Молекулярная механика

редактировать
Силовое поле используются для минимизации растяжения связи энергии этой молекулы этана.

Молекулярная механика использует классическую механику для моделирования молекулярных систем. Предполагается, что приближение Борна – Оппенгеймера справедливо, и потенциальная энергия всех систем рассчитывается как функция ядерных координат с использованием силовых полей. Молекулярная механика может использоваться для изучения молекулярных систем различного размера и сложности, от малых до больших биологических систем или материальных сборок, содержащих от многих тысяч до миллионов атомов.

Методы полностью атомистической молекулярной механики обладают следующими свойствами:

  • Каждый атом моделируется как одна частица
  • Каждой частице присваивается радиус (обычно радиус Ван-дер-Ваальса ), поляризуемость и постоянный общий заряд (обычно полученный из квантовых расчетов и / или экспериментов).
  • Связанные взаимодействия рассматриваются как пружины с равновесным расстоянием, равным экспериментальной или расчетной длине связи.

Возможны варианты на эту тему. Например, во многих моделированиях исторически использовалось представление объединенного атома, в котором каждая концевая метильная группа или промежуточное метиленовое звено считалась одной частицей, а большие белковые системы обычно моделируются с использованием модели гранул, которая назначает от двух до четырех частиц на аминокислоту.

СОДЕРЖАНИЕ
  • 1 Функциональная форма
  • 2 Области применения
  • 3 Окружающая среда и сольватация
  • 4 Программные пакеты
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки
Функциональная форма
Функция потенциальной энергии молекулярной механики с континуальным растворителем.

Следующая функциональная абстракция, называемая в химии межатомной потенциальной функцией или силовым полем, вычисляет потенциальную энергию (E) молекулярной системы в данной конформации как сумму отдельных энергетических терминов.

  E знак равно E ковалентный + E нековалентный {\ Displaystyle \ E = E _ {\ text {ковалентный}} + E _ {\ text {нековалентный}} \,}

где компоненты ковалентного и нековалентного вкладов даются следующими суммированиями:

  E ковалентный знак равно E связь + E угол + E двугранный {\ displaystyle \ E _ {\ text {covalent}} = E _ {\ text {bond}} + E _ {\ text {angle}} + E _ {\ text {двугранный}}}

  E нековалентный знак равно E электростатический + E ван дер Ваальс {\ displaystyle \ E _ {\ text {нековалентный}} = E _ {\ text {электростатический}} + E _ {\ text {van der Waals}}}

Точная функциональная форма потенциальной функции, или силового поля, зависит от того, используется конкретная программа моделирования. Как правило, связи и угловые члены моделируются как гармонические потенциалы, сосредоточенные вокруг значений длины равновесной связи, полученных из экспериментов или теоретических расчетов электронной структуры, выполняемых с помощью программного обеспечения, которое выполняет расчеты типа ab-initio, такие как гауссовы. Вместо этого для точного воспроизведения колебательных спектров можно использовать потенциал Морзе, требующий больших вычислительных затрат. Двугранные или крутильные члены обычно имеют несколько минимумов и поэтому не могут быть смоделированы как гармонические осцилляторы, хотя их конкретная функциональная форма меняется в зависимости от реализации. Этот класс терминов может включать в себя неправильные диэдрические члены, которые функционируют как поправочные коэффициенты для отклонений от плоскости (например, они могут использоваться для сохранения планарности бензольных колец или коррекции геометрии и хиральности тетраэдрических атомов в представлении объединенного атома.).

Несвязанные члены намного более затратны в вычислительном отношении для полного расчета, поскольку типичный атом связан только с несколькими своими соседями, но взаимодействует с каждым другим атомом в молекуле. К счастью, термин Ван-дер-Ваальса быстро отпадает. Обычно это моделируется с использованием потенциала Леннарда-Джонса 6–12 , что означает, что силы притяжения уменьшаются с расстоянием как r −6, а силы отталкивания как r −12, где r представляет собой расстояние между двумя атомами. Отталкивающая часть r −12, однако, нефизична, потому что отталкивание возрастает экспоненциально. Описание сил Ван-дер-Ваальса потенциалом Леннарда-Джонса 6–12 вносит неточности, которые становятся существенными на малых расстояниях. Обычно радиус отсечки используется для ускорения вычислений, так что пары атомов, расстояния которых больше отсечки, имеют энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия, равную нулю.

Общеизвестно, что электростатические составляющие сложно хорошо вычислить, потому что они не уменьшаются быстро с расстоянием, а электростатические взаимодействия на больших расстояниях часто являются важными характеристиками изучаемой системы (особенно для белков ). Основная функциональная форма - это кулоновский потенциал, который убывает только как r −1. Для решения этой проблемы используются различные методы, простейший из которых - это радиус обрезания, аналогичный тому, который используется для терминов Ван-дер-Ваальса. Однако это приводит к резкому разрыву между атомами внутри и атомами за пределами радиуса. Функции переключения или масштабирования, которые модулируют кажущуюся электростатическую энергию, являются несколько более точными методами, которые умножают вычисленную энергию на плавно изменяющийся масштабный коэффициент от 0 до 1 на внешнем и внутреннем радиусах отсечки. Другими более сложными, но требовательными к вычислительным ресурсам методами являются сетка частиц Эвальда (PME) и мультипольный алгоритм.

В дополнение к функциональной форме каждого члена энергии, полезной функции энергии должны быть присвоены параметры для силовых постоянных, множителей Ван-дер-Ваальса и других постоянных членов. Эти термины вместе с значениями равновесной связи, угла и двугранности, значениями парциального заряда, атомными массами и радиусами, а также определениями энергетической функции в совокупности называются силовым полем. Параметризация обычно осуществляется путем согласования с экспериментальными значениями и результатами теоретических расчетов. Силовое поле Нормана Л. Аллинджера в последней версии MM4 рассчитано для теплоты пласта углеводородов со среднеквадратичной ошибкой 0,35 ккал / моль, колебательные спектры со среднеквадратичной ошибкой 24 см -1, вращательные барьеры со среднеквадратичной ошибкой 2,2 °, Длины связи CC в пределах 0,004 Å и углы CCC в пределах 1 °. Более поздние версии MM4 охватывают также соединения с гетероатомами, такие как алифатические амины.

Каждое силовое поле параметризовано так, чтобы быть внутренне согласованным, но параметры, как правило, не переносятся из одного силового поля в другое.

Области применения

Основное применение молекулярной механики находится в области молекулярной динамики. При этом используется силовое поле для расчета сил, действующих на каждую частицу, и подходящий интегратор для моделирования динамики частиц и прогнозирования траекторий. При наличии достаточного количества образцов и с учетом эргодической гипотезы траектории молекулярной динамики могут использоваться для оценки термодинамических параметров системы или зонда кинетических свойств, таких как скорости и механизмы реакций.

Другое применение молекулярной механики - это минимизация энергии, при которой силовое поле используется в качестве критерия оптимизации. Этот метод использует соответствующий алгоритм (например, наискорейший спуск ), чтобы найти молекулярную структуру локального минимума энергии. Эти минимумы соответствуют стабильным конформерам молекулы (в выбранном силовом поле), и молекулярное движение можно моделировать как колебания вокруг и взаимопревращения между этими стабильными конформерами. Таким образом, обычно находят локальные методы минимизации энергии в сочетании с глобальной оптимизацией энергии, чтобы найти глобальный минимум энергии (и другие состояния с низкой энергией). При конечной температуре молекула проводит большую часть своего времени в этих низколежащих состояниях, которые, таким образом, определяют молекулярные свойства. Глобальная оптимизация может быть выполнена с использованием имитационного отжига, алгоритма Метрополиса и других методов Монте-Карло или с использованием различных детерминированных методов дискретной или непрерывной оптимизации. В то время как силовое поле представляет только энтальпийную составляющую свободной энергии (и только эта составляющая включается во время минимизации энергии), можно включить энтропийную составляющую с помощью дополнительных методов, таких как анализ нормального режима.

Молекулярно-механические функции потенциальной энергии использовали для расчета констант связывания, кинетики сворачивания белков, равновесия протонирования, координат активных сайтов и для конструирования сайтов связывания.

Окружающая среда и сольватация

В молекулярной механике существует несколько способов определения среды, окружающей молекулу или молекулы, представляющие интерес. Система может быть смоделирована в вакууме (это называется моделированием в газовой фазе) без окружающей среды, но это обычно нежелательно, потому что это вносит артефакты в молекулярную геометрию, особенно в заряженные молекулы. Поверхностные заряды, которые обычно взаимодействуют с молекулами растворителя, вместо этого взаимодействуют друг с другом, создавая молекулярные конформации, которые вряд ли будут присутствовать в любой другой среде. Самый точный способ сольватации системы - поместить явные молекулы воды в блок моделирования с интересующими молекулами и рассматривать молекулы воды как взаимодействующие частицы, как в другой молекуле (ах). Существует множество моделей воды с возрастающим уровнем сложности, в которых вода представлена ​​как простая твердая сфера (модель объединенного атома), как три отдельные частицы с фиксированными углами связи или даже как четыре или пять отдельных центров взаимодействия для учета неспаренных электронов. на атоме кислорода. По мере того, как водные модели становятся более сложными, связанные с ними симуляции становятся все более интенсивными в вычислительном отношении. Был найден компромиссный метод неявной сольватации, который заменяет явно представленные молекулы воды математическим выражением, воспроизводящим среднее поведение молекул воды (или других растворителей, таких как липиды). Этот метод полезен для предотвращения артефактов, возникающих при моделировании вакуума, и хорошо воспроизводит свойства объемного растворителя, но не может воспроизвести ситуации, в которых отдельные молекулы воды специфически взаимодействуют с растворенным веществом, которые не учитываются моделью растворителя, например, молекулы воды, входящие в состав сети водородных связей в белке.

Программные пакеты
Основная статья: Сравнение программного обеспечения для моделирования молекулярной механики

Это ограниченный список; доступно гораздо больше пакетов.

Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
Последняя правка сделана 2023-03-21 04:11:43
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте