovány jako bodové hmoty s odpovídajícími náboji. Interakce mezi sousedními atomy zahrnují elastické interakce (odpovídající chemickým vazbám ) a van der Waalsovy síly , popsané tradičně Lennard-Jonesovým potenciálem . Elektrostatické interakce se počítají pomocí Coulombova zákona . Atomům v prostoru jsou přiřazeny kartézské nebo vnitřní souřadnice; v dynamických výpočtech lze atomům přiřadit také rychlosti odpovídající teplotě. Obecný matematický výraz je známý jako potenciální funkce (viz rovnice) a odpovídá vnitřní energii systému (U) - termodynamické veličině rovné součtu potenciální a kinetické energie . Potenciální funkce představuje potenciální energii jako součet energetických členů odpovídajících odchylce od rovnovážných hodnot v délkách vazeb, vazebných a torzních úhlech a členů pro nespojené páry atomů odpovídající van der Waalsovým a elektrostatickým interakcím.

Soubor parametrů skládající se z rovnovážných hodnot délek vazeb, vazebných úhlů, částečných nábojů, silových konstant a van der Waalsových parametrů se nazývá silové pole . Různé implementace molekulární mechaniky používají mírně odlišné matematické výrazy a tudíž různé konstanty v potenciálové funkci. Běžná silová pole, která se v současnosti používají, byla vyvinuta pomocí přesných kvantových výpočtů a/nebo přizpůsobení experimentálním datům.

K hledání lokálního minima potenciální energie se používají vhodné metody minimalizace (jako je metoda nejstrmějšího sestupu a metoda konjugovaného gradientu ) a ke studiu vývoje systémů v čase se používají metody molekulární dynamiky . Nižší energetické stavy jsou stabilnější a důležitější díky své roli v chemických a biologických procesech. Na druhé straně výpočty molekulární dynamiky předpovídají chování systému v průběhu času. Jak pro minimalizaci, tak pro molekulární dynamiku se používá především druhý Newtonův zákon  - (nebo, který je ekvivalentní, ). Integrace tohoto zákona pohybu pomocí různých algoritmů vede k získání trajektorií atomů v prostoru a čase. Síla působící na atom je definována jako záporná derivace funkce potenciální energie.

Molekuly lze modelovat jak ve vakuu, tak v přítomnosti rozpouštědla , jako je voda. Výpočty systémů ve vakuu se nazývají výpočty „plynné fáze“, zatímco výpočty zahrnující molekuly rozpouštědla se nazývají výpočty „explicitního rozpouštědla“. Další skupina výpočtů zohledňuje přítomnost odhadnutého rozpouštědla pomocí dalších členů v potenciální funkci - tzv. výpočty "implicitního rozpouštědla".

V současnosti jsou metody molekulárního modelování široce používány při studiu struktury, dynamiky a termodynamiky anorganických, biologických a polymerních systémů. Mezi biologické jevy, které jsou studovány metodami MM, patří skládání proteinů , enzymatická katalýza , stabilita proteinů, konformační transformace a procesy molekulárního rozpoznávání v proteinech, DNA a membránách .

Populární programy pro molekulární modelování

Viz také

Literatura

Odkazy

Poznámky

  1. ↑ molekulární modelování // Zlatá kniha IUPAG . Získáno 20. září 2011. Archivováno z originálu 3. května 2011.
  2. ↑ počítačem podporované molekulární modelování (CAMM) // Zlatá kniha IUPAC . Získáno 20. září 2011. Archivováno z originálu 8. března 2012.
 Sekce výpočetní chemie