Su modeli - Water model

Bir su modeli, atom yükleri ve Lennard-Jones parametreleri gibi diğer parametrelerle birlikte geometrisi ile tanımlanır.

Olarak hesaplanabilir kimya , bir su modeli simüle etmek için kullanılan ve termodinamik olarak hesaplamak su kümeleri , sıvı su ve açık bir çözücü ile sulu çözeltiler. Modeller kuantum mekaniği , moleküler mekanik , deneysel sonuçlar ve bu kombinasyonlardan belirlenir. Moleküllerin belirli bir doğasını taklit etmek için birçok model geliştirilmiştir. Genel olarak bunlar şu üç noktaya göre sınıflandırılabilir; (i) site adı verilen etkileşim noktalarının sayısı , (ii) modelin katı mı yoksa esnek mi olduğu, (iii) modelin polarizasyon etkileri içerip içermediği .

Açık su modellerine bir alternatif , bir süreklilik modeli olarak da adlandırılan, bir örneği COSMO çözme modeli veya polarize edilebilir süreklilik modeli (PCM) veya bir hibrit çözme modeli olabilecek bir örtük çözme modeli kullanmaktır .

Basit su modelleri

Katı modeller, en basit su modelleri olarak kabul edilir ve bağlı olmayan etkileşimlere dayanır . Bu modellerde, bağlanma etkileşimleri dolaylı olarak holonomik kısıtlamalar tarafından ele alınır . Elektrostatik etkileşim, Coulomb yasası kullanılarak ve dağılım ve itme kuvvetleri Lennard-Jones potansiyeli kullanılarak modellenmiştir . TIP3P (3 noktalı aktarılabilir moleküller arası potansiyel) ve TIP4P gibi modeller için potansiyel, şu şekilde temsil edilir:

${\displaystyle E_{ab}=\sum _{i}^{{\text{on }}a}\sum _{j}^{{\text{on }}b}{\frac {k_{C} q_{i}q_{j}}{r_{ij}}}+{\frac {A}{r_{\text{OO}}^{12}}}-{\frac {B}{r_{\text {OO}}^{6}}},}$

burada k, _Cı , elektrostatik sabit , 332.1 Â · kcal / (mol · arasında bir değere sahiptir , e yaygın moleküler modelleme olarak kullanılan birimlerde ²); q, _i ve q, _j olan kısmi ücretleri elektron şarjının göre değerlendirmek; r _ij , iki atom veya yüklü site arasındaki mesafedir; ve A ve B , Lennard-Jones parametreleridir . Yüklü siteler atomlar üzerinde veya kukla sitelerde (yalnız çiftler gibi) olabilir. Çoğu su modelinde, Lennard-Jones terimi yalnızca oksijen atomları arasındaki etkileşim için geçerlidir.

Aşağıdaki şekil 3 ila 6 bölgeli su modellerinin genel şeklini göstermektedir. Kesin geometrik parametreler (OH mesafesi ve HOH açısı) modele göre değişir.

2-site

Bilinen üç bölgeli SPC modeline (aşağıya bakınız) dayanan 2 bölgeli bir su modelinin, site yeniden normalleştirilmiş moleküler sıvı teorisini kullanarak suyun dielektrik özelliklerini tahmin ettiği gösterilmiştir.

3-site

Üç bölgeli modeller, su molekülünün üç atomuna karşılık gelen üç etkileşim noktasına sahiptir. Her sitenin bir nokta yükü vardır ve oksijen atomuna karşılık gelen site ayrıca Lennard-Jones parametrelerine sahiptir. 3 bölgeli modeller yüksek bir hesaplama verimliliği elde ettiğinden, bunlar moleküler dinamik simülasyonlarının birçok uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadır . Modellerin çoğu, gerçek su molekülleriyle eşleşen katı bir geometri kullanır. Bir istisna, gözlemlenen 104,5° açı yerine ideal bir dört yüzlü şekil (109,47° HOH açısı) varsayan SPC modelidir.

Aşağıdaki tablo, bazı 3 siteli modellerin parametrelerini listeler.

SPC/E modeli, potansiyel enerji fonksiyonuna ortalama bir polarizasyon düzeltmesi ekler:

${\displaystyle E_{\text{pol}}={\frac {1}{2}}\sum _{i}{\frac {(\mu -\mu ^{0})^{2}}{\ alfa _{i}}},}$

burada μ etkin bir şekilde polarize edilmiş su molekülünün elektrik dipol momentidir ( SPC/E modeli için 2.35 D ), μ ⁰ izole edilmiş bir su molekülünün dipol momentidir (deneyden 1.85 D) ve α _i bir izotropik polarize edilebilirlik sabitidir , değeri ile1.608 × 10 ⁻⁴⁰  F ·m ² . Modeldeki yükler sabit olduğundan, bu düzeltme sadece toplam enerjiye 1,25 kcal/mol (5,22 kJ/mol) eklenmesiyle sonuçlanır. SPC/E modeli, SPC modelinden daha iyi bir yoğunluk ve difüzyon sabiti sağlar.

CHARMM kuvvet alanında uygulanan TIP3P modeli , orijinalin biraz değiştirilmiş bir versiyonudur. Fark, Lennard-Jones parametrelerinde yatmaktadır: TIP3P'den farklı olarak, modelin CHARMM versiyonu, oksijene ek olarak, Lennard-Jones parametrelerini hidrojen atomlarına da yerleştirir. Ücretler değiştirilmez. Üç bölgeli model (TIP3P), özgül ısıları hesaplamada daha iyi performansa sahiptir.

Esnek SPC su modeli

Esnek SPC su modeli

Esnek basit nokta şarjlı su modeli (veya esnek SPC su modeli), üç bölgeli SPC su modelinin yeniden parametrelendirilmesidir. SPC iken modeli, sert , esnek SPC modeli esnektir. Toukan ve Rahman modelinde, O-H esnemesi harmonik hale getirilir ve bu nedenle dinamik davranış iyi tanımlanır. Bu, polarizasyonu hesaba katmadan en doğru üç merkezli su modellerinden biridir . Olarak moleküler dinamik simülasyonları doğru verir yoğunluğa ve dielektrik geçirgenliği su.

Esnek SPC, MDynaMix ve Abalone programlarında uygulanmaktadır .

Diğer modeller

• Ferguson (esnek SPC)
• CVFF (esnek)
• MG (esnek ve dissosiyatif)
• KKY potansiyeli (esnek model).
• BLXL (smear yüklü potansiyel).

4-site

Dört bölgeli modeller, üç bölgeli modellerin HOH açısının açıortayı boyunca oksijenin yanına bir yapay atom eklenerek dört etkileşim noktasına sahiptir (şekilde M etiketli ). Sahte atom sadece negatif bir yüke sahiptir. Bu model, su molekülü etrafındaki elektrostatik dağılımı iyileştirir. Bu yaklaşımı kullanan ilk model, 1933'te yayınlanan ve aynı zamanda en eski su modeli olabilecek Bernal-Fowler modeliydi. Bununla birlikte, BF modeli, buharlaşma yoğunluğu ve ısısı gibi suyun toplu özelliklerini iyi bir şekilde yeniden üretmez ve bu nedenle yalnızca tarihsel ilgi çekicidir. Bu, parametreleştirme yönteminin bir sonucudur; Modern bilgisayarların kullanıma sunulmasından sonra geliştirilen daha yeni modeller, Metropolis Monte Carlo veya moleküler dinamik simülasyonları çalıştırılarak ve toplu özellikler yeterince iyi üretilene kadar parametreler ayarlanarak parametreleştirildi.

İlk olarak 1983'te yayınlanan TIP4P modeli, hesaplamalı kimya yazılım paketlerinde yaygın olarak uygulanır ve genellikle biyomoleküler sistemlerin simülasyonu için kullanılır. TIP4P modelinin belirli kullanımlar için sonradan yeniden parametrelendirmeleri yapılmıştır: Ewald toplama yöntemleriyle kullanım için TIP4P-Ew modeli; katı su buzu simülasyonu için TIP4P/Ice; ve TIP4P/2005, yoğunlaştırılmış suyun tüm faz diyagramını simüle etmek için genel bir parametreleştirme .

Dört bölgeli su modellerinin çoğu, serbest su molekülününkine uygun OH mesafesi ve HOH açısı kullanır. Bir istisna, su molekülünün temel _C2v moleküler simetrisi dışında hiçbir geometri kısıtlamasının uygulanmadığı OPC modelidir . Bunun yerine nokta yükler ve konumları, su molekülünün elektrostatiklerini en iyi şekilde tanımlayacak şekilde optimize edilir. OPC, yaygın olarak kullanılan rijit n- site su modellerinden daha doğru bir şekilde kapsamlı bir yığın özelliklerini yeniden üretir . OPC modeli AMBER kuvvet alanında uygulanmaktadır .

Diğerleri:

• q-TIP4P/F (esnek)

5-site

5 bölgeli modeller, negatif yükü, tetrahedral benzeri bir geometri ile oksijen atomunun yalnız çiftlerini temsil eden kukla atomlara ( L etiketli ) yerleştirir . Bu türlerin erken bir modeli, 1971'de önerilen Ben-Naim ve Stillinger'in BNS modeliydi ve kısa süre sonra 1974'te Stillinger ve Rahman'ın ST2 modeli tarafından takip edildi. Temel olarak daha yüksek hesaplama maliyetleri nedeniyle, beş bölgeli modeller pek geliştirilmedi. Mahoney ve Jorgensen'in TIP5P modelinin yayınlandığı 2000 yılına kadar. Daha önceki modellerle karşılaştırıldığında, TIP5P modeli, su dimeri geometrisinde iyileştirmeler , nötron kırınımından deneysel radyal dağılım fonksiyonlarını daha iyi yeniden üreten daha "tetrahedral" bir su yapısı ve suyun maksimum yoğunluğunun sıcaklığı ile sonuçlanır. TIP5P-E modeli, Ewald toplamlarıyla kullanım için TIP5P'nin yeniden parametrelendirilmesidir .

Bununla birlikte, BNS ve ST2 modellerinin elektrostatik terimler için doğrudan Coulomb yasasını kullanmadığını, ancak anahtarlama fonksiyonu S ( r ) ile çarpılarak kısa mesafelerde küçültülmüş değiştirilmiş bir versiyonunu kullandığına dikkat edin :

${\displaystyle S(r_{ij})={\begin{cases}0&{\text{if }}r_{ij}\leq R_{\text{L}},\\{\frac {(r_{ij) }-R_{L})^{2}(3R_{\text{U}}-R_{\text{L}}-2r_{ij})}{(R_{\text{U}}-R_{\ metin{L}})^{2}}}&{\text{if }}R_{\text{L}}\leq r_{ij}\leq R_{\text{U}},\\1&{\ metin{if }}R_{\text{U}}\leq r_{ij}.\end{durumlar}}}$

Bu durumda, R, _L ve R _u parametreleri yalnızca BNS ve ST2 için de geçerlidir.

6-site

Başlangıçta su/buz sistemlerini incelemek için tasarlanmış olan, 4 ve 5 bölgeli modellerin tüm bölgelerini birleştiren 6 bölgeli bir model Nada ve van der Eerden tarafından geliştirilmiştir. Periyodik elektrostatik koşullar (Ewald toplamı) altında kullanıldığında çok yüksek bir erime sıcaklığına sahip olduğundan, daha sonra Coulomb etkileşimini tahmin etmek için Ewald yöntemi kullanılarak optimize edilmiş değiştirilmiş bir versiyon yayınlandı.

Diğer

• Açık çözünen modelinin biyomoleküler simülasyonlarda çözünen davranışı üzerindeki etkisi de kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Açık su modellerinin, katlanmış peptitlerin konformasyonel davranışı ve esnekliği bozulmadan kalırken, katlanmamış peptitlerin spesifik çözünmesini ve dinamiklerini etkilediği gösterilmiştir.
• MB modeli. Suyun bazı özelliklerini iki boyutlu sistemlerde yeniden üreten Mercedes-Benz logosuna benzeyen daha soyut bir model . "Gerçek" (yani üç boyutlu) sistemlerin simülasyonları için bu şekilde kullanılmaz, ancak nitel araştırmalar ve eğitim amaçları için yararlıdır.
• Kaba taneli modeller. Bir ve iki bölgeli su modelleri de geliştirilmiştir. İri taneli modellerde, her bölge birkaç su molekülünü temsil edebilir.
• Çok vücutlu modeller. Eğitim seti konfigürasyonları kullanılarak oluşturulan su modelleri kuantum mekaniksel olarak çözüldü ve daha sonra potansiyel enerji yüzeylerini çıkarmak için makine öğrenme protokollerini kullandı. Bu potansiyel enerji yüzeyleri, yoğun faz sistemlerinin fiziksel özelliklerinin hesaplanmasında eşi görülmemiş bir doğruluk derecesi için MD simülasyonlarına beslenir.
  • Birçok gövde modelinin başka bir sınıflandırması, temeldeki elektrostatiklerin, örneğin SCME (Single Center Multipole Expansion) modelinin genişletilmesine dayanır.

hesaplama maliyeti

Bir su simülasyonunun hesaplama maliyeti, su modelindeki etkileşim alanlarının sayısı ile artar. CPU zamanı, hesaplanması gereken atomlar arası mesafelerin sayısıyla yaklaşık olarak orantılıdır. 3 bölgeli model için, her bir su molekülü çifti için 9 mesafe gereklidir (bir molekülün her atomu diğer molekülün her atomuna karşı veya 3 x 3). 4 bölgeli model için 10 mesafe gereklidir (her yüklenmiş bölge ile her yüklenmiş bölge artı O–O etkileşimi veya 3 × 3 + 1). 5-site modeli için 17 mesafe (4 × 4 + 1) gereklidir. Son olarak 6 bölgeli model için 26 mesafe (5×5+1) gereklidir.

Moleküler dinamikte katı su modelleri kullanırken, kısıtlama algoritmaları kullanarak yapıyı kısıtlı tutmakla ilişkili ek bir maliyet vardır (bağ uzunlukları kısıtlıyken zaman adımını artırmak çoğu zaman mümkündür).

Ayrıca bakınız

• Su (özellikler)
• Su (veri sayfası)
• Su dimeri
• Kuvvet alanı (kimya)
• Kuvvet alanı uygulamalarının karşılaştırılması
• moleküler mekanik
• moleküler modelleme
• Moleküler mekanik modelleme için yazılım karşılaştırması
• çözücü modelleri

Referanslar