Войти
Силовое поле используется для минимизации энергии растяжения связи этой молекулы этана. В контексте химии и молекулярного моделирования, А силовое поле является вычислительный метод, который используется для оценки силы между атомами внутри молекул, а также между молекулами. Точнее, силовое поле относится к функциональной форме и наборам параметров, используемым для расчета потенциальной энергии системы атомов или крупнозернистых частиц в молекулярной механике, молекулярной динамике или моделировании Монте-Карло. Параметры для выбранной функции энергии могут быть получены из экспериментов в области физики и химии, расчетов в квантовой механике или того и другого. Силовые поля представляют собой межатомные потенциалы и используют ту же концепцию, что и силовые поля в классической физике, с той разницей, что параметры силового поля в химии описывают энергетический ландшафт, из которого действующие силы на каждую частицу выводятся как градиент потенциальной энергии с относительно координат частицы.
Полностью атомные силовые поля обеспечивают параметры для каждого типа атомов в системе, включая водород, в то время как межатомные потенциалы объединенного атома рассматривают атомы водорода и углерода в метильных группах и метиленовых мостиках как один центр взаимодействия. Крупнозернистые потенциалы, которые часто используются при длительном моделировании макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и многокомпонентные комплексы, жертвуют химическими деталями ради более высокой эффективности вычислений.
Функция потенциальной энергии молекулярной механики с непрерывным растворителем. Базовая функциональная форма потенциальной энергии в молекулярной механике включает в себя связаны условиях для взаимодействия атомов, которые связаны ковалентными связями, и несвязанными (также называемых нековалентным) терминами, которые описывают дальнодействующий электростатические и ван - дер - ваальсовые сил. Конкретное разложение членов зависит от силового поля, но общий вид полной энергии в аддитивном силовом поле может быть записан как
где компоненты ковалентного и нековалентного вкладов даются следующими суммированиями:
Члены связи и угла обычно моделируются квадратичными энергетическими функциями, которые не допускают разрыва связи. Более реалистичное описание ковалентной связи при более высоком растяжении дает более дорогой потенциал Морзе. Функциональная форма двугранной энергии меняется от одного силового поля к другому. Дополнительные, «несоответствующие крутильные» термины могут быть добавлены для обеспечения плоскостности ароматических колец и других сопряженных систем, а также «перекрестные термины», которые описывают соединение различных внутренних переменных, таких как углы и длины связей. Некоторые силовые поля также включают явные термины для водородных связей.
Несвязанные термины являются наиболее трудоемкими в вычислительном отношении. Популярный выбор - ограничить взаимодействия парными энергиями. Член Ван-дер-Ваальса обычно вычисляется с помощью потенциала Леннарда-Джонса, а электростатический член - с помощью закона Кулона, хотя оба могут быть буферизированы или масштабированы с помощью постоянного коэффициента для учета электронной поляризуемости. Исследования с этим выражением энергии были сосредоточены на биомолекулах с 1970-х годов и были обобщены на соединения периодической таблицы в начале 2000-х годов, включая металлы, керамику, минералы и органические соединения.
Поскольку облигации редко значительно отклоняются от своих эталонных значений, в самых упрощенных подходах используется формула закона Гука :
Где - силовая константа, - это длина связи и это значение длины связи между атомами, и когда все остальные члены в силовом поле установлены на 0. Этот термин часто называют длиной равновесной связи, что может вызвать путаницу.. Равновесная длина связи - это значение, принятое в равновесии при 298 K с учетом всех других членов силового поля и кинетической энергии. Поэтому часто на несколько процентов отличается от реальной длины связи в экспериментах при 298 К.
Константу растяжения связи можно определить из экспериментального инфракрасного спектра, рамановского спектра или высокоуровневых квантово-механических расчетов. Константа определяет частоты колебаний при моделировании молекулярной динамики. Чем сильнее связь между атомами, тем выше значение силовой постоянной и тем выше волновое число (энергия) в ИК / рамановском спектре. Спектр вибрации в соответствии с заданной силовой постоянной может быть вычислен из коротких траекторий MD (5 пс) с временными шагами ~ 1 фс, вычисления автокорреляционной функции скорости и ее преобразования Фурье.
Хотя формула закона Гука обеспечивает разумный уровень точности при длинах связей, близких к равновесному расстоянию, она становится менее точной по мере удаления. Для лучшего моделирования кривой Морзе можно использовать кубические и более высокие степени. Однако для большинства практических приложений эти различия незначительны, а неточности в предсказаниях длин связей составляют порядка одной тысячной ангстрема, что также является пределом надежности для обычных силовых полей. Потенциал Морзе может быть использован вместо того, чтобы позволить разрыв связи и более высокую точность, даже если он является менее эффективным для вычисления.
Электростатические взаимодействия представлены кулоновской энергией, которая использует атомные заряды для представления химической связи в диапазоне от ковалентной до полярной, ковалентной и ионной связи. Типичная формула - закон Кулона :
Где расстояние между двумя атомами и. Полная кулоновская энергия представляет собой сумму по всем попарным комбинациям атомов и обычно не включает 1, 2 связанных атома, 1, 3 связанных атома, а также 1, 4 связанных атома.
Атомные заряды могут вносить основной вклад в потенциальную энергию, особенно для полярных молекул и ионных соединений, и имеют решающее значение для моделирования геометрии, энергии взаимодействия, а также реакционной способности. Присвоение атомных зарядов часто по-прежнему следует эмпирическим и ненадежным квантово-механическим протоколам, что часто приводит к нескольким 100% неопределенности относительно физически обоснованных значений в соответствии с экспериментальными дипольными моментами и теорией. Были разработаны воспроизводимые атомные заряды для силовых полей на основе экспериментальных данных для плотности деформации электронов, внутренних дипольных моментов и расширенной модели Борна. Погрешности lt;10%, или ± 0,1e, обеспечивают согласованное представление химической связи и до 100 раз более высокую точность вычисленных структур и энергий наряду с физической интерпретацией других параметров в силовом поле.
В дополнение к функциональной форме потенциалов силовые поля определяют набор параметров для различных типов атомов, химических связей, двугранных углов, внеплоскостных взаимодействий, не связанных взаимодействий и возможных других терминов. Многие наборы параметров являются эмпирическими, а в некоторых силовых полях используются обширные подгоночные термины, которые трудно дать физическую интерпретацию. Типы атомов определены для разных элементов, а также для одних и тех же элементов в достаточно разных химических средах. Например, атомы кислорода в воде и атомы кислорода в карбонильной функциональной группе классифицируются как разные типы силового поля. Типичные наборы параметров силового поля включают значения атомной массы, атомного заряда, параметров Леннарда-Джонса для каждого типа атома, а также равновесные значения длин связей, валентных углов и двугранных углов. Связанные термины относятся к парам, тройкам и четверкам связанных атомов и включают значения эффективной жесткости пружины для каждого потенциала. Большинство параметров текущего силового поля используют модель с фиксированным зарядом, согласно которой каждому атому присваивается одно значение для атомного заряда, на который не влияет локальная электростатическая среда.
Параметризация силового поля для моделирования с максимальной точностью и переносимостью, например, IFF, соответствует четко определенному протоколу. Рабочий процесс может включать (1) получение рентгеновской кристаллической структуры или химической формулы, (2) определение типов атомов, (3) получение атомных зарядов, (4) назначение начальных параметров Леннарда-Джонса и связанных параметров, (5) вычислительные испытания плотность и геометрия относительно экспериментальных справочных данных, (6) расчетные испытания энергетических свойств ( поверхностная энергия, энергия гидратации ) относительно экспериментальных справочных данных, (7) вторичная проверка и уточнение (термические, механические и диффузионные свойства). Основные итерационные циклы происходят между шагами (5) и (4), а также между (6) и (4) / (3). Химическая интерпретация параметров и надежные экспериментальные справочные данные играют решающую роль.
Параметры для молекулярного моделирования биологических макромолекул, таких как белки, ДНК и РНК, часто были получены из наблюдений за небольшими органическими молекулами, которые более доступны для экспериментальных исследований и квантовых расчетов. Таким образом, возникает множество проблем, таких как (1) ненадежные атомные заряды из квантовых вычислений могут повлиять на все вычисленные свойства и внутреннюю согласованность, (2) данные, полученные из квантовой механики для молекул в газовой фазе, могут быть неприменимы для моделирования в конденсированной фазе. фаза, (3) использование данных для малых молекул и применение к более крупным полимерным структурам связано с неопределенностью, (4) несходные экспериментальные данные с вариациями в точности и эталонных состояниях (например, температура) могут вызывать отклонения. В результате были получены данные о расходящихся параметрах силового поля для биологических молекул. Экспериментальные справочные данные включали, например, энтальпию из парообразования ( ССО ), энтальпий от сублимации, дипольных моментов, а также различных спектроскопических параметров. Несоответствия можно преодолеть путем интерпретации всех параметров силового поля и выбора постоянного эталонного состояния, например, комнатной температуры и атмосферного давления.
Некоторые силовые поля также включают отсутствие четкого химического обоснования, протокола параметризации, неполное подтверждение ключевых свойств (структур и энергий), отсутствие интерпретации параметров и обсуждение неопределенностей. В этих случаях сообщалось о больших случайных отклонениях вычисленных свойств.
Некоторые силовые поля включают явные модели поляризуемости, где на эффективный заряд частицы могут влиять электростатические взаимодействия с ее соседями. Распространены модели ядро-оболочка, которые состоят из положительно заряженной сердцевинной частицы, представляющей поляризуемый атом, и отрицательно заряженной частицы, прикрепленной к сердцевинному атому через пружинный потенциал гармонического осциллятора. Недавние примеры включают поляризуемые модели с виртуальными электронами, которые воспроизводят заряды изображения в металлах и поляризуемые биомолекулярные силовые поля. При добавлении таких степеней свободы для поляризуемости интерпретация параметров становится более сложной и увеличивает риск в отношении произвольных параметров соответствия и уменьшения совместимости. Вычислительные затраты возрастают из-за необходимости многократно вычислять локальное электростатическое поле.
Поляризуемые модели работают хорошо, когда они фиксируют основные химические свойства, а суммарный атомный заряд является относительно точным (в пределах ± 10%). В последнее время такие модели ошибочно называют «потенциалами осциллятора Друде». Подходящим термином для этих моделей является «модели осцилляторов Лоренца», поскольку Лоренц, а не Друде, предложил некоторую форму присоединения электронов к ядрам. Модели Друде предполагают неограниченное движение электронов, например, свободный электронный газ в металлах.
Исторически использовалось множество подходов к параметризации силового поля. Многочисленные классические силовые поля основывались на относительно непрозрачных протоколах параметризации, например, с использованием приближенных квантово-механических расчетов, часто в газовой фазе, с ожиданием некоторой корреляции со свойствами конденсированной фазы и эмпирических модификаций потенциалов для соответствия экспериментальным наблюдаемым. Протоколы могут быть невоспроизводимыми, и полуавтоматизация часто играет роль для генерации параметров, оптимизации для быстрого создания параметров и широкого охвата, а не для химической согласованности, интерпретируемости, надежности и устойчивости.
Аналогичные, даже более автоматизированные инструменты стали доступны недавно для параметризации новых силовых полей и помощи пользователям в разработке собственных наборов параметров для химикатов, которые до сих пор не параметризованы. Попытки предоставить открытые исходные коды и методы включают openMM и openMD. Использование полуавтоматики или полной автоматизации без участия химических знаний, вероятно, приведет к увеличению несоответствий на уровне атомных зарядов для определения оставшихся параметров и, вероятно, снизит интерпретируемость и эффективность параметров.
Силовое поле Interface (IFF) принимает одно одно выражение энергии для всех соединений через периодические (с 9-6 и 12-6 опции LJ) и использует строгую проверку с стандартизованных протоколов моделирования, которые позволяют полностью интерпретируемости и совместимость параметров, а также как высокая точность и доступ к неограниченным комбинациям соединений.
Функциональные формы и наборы параметров были определены разработчиками межатомных потенциалов и имеют переменную степень самосогласованности и переносимости. Когда функциональные формы потенциальных членов изменяются, параметры из одной межатомной потенциальной функции обычно не могут использоваться вместе с другой межатомной потенциальной функцией. В некоторых случаях модификации могут быть сделаны с небольшими усилиями, например, между 9-6 потенциалами Леннарда-Джонса и 12-6 потенциалами Леннарда-Джонса. Переход от потенциалов Букингема к гармоническим потенциалам или от встроенных моделей атома к гармоническим потенциалам, напротив, потребовал бы многих дополнительных предположений и может оказаться невозможным.
Все межатомные потенциалы основаны на приближении и экспериментальных данных, поэтому их часто называют эмпирическими. Производительность варьируется от более высокой точности, чем расчеты теории функционала плотности, с доступом к системам и временным масштабам в миллион раз больше, до случайных предположений в зависимости от силового поля. Использование точных представлений о химической связи в сочетании с воспроизводимыми экспериментальными данными и валидацией может привести к устойчивым межатомным потенциалам высокого качества с гораздо меньшим количеством параметров и допущений по сравнению с квантовыми методами уровня DFT.
Возможные ограничения включают атомные заряды, также называемые точечными зарядами. Большинство силовых полей полагаются на точечные заряды для воспроизведения электростатического потенциала вокруг молекул, который хуже работает для анизотропных распределений заряда. Лекарство состоит в том, что точечные заряды имеют четкую интерпретацию, а виртуальные электроны могут быть добавлены для захвата основных характеристик электронной структуры, таких как дополнительная поляризуемость в металлических системах для описания потенциала изображения, внутренние мультипольные моменты в π-сопряженных системах и неподеленные пары. в воде. Электронная поляризация окружающей среды может быть лучше учтена с помощью поляризуемых силовых полей или макроскопической диэлектрической проницаемости. Однако применение одного значения диэлектрической проницаемости является грубым приближением в сильно гетерогенных средах белков, биологических мембран, минералов или электролитов.
Все типы сил Ван-дер-Ваальса также сильно зависят от окружающей среды, потому что эти силы возникают в результате взаимодействий индуцированных и «мгновенных» диполей (см. Межмолекулярные силы ). Первоначальная теория этих сил Фрица Лондона применима только в вакууме. Более общая теория сил Ван-дер-Ваальса в конденсированных средах была разработана А.Д. Маклахланом в 1963 году и включает оригинальный подход Лондона как частный случай. Теория Маклахлана предсказывает, что притяжение Ван-дер-Ваальса в среде слабее, чем в вакууме, и подчиняется правилу « подобное растворяется, как правило», что означает, что атомы разных типов взаимодействуют слабее, чем атомы идентичных типов. Это контрастирует с комбинаторными правилами или уравнением Слейтера-Кирквуда, применяемыми для развития классических силовых полей. В комбинаторных правилах утверждают, что энергия взаимодействия двух разнородных атомов (например, С... N) представляет собой среднее значение энергий взаимодействия соответствующего идентичные пары атомов (т.е. C... C и N... N). Согласно теории Маклахлана, взаимодействия частиц в среде могут быть даже полностью отталкивающими, как это наблюдается для жидкого гелия, однако отсутствие испарения и наличие точки замерзания противоречит теории чисто отталкивающих взаимодействий. Якоб Исраэлашвили объяснил измерения сил притяжения между различными материалами ( постоянная Хамакера). Например, « взаимодействие углеводородов через воду составляет около 10% от взаимодействия через вакуум ». Такие эффекты представлены в молекулярной динамике через парные взаимодействия, которые пространственно более плотны в конденсированной фазе по сравнению с газовой фазой и воспроизводятся после подтверждения параметров для всех фаз для воспроизведения химической связи, плотности и когезионной / поверхностной энергии.
Ощущались ограничения в уточнении структуры белка. Основная основная проблема - это огромное пространство конформации полимерных молекул, которое выходит за рамки современной вычислительной возможности, если содержит более ~ 20 мономеров. Участники Критической оценки предсказания структуры белка ( CASP ) не пытались усовершенствовать свои модели, чтобы избежать « главного затруднения молекулярной механики, а именно того, что минимизация энергии или молекулярная динамика обычно приводит к модели, которая меньше похожа на экспериментальную структуру ». Силовые поля успешно применялись для уточнения структуры белков в различных приложениях рентгеновской кристаллографии и ЯМР-спектроскопии, особенно с использованием программы XPLOR. Однако уточнение обусловлено в основном набором экспериментальных ограничений, а межатомные потенциалы служат в основном для устранения межатомных препятствий. Результаты расчетов практически совпадают с потенциалами жестких сфер, реализованными в программе DYANA (расчеты по данным ЯМР), или с программами кристаллографического уточнения, которые вообще не используют энергетические функции. Эти недостатки связаны с межатомными потенциалами и с невозможностью эффективно исследовать конформационное пространство больших молекул. Таким образом, разработка параметров для решения таких крупномасштабных проблем требует новых подходов. Особая проблемная область - моделирование гомологии белков. Между тем, были разработаны альтернативные эмпирические оценочные функции для стыковки лигандов, сворачивания белков, уточнения модели гомологии, компьютерного дизайна белков и моделирования белков в мембранах.
Также утверждалось, что некоторые силовые поля белка действуют с энергиями, не имеющими отношения к укладке белка или связыванию лиганда. Параметры белков силовых полей воспроизводят энтальпию от сублимации, то есть, энергию испарения молекулярных кристаллов. Однако сворачивание белка и связывание лиганда термодинамически ближе к кристаллизации или переходам жидкость-твердое тело, поскольку эти процессы представляют собой замораживание мобильных молекул в конденсированных средах. Таким образом, ожидается, что изменения свободной энергии во время сворачивания белка или связывания лиганда будут представлять собой комбинацию энергии, подобной теплоте слияния (энергия, поглощенная при плавлении молекулярных кристаллов), вклада конформационной энтропии и свободной энергии сольватации. Теплота плавления значительно меньше, чем энтальпии сублимации. Следовательно, потенциалы, описывающие сворачивание белка или связывание лиганда, требуют более согласованных протоколов параметризации, например, как описано для IFF. Действительно, энергии водородных связей в белках составляют ~ -1,5 ккал / моль, если оценивать их из инженерии белка или данных перехода от альфа-спирали к спирали, но те же энергии, оцененные из энтальпии сублимации молекулярных кристаллов, составляли от -4 до -6 ккал / моль., который связан с повторным формированием существующих водородных связей, а не с образованием водородных связей с нуля. Глубина модифицированных потенциалов Леннарда-Джонса, полученных на основе данных белковой инженерии, также была меньше, чем в типичных потенциальных параметрах, и следовала тому же правилу растворения, как и предсказанному теорией Маклахлана.
Разные силовые поля предназначены для разных целей. Все они реализованы в различных компьютерных программах.
MM2 был разработан Норманом Аллингером в основном для конформационного анализа углеводородов и других небольших органических молекул. Он разработан для максимально точного воспроизведения равновесной ковалентной геометрии молекул. Он реализует большой набор параметров, которые постоянно уточняются и обновляются для многих различных классов органических соединений (MM3 и MM4).
CFF был разработан Arieh Warshel, Lifson и соавторами как общий метод для объединения исследований энергий, структур и колебаний общих молекул и молекулярных кристаллов. Программа CFF, разработанная Левиттом и Варшелом, основана на декартовом представлении всех атомов и послужила основой для многих последующих программ моделирования.
ECEPP был разработан специально для моделирования пептидов и белков. Он использует фиксированные геометрические формы аминокислотных остатков, чтобы упростить поверхность потенциальной энергии. Таким образом, минимизация энергии проводится в пространстве торсионных углов белка. И MM2, и ECEPP включают потенциалы для водородных связей и потенциалы кручения для описания вращений вокруг одинарных связей. ECEPP / 3 был реализован (с некоторыми изменениями) во внутренней механике координат и FANTOM.
AMBER, CHARMM и GROMOS были разработаны в основном для молекулярной динамики макромолекул, хотя они также обычно используются для минимизации энергии. Таким образом, координаты всех атомов считаются свободными переменными.
Интерфейсное силовое поле (IFF) было разработано как первое согласованное силовое поле для соединений в периодической таблице. Он преодолевает известные ограничения присвоения постоянных зарядов, использует стандартные условия в качестве эталонного состояния, воспроизводит структуры, энергии и производные энергии и количественно определяет ограничения для всех включенных соединений. Он совместим с несколькими силовыми полями для моделирования гибридных материалов (CHARMM, AMBER, OPLS-AA, CFF, CVFF, GROMOS).
Набор параметров, используемых для моделирования воды или водных растворов (в основном силовое поле для воды), называется водной моделью. Вода привлекает большое внимание из-за своих необычных свойств и важности как растворителя. Было предложено много водных моделей; некоторые примеры: TIP3P, TIP4P, SPC, гибкая модель простой точечной воды (гибкая SPC), ST2 и мВт. Другие растворители и методы представления растворителей также применяются в вычислительной химии и физике, некоторые примеры приведены на странице Модель растворителя. Недавно были опубликованы новые методы создания водных моделей.
