Los mecánicos moleculares del término refieren al uso de los mecánicos neutonianos de modelar sistemas moleculares . La energía potencial de todos los sistemas en mecánicos moleculares se calcula usar los campos de fuerza que los mecánicos moleculares pueden ser utilizados para estudiar las pequeñas moléculas así como sistemas biológicos grandes o a asambleas materiales con muchos millares a millones de átomos.

los métodos moleculares Todo-atomísticos de los mecánicos tienen las características siguientes:
Cada átomo se simula como sola partícula
Cada partícula se asigna un radio (típicamente el radio de Van der Waals), polarizabilidad, y una carga neta constante (derivada generalmente de cálculos y/o del experimento del quántum)
Las interacciones consolidadas se tratan como " springs" con una distancia del equilibrio igualar a la longitud en enlace experimental o calculada

Las variaciones en este tema son posibles; por ejemplo, muchas simulaciones han utilizado históricamente un " unido-atom" la representación en la cual el el metileno metílico de y agrupa fue representada como una sola partícula, y sistemas grandes de la proteína se simula comúnmente usar un " bead" modelar que asigna dos a cuatro partículas por el aminoácido .

Forma funcional

La abstracción funcional siguiente, conocida como campo de la función potencial o de fuerza en química, calcula la energía potencial del sistema molecular (e) en una conformación dada como suma de términos individuales de la energía.

$\backslash \; E\; =\; E\_\; \{covalente\}\; +\; E\_$ {noncovalent}

donde los componentes de las contribuciones covalentes y noncolvalent son dados por las adiciones siguientes:

$\backslash \; E\_\; \{covalente\}\; =\; E\_\; \{enlace\}\; +\; E\_\; \{ángulo\}\; +\; E\_\; \{diedro\}$

$\backslash \; E\_\; \{noncovalent\}\; =\; E\_\; \{electrostático\}\; +\; E\_\; \{van\; der\; Waals\}$

La forma funcional exacta de la función potencial, o de campo de fuerza, depende del programa particular de la simulación que es utilizado. Los términos generalmente del enlace y del ángulo se modelan como potenciales armónicos centrados alrededor de los valores de la enlazar-longitud del equilibrio derivados del experimento o de los cálculos teóricos de la estructura electrónica realizados con el software que hace el tipo cálculos del ab initio tales como gausiano. Para la reproducción exacta de espectros vibratorios, el potencial de Morse se puede utilizar en lugar de otro, en el coste de cómputo. El diedro o los términos torsionales tiene típicamente mínimos múltiples y no se puede modelar así como osciladores armónicos, aunque su forma funcional específica varía con la puesta en práctica. Esta clase de términos puede incluir el " improper" los términos dihedral, que funcionan como los factores de corrección para las desviaciones del hacia fuera-de-plano (por ejemplo, ellos se pueden utilizar para mantener los anillos del benceno planares).

Los términos no-consolidados son mucho más de cómputo costosos calcular adentro por completo, puesto que un átomo típico se enlaza solamente a algunos de sus vecinos, pero obran recíprocamente con cada otro átomo en la molécula. El término de van der Waals se cae afortunadamente rápido - se modela típicamente usar un " 6-12 " potencial de Lennard-Jones ;, así que significa que las fuerzas atractivas se caen con distancia como r^-6 y las fuerzas repulsivas como r^-12, donde r representa la distancia entre dos átomos. Un radio del atajo se utiliza generalmente para acelerar el cálculo de modo que los pares del átomo cuyas distancias son mayores que el atajo tengan una energía de la interacción de Waals del der de la furgoneta de cero.

Los términos electrostáticos son notorio difíciles de calcular bien porque no se caen rápido con distancia, y las interacciones electrostáticas de largo alcance son a menudo características importantes del sistema bajo estudio (especialmente para las proteínas ). La forma funcional básica es el potencial del culombio, que se cae solamente como r^-1. Una variedad de métodos se utilizan para abordar este problema, el ser más simple un radio del atajo similar a ése usado para los términos de Waals del der de la furgoneta. Sin embargo, esto introduce una discontinuidad aguda entre el interior de los átomos y los átomos fuera del radio. Las funciones de la conmutación o del escalamiento que modulan la energía electrostática evidente son métodos algo más exactos que multiplican la energía calculada por un factor de escala suavemente diverso a partir de la 0 a 1 en los radios externos e internos del atajo. Otros más sofisticados pero los métodos intensivos se conocen de cómputo como el acoplamiento Ewald de la partícula (PME) y el algoritmo de varios polos.

Además de la forma funcional de cada término de la energía, una función de la energía útil se debe asignar los parámetros para los constantes de fuerza, los multiplicadores de van der Waals, y otros términos constantes. Estos términos, junto con el enlace del equilibrio, el ángulo, y los valores dihedral, valores parciales de la carga, las masas y radios atómicos, y definiciones de función de la energía, se conocen colectivamente como campo de fuerza . La parametrización se hace típicamente con el acuerdo con valores experimentales y resultados teóricos de los cálculos. Cada campo de fuerza se da parámetros para ser interno constante, pero los parámetros no son generalmente tranferibles a partir de un campo de fuerza a otro.

Áreas del uso

El uso molecular prototípico de los mecánicos es minimización de la energía. Es decir, el campo de fuerza se utiliza como un criterio de la optimización y el mínimo (del local) buscados por un algoritmo apropiado (e. la pendiente más escarpada ). La optimización de energía global puede ser realizada usar de recocido simulado, el algoritmo de la metrópoli y otros métodos de Monte Carlo, o usar diversos métodos deterministas de optimización discreta o continua. La puntería principal de los métodos de la optimización está encontrando la conformación de la energía más baja de una molécula o está identificando un sistema de los conformers de poca energía que están en equilibrio con uno a. El campo de fuerza representa solamente el componente enthalpic de la energía libre, y solamente este componente es incluido durante la minimización de la energía. Sin embargo, el análisis del equilibrio entre diversos estados requiere también el que la entropía conformacional sea incluida, que es posible pero hecha raramente.

Otros usos del milímetro incluyen las simulaciones del trazado potencial de la energía y del muelle del ligand.

Los mecánicos moleculares y las dinámicas moleculares (MD) son relacionados pero diferentes. El propósito principal del MD es modelado de movimientos moleculares, aunque también se solicite la optimización, por ejemplo usar de recocido simulado . El milímetro ejecuta más " static" métodos de la minimización de la energía para estudiar las superficies de energía potencial de diversos sistemas moleculares. Sin embargo, el milímetro puede también proporcionar parámetros dinámicos importantes, tales como barreras de energía entre los diversos conformers o inclinación de una superficie de energía potencial alrededor de un mínimo local. El MD y los milímetros se basan generalmente en los mismos campos de fuerza clásicos pero el MD se puede también basar en métodos químicos del quántum como el DFT . El milímetro también se utiliza libremente para definir un sistema de técnicas en el de modelado molecular.

Ambiente y disolución

Hay varias maneras de definir el ambiente que rodea la molécula o las moléculas del interés en mecánicos moleculares. Un sistema se puede simular en el vacío (conocido como simulación en fase gaseosa) sin el ambiente circundante en absoluto, pero esto no es generalmente deseable porque introduce los artefactos en la geometría molecular, especialmente en moléculas cargadas. Cargas superficiales que obrarían recíprocamente ordinariamente con las moléculas solventes en lugar de otro interactivas con uno a, produciendo las conformaciones moleculares que son poco probables estar presentes en cualquier otro ambiente. El " best" la manera al solvate un sistema es colocar las moléculas de agua explícitas en la caja de la simulación con las moléculas del interés y tratar las moléculas de agua como partículas que obran recíprocamente como ésos en la molécula. Una variedad de modelos del agua existen con el aumento de los niveles de complejidad, representando el agua como esfera dura simple (un acercamiento del unir-átomo), como tres partículas separadas con ángulos en enlace fijos, o aún como cuatro o cinco centros separados de la interacción para explicar electrones desparejados en el átomo de oxígeno. Unsurprisingly, cuanto más complejo el modelo del agua, más de cómputo el intensivo la simulación. Un acercamiento del compromiso se ha encontrado en la disolución implícita, que substituye las moléculas de agua explícitamente representadas por una expresión matemática que reproduzca el comportamiento medio de las moléculas de agua (o de otros solventes tales como lípidos). Este método es útil para prevenir los artefactos que se presentan de simulaciones del vacío y reproducen características solventes a granel bien, pero no puede reproducir las situaciones en las cuales las moléculas de agua individuales tienen interacciones interesantes con las moléculas bajo estudio.

Paquetes de programas informáticos

Lista limitada; mucho más son

disponible del

AMBARINO
CHARMM
Ghemical
GROMOS
GROMACS
NAMD
STR3DI32

Ver también

Campo de fuerza en Chemistry
Software para los mecánicos moleculares que modelan

.

Zenithic

Killyleagh Castle

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