Molekylär modellering

Molecular modeling (MM)  är ett samlingsnamn för metoder för att studera molekylers struktur och egenskaper genom beräkningsmetoder med efterföljande visualisering av resultaten, vilket ger deras tredimensionella representation under de förhållanden som anges i beräkningen [1] .

Molekylära modelleringstekniker används inom datorkemi , beräkningsbiologi och materialvetenskap för att studera både individuella molekyler och interaktioner i molekylära system.

Beräkningar av de enklaste systemen inom molekylär modellering kan utföras manuellt, men på grund av den stora mängden beräkningar i modelleringssystem av praktiskt intresse, särskilt i studiet av molekylär dynamik , används datormetoder för beräkning och visualisering, denna teknik kallas dator molekylär modellering ( engelsk  computer-assisted molecular modeling, CAMM ) [2] .

Ett gemensamt drag för MM-metoder är den atomistiska beskrivningsnivån av molekylära system - de minsta partiklarna är atomer eller små grupper av atomer. Detta är skillnaden mellan MM och kvantkemi , där elektroner också uttryckligen beaktas. Således är fördelen med MM den lägre komplexiteten i beskrivningen av system, vilket gör det möjligt att ta hänsyn till ett större antal partiklar i beräkningarna.

Molekylär mekanik

Molekylär mekanik  är ett av tillvägagångssätten till MM som använder klassisk mekanik för att beskriva modellens fysiska grunder. Atomer (kärnor med elektroner) representeras som punktmassor med motsvarande laddningar. Interaktioner mellan angränsande atomer inkluderar elastiska interaktioner (motsvarande kemiska bindningar ) och van der Waals krafter , traditionellt beskrivna av Lennard-Jones potential . Elektrostatiska interaktioner beräknas med Coulombs lag . Atomer i rymden tilldelas kartesiska eller interna koordinater; i dynamiska beräkningar kan atomer även tilldelas hastigheter motsvarande temperatur. Det allmänna matematiska uttrycket är känt som potentialfunktionen (se ekvationer) och motsvarar den inre energin i systemet (U) - en termodynamisk storhet som är lika med summan av potentiell och kinetisk energi . Potentialfunktionen representerar potentiell energi som summan av energitermer som motsvarar avvikelsen från jämviktsvärden i bindningslängder, bindnings- och torsionsvinklar, och termer för obundna atompar som motsvarar van der Waals och elektrostatiska interaktioner.

En uppsättning parametrar som består av jämviktsvärden för bindningslängder, bindningsvinklar, partiella laddningar, kraftkonstanter och van der Waals-parametrar kallas kraftfält . Olika implementeringar av molekylär mekanik använder lite olika matematiska uttryck och därmed olika konstanter i potentialfunktionen. De vanliga kraftfälten som för närvarande används har utvecklats med hjälp av exakta kvantberäkningar och/eller anpassning till experimentella data.

Lämpliga minimeringsmetoder (såsom den brantaste nedstigningsmetoden och konjugatgradientmetoden ) används för att söka efter ett lokalt minimum av potentiell energi, och molekylära dynamikmetoder används för att studera utvecklingen av system över tiden . Lägre energitillstånd är mer stabila och viktigare på grund av sin roll i kemiska och biologiska processer. Molekylär dynamikberäkningar , å andra sidan, förutsäger ett systems beteende över tid. Både för minimering och för molekylär dynamik används främst Newtons andra lag  - (eller, vilket är ekvivalent, ). Integration av denna rörelselag med hjälp av olika algoritmer leder till att man erhåller atomernas banor i rum och tid. Den kraft som verkar på en atom definieras som den negativa derivatan av den potentiella energifunktionen.

Molekyler kan modelleras både i vakuum och i närvaro av ett lösningsmedel såsom vatten. Beräkningar av system i vakuum kallas "gasfas"-beräkningar, medan beräkningar som involverar lösningsmedelsmolekyler kallas "explicita lösningsmedels"-beräkningar. En annan grupp av beräkningar tar hänsyn till förekomsten av det uppskattade lösningsmedlet, med hjälp av ytterligare termer i den potentiella funktionen - de så kallade "implicita lösningsmedel"-beräkningarna.

För närvarande används molekylära modelleringsmetoder i stor utsträckning för att studera strukturen, dynamiken och termodynamiken hos oorganiska, biologiska och polymera system. Bland de biologiska fenomen som studeras med MM-metoder är proteinveckning , enzymatisk katalys , proteinstabilitet, konformationstransformationer och molekylära igenkänningsprocesser i proteiner, DNA och membran .

Populära program för molekylär modellering

Se även

Litteratur

Länkar

Anteckningar

  1. ↑ molekylär modellering // IUPAG Gold Book . Hämtad 20 september 2011. Arkiverad från originalet 3 maj 2011.
  2. ↑ datorstödd molekylär modellering (CAMM) // IUPAC Gold Book . Hämtad 20 september 2011. Arkiverad från originalet 8 mars 2012.
 Avsnitt av beräkningskemi