Moleküler modelleme - Molecular modelling

İyonik sıvının modellenmesi

Moleküler modelleme , moleküllerin davranışını modellemek veya taklit etmek için kullanılan teorik ve hesaplamalı tüm yöntemleri kapsar . Yöntemler, hesaplamalı kimya , ilaç tasarımı , hesaplamalı biyoloji ve malzeme bilimi alanlarında, küçük kimyasal sistemlerden büyük biyolojik moleküllere ve malzeme gruplarına kadar değişen moleküler sistemleri incelemek için kullanılır. En basit hesaplamalar elle yapılabilir, ancak kaçınılmaz olarak bilgisayarların makul büyüklükteki herhangi bir sistemin moleküler modellemesini gerçekleştirmesi gerekir. Moleküler modelleme yöntemlerinin ortak özelliği, moleküler sistemlerin atomistik seviyede tanımlanmasıdır. Bu, atomları en küçük bireysel birim olarak ele almayı ( moleküler mekanik bir yaklaşım) veya protonları ve nötronları kendi fotonlarıyla ( kuantum kimyası yaklaşımı) kuarkları, anti-kuarkları ve gluonlarıyla açık bir şekilde modellemeyi içerebilir .

Moleküler mekanik

Omurga dihedral açıları , bir proteinin moleküler modeline dahil edilir .

Moleküler mekanik , modellerin arkasındaki fiziksel temeli tanımlamak için klasik mekaniğin ( Newton mekaniği ) kullanılmasını içerdiğinden, moleküler modellemenin bir yönüdür . Moleküler modeller tipik olarak atomları (toplu olarak çekirdek ve elektronlar) ilişkili bir kütle ile nokta yükler olarak tanımlar. Komşu atomlar arasındaki etkileşimler, yay benzeri etkileşimler ( kimyasal bağları temsil eden ) ve Van der Waals kuvvetleriyle tanımlanır . Lennard-Jones potansiyel genel olarak ikinci tarif etmek için kullanılır. Elektrostatik etkileşimler Coulomb yasasına göre hesaplanır . Atomlara Kartezyen uzayda veya iç koordinatlarda koordinatlar atanır ve ayrıca dinamik simülasyonlarda hızlar da atanabilir. Atom hızları, makroskopik bir miktar olan sistemin sıcaklığıyla ilişkilidir. Kolektif matematiksel ifade, potansiyel bir fonksiyon olarak adlandırılır ve potansiyel ve kinetik enerjilerin toplamına eşit olan termodinamik bir miktar olan sistem iç enerjisi (U) ile ilgilidir. Potansiyel enerjiyi en aza indiren yöntemler, enerji minimizasyon yöntemleri (örneğin, en dik iniş ve eşlenik gradyan ) olarak adlandırılırken, sistemin davranışını zamanın yayılmasıyla modelleyen yöntemler moleküler dinamik olarak adlandırılır .

${\ displaystyle E = E _ {\ text {bağ}} + E _ {\ text {açı}} + E _ {\ text {dihedral}} + E _ {\ text {non-bonded}} \,}$

${\ displaystyle E _ {\ text {non-bonded}} = E _ {\ text {elektrostatik}} + E _ {\ text {van der Waals}} \,}$

Potansiyel bir fonksiyon olarak adlandırılan bu fonksiyon, moleküler potansiyel enerjiyi, bağ uzunluklarının, bağ açılarının ve bükülme açılarının denge değerlerinden uzaklaşmasını tanımlayan enerji terimlerinin toplamı ve ayrıca van'ı tanımlayan bağlanmamış atom çiftleri için terimler olarak hesaplar. der Waals ve elektrostatik etkileşimler. Denge bağ uzunlukları, bağ açıları, kısmi yük değerleri, kuvvet sabitleri ve van der Waals parametrelerinden oluşan parametreler topluca bir kuvvet alanı olarak adlandırılır . Moleküler mekaniğin farklı uygulamaları, potansiyel fonksiyon için farklı matematiksel ifadeler ve farklı parametreler kullanır . Günümüzde kullanılan ortak kuvvet alanları, kimyasal teori, deneysel referans verileri ve üst düzey kuantum hesaplamaları kullanılarak geliştirilmiştir. Enerji minimizasyonu olarak adlandırılan yöntem, tüm atomlar için sıfır gradyan pozisyonlarını, başka bir deyişle, minimum yerel enerjiyi bulmak için kullanılır. Daha düşük enerji durumları daha kararlıdır ve genellikle kimyasal ve biyolojik süreçlerdeki rolleri nedeniyle araştırılır. Öte yandan, bir moleküler dinamik simülasyon, bir sistemin davranışını zamanın bir fonksiyonu olarak hesaplar. Newton'un hareket yasalarını, özellikle de ikinci yasayı çözmeyi içerir . Newton'un hareket yasalarının farklı entegrasyon algoritmaları kullanılarak entegrasyonu, uzay ve zamanda atomik yörüngelere yol açar. Bir atom üzerindeki kuvvet, potansiyel enerji fonksiyonunun negatif gradyanı olarak tanımlanır. Enerji minimizasyon yöntemi, benzer sistemlerin durumlarını karşılaştırmak için statik bir resim elde etmek için kullanışlıdır, moleküler dinamik ise, sıcaklık etkilerinin içsel olarak dahil edilmesiyle dinamik süreçler hakkında bilgi sağlar. ${\ displaystyle \ mathbf {F} = m \ mathbf {a}}$

Değişkenler

Moleküller, vakumda veya su gibi bir çözücü varlığında modellenebilir. Vakumdaki sistemlerin simülasyonları, gaz fazı simülasyonları olarak adlandırılırken, çözücü moleküllerinin varlığını içerenler, açık çözücü simülasyonları olarak adlandırılır . Başka bir simülasyon türünde, çözücünün etkisi deneysel bir matematiksel ifade kullanılarak tahmin edilir; bunlar örtük çözme simülasyonları olarak adlandırılır .

Koordinat temsilleri

Çoğu kuvvet alanı mesafeye bağlıdır ve bu Kartezyen koordinatlar için en uygun ifadeyi yapar. Yine de, belirli atomlar arasında oluşan bağların nispeten katı doğası ve özünde, atama molekülü ile ne kastedildiğini tanımlar , bir iç koordinat sistemini en mantıklı temsil yapar. Bazı alanlarda IC gösterimi (şekilde gösterildiği gibi bağ uzunluğu, bağlar arasındaki açı ve bağın bükülme açısı) Z-matrisi veya burulma açısı temsili olarak adlandırılır . Ne yazık ki, Kartezyen uzaydaki sürekli hareketler genellikle iç koordinatlarda kesintili açısal dallar gerektirir, bu da iç koordinat gösteriminde kuvvet alanlarıyla çalışmayı nispeten zorlaştırır ve tersine Kartezyen uzayda bir atomun basit bir yer değiştirmesi nedeniyle düz bir çizgi yörüngesi olmayabilir. birbirine bağlı tahvillerin yasaklarına. Bu nedenle, hesaplamalı optimizasyon programlarının yinelemeleri sırasında temsiller arasında gidip gelmeleri çok yaygındır. Bu, potansiyelin kendisinin hesaplama süresine hakim olabilir ve uzun zincirli moleküller kümülatif sayısal yanlışlıklara neden olabilir. Tüm dönüştürme algoritmaları matematiksel olarak aynı sonuçları üretirken, hız ve sayısal doğruluk açısından farklılık gösterirler. Şu anda, Kartezyen dönüşüme en hızlı ve en doğru burulma, Doğal Genişletme Referans Çerçevesi (NERF) yöntemidir.

Uygulamalar

Moleküler modelleme yöntemleri artık inorganik, biyolojik ve polimerik sistemlerin yapısını, dinamiklerini, yüzey özelliklerini ve termodinamiğini araştırmak için rutin olarak kullanılmaktadır. Moleküler modelleme kullanılarak araştırılan biyolojik aktivite türleri arasında protein katlanması , enzim katalizi , protein stabilitesi, biyomoleküler fonksiyonla ilişkili konformasyonel değişiklikler ve proteinlerin, DNA'nın ve zar komplekslerinin moleküler tanınması yer alır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma