Молекулярная механика - Molecular mechanics

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 .

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.

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

где компоненты ковалентного и нековалентного вкладов даются следующими суммированиями:

${\ displaystyle \ E _ {\ text {covalent}} = E _ {\ text {bond}} + E _ {\ text {angle}} + E _ {\ text {двугранный}}}$

${\ displaystyle \ E _ {\ text {нековалентный}} = E _ {\ text {электростатический}} + E _ {\ text {van der Waals}}}$

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

Это ограниченный список; доступно гораздо больше пакетов.

Смотрите также

использованная литература

Аллингер Н.Л., Буркерт У. (1982). Молекулярная механика . Публикация Американского химического общества. ISBN 978-0-8412-0885-8.
Вставка VG (март 1997 г.). «Молекулярная механика квантованных валентных связей». Модель J Mol . 3 (3): 124–41. DOI : 10.1007 / s008940050026 . S2CID 93821090 .
Вставка VG (12 ноября 1998 г.). «Аномерный эффект моносахаридов и их производных. Выводы из нового силового поля молекулярной механики QVBMM» . Гетероциклы . 48 (11): 2389–417. DOI : 10,3987 / REV-98-504 .
Вставка VG (2004). «Стереоэлектронные эффекты в полинуклеотидах и их двойных спиралях». J. Mol. Struct. . 689 (1–2): 33–41. Bibcode : 2004JMoSt.689 ... 33В . DOI : 10.1016 / j.molstruc.2003.10.019 .
Беккер О.М. (2001). Вычислительная биохимия и биофизика . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0-8247-0455-1.
Mackerell AD (октябрь 2004 г.). «Эмпирические силовые поля для биологических макромолекул: обзор и проблемы». J. Comput Chem . 25 (13): 1584–604. DOI : 10.1002 / jcc.20082 . PMID 15264253 . S2CID 9162620 .
Шлик Т. (2002). Молекулярное моделирование и симуляция: междисциплинарное руководство . Берлин: Springer. ISBN 978-0-387-95404-2.
Кришнан Намбури; Рамачандран, Канзас; Дипа Гопакумар (2008). Вычислительная химия и молекулярное моделирование: принципы и приложения . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-77302-3.

Languages

In other projects