Molekuláris modellezés

A molekuláris modellezés (MM) a molekulák szerkezetének és tulajdonságainak számítási módszerekkel  történő tanulmányozására szolgáló módszerek gyűjtőneve , az eredmények utólagos megjelenítésével, háromdimenziós ábrázolásuk biztosításával a számításban meghatározott feltételek mellett [1] .

A molekuláris modellezési technikákat a számítógépes kémiában , a számítási biológiában és az anyagtudományban használják az egyes molekulák és a molekuláris rendszerek kölcsönhatásainak tanulmányozására.

A molekuláris modellezés legegyszerűbb rendszereinek számításai manuálisan is elvégezhetők, de a gyakorlati érdeklődésre számot tartó modellezési rendszerekben a számítások nagy száma miatt, különösen a molekuláris dinamika tanulmányozása során , számítógépes számítási és megjelenítési módszereket alkalmaznak, ezt a technikát számítógépnek nevezik. molekuláris modellezés ( angol  computer-assisted molecular modeling, CAMM ) [2] .

Az MM módszerek közös jellemzője a molekuláris rendszerek atomisztikus leírása - a legkisebb részecskék atomok vagy kis atomcsoportok. Ez a különbség az MM és a kvantumkémia között , ahol az elektronokat is kifejezetten figyelembe veszik. Így az MM előnye a rendszerek leírásának kisebb bonyolultsága, ami lehetővé teszi nagyobb számú részecske figyelembevételét a számításoknál.

Molekuláris mechanika

A molekuláris mechanika  az MM egyik olyan megközelítése, amely a klasszikus mechanikát használja a modell fizikai alapjainak leírására. Az atomokat (elektronokkal rendelkező atommagokat) ponttömegekként ábrázolják megfelelő töltésekkel. A szomszédos atomok közötti kölcsönhatások közé tartoznak a rugalmas kölcsönhatások (amelyek a kémiai kötéseknek felelnek meg ) és a van der Waals-erők , amelyeket hagyományosan a Lennard-Jones potenciál ír le . Az elektrosztatikus kölcsönhatásokat a Coulomb-törvény segítségével számítjuk ki . A térben lévő atomokhoz derékszögű vagy belső koordinátákat rendelünk; dinamikus számításokban az atomokhoz a hőmérsékletnek megfelelő sebességeket is hozzá lehet rendelni. Az általános matematikai kifejezést potenciálfüggvénynek nevezik (lásd az egyenleteket), és a rendszer belső energiájának (U) felel meg - egy termodinamikai mennyiség, amely megegyezik a potenciális és a kinetikus energia összegével . A potenciálfüggvény a potenciális energiát a kötéshosszak, kötési és torziós szögek egyensúlyi értékétől való eltérésnek megfelelő energiatagok, valamint a van der Waals és az elektrosztatikus kölcsönhatások nem kötött atompárjainak összegeként jelenti.

A kötéshosszak, kötésszögek, részleges töltések, erőállandók és van der Waals-paraméterek egyensúlyi értékeiből álló paraméterkészletet erőtérnek nevezzük . A molekuláris mechanika különböző megvalósításai kissé eltérő matematikai kifejezéseket használnak, és ezért eltérő konstansokat használnak a potenciálfüggvényben. A jelenleg használatos közös erőtereket precíz kvantumszámításokkal és/vagy kísérleti adatokhoz való illesztéssel fejlesztették ki.

Megfelelő minimalizálási módszereket (például a legmeredekebb süllyedés módszerét és a konjugált gradiens módszerét ) használják a potenciális energia lokális minimumának megkeresésére, a molekuladinamikai módszereket pedig a rendszerek időbeli fejlődésének tanulmányozására . Az alacsonyabb energiájú állapotok a kémiai és biológiai folyamatokban betöltött szerepük miatt stabilabbak és fontosabbak. A molekuladinamikai számítások ezzel szemben egy rendszer időbeli viselkedését jelzik előre. Mind a minimalizálásra, mind a molekuláris dinamikára elsősorban Newton második törvényét alkalmazzák  - (vagy, ami ekvivalens, ). Ennek a mozgástörvénynek a különféle algoritmusok segítségével történő integrálása az atomok térbeli és időbeli pályáinak meghatározásához vezet. Az atomra ható erő a potenciális energiafüggvény negatív deriváltja .

A molekulák modellezhetők vákuumban és oldószer , például víz jelenlétében is. A vákuumban végzett rendszerek számításait "gázfázisú" számításoknak, míg az oldószermolekulákkal végzett számításokat "explicit oldószer" számításoknak nevezik. A számítások egy másik csoportja a potenciálfüggvényben további kifejezések segítségével veszi figyelembe a becsült oldószer jelenlétét - az úgynevezett "implicit oldószer" számításokat.

Jelenleg a molekuláris modellezési módszereket széles körben alkalmazzák szervetlen, biológiai és polimer rendszerek szerkezetének, dinamikájának és termodinamikájának tanulmányozására. Az MM módszerekkel vizsgált biológiai jelenségek közé tartozik a fehérje feltekeredése , az enzimatikus katalízis , a fehérje stabilitása, a konformációs átalakulások és a molekuláris felismerési folyamatok fehérjékben, DNS -ben és membránokban .

Népszerű programok a molekuláris modellezéshez

• ADF
• Agilis molekula
• Avogadro
• BALLView
• Biskit
• Cerius2
• Chimera
• Coot biológiai molekulák röntgenkrisztallográfiájához
• VILÁGEGYETEM
• GAUSSI
• Gémikus
• GROMACS
• Betekintés II
• LÁMPÁK
• MarvinSpace
• MMTK
• MOE
• SMemory Animation Software 3-D Molecular Construction
• Molekuláris dokkoló szerver
• Molsoft ICM
• MOPAC
• NAMD
• NOCH
• Oscar X
• PyMOL
• Q Chem
• Qutemol
• Sirius
• SPÁRTAI
• STR3DI32
• Sybyl
• MCCS Towhee
• TURBOMOLE
• ReaxFF
• VMD
• MI lenne , ha archiválva : 2018. április 2. a Wayback Machine -nél
• Katalizátor
• xeo
• Állatöv

Lásd még

• Molekuláris modellek
• Kemoinformatika
• számítógépes kémia

Irodalom

• D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications , 1996, ISBN 0-12-267370-0
• AR Leach, Molekuláris modellezés: Alapelvek és alkalmazások , 2001, ISBN 0-582-38210-6
• KIRachandran, G Deepa és Krishnan Namboori. PK számítógépes kémia és molekuláris modellezési alapelvek és alkalmazások, 2008 [1] ISBN 978-3-540-77302-3 Springer-Verlag GmbH
• RJ Sadus, Molecular Simulation of Fluids: Theory, Algorithms and Object-Orientation , 2002, ISBN 0-444-51082-6
• T. Schlick, Molecular Modeling and Simulation , 2002, ISBN 0-387-95404-X
• A. V. Pogrebnyak. Biológiailag aktív anyagok molekuláris modellezése és tervezése. - Rostov-on-Don: SKNTS VSh kiadó, 2003. - ISBN 5-87872-258-5 .
• Rapaport D.K. A molekuláris dinamika művészete. - Izsevszk: IKI, 2012. - 632 p. - ISBN 978-5-4344-0083-1 .
• H.-D. Heltier, W. Zippl, D. Ronjan, G. Volkers, Molekuláris modellezés elmélete és gyakorlata , 2010, ISBN 978-5-9963-0156-0

Linkek

• Molekuláris Modellezési Központ az Országos Egészségügyi Intézetben (NIH) (USA Kormányhivatal)
• Az eCheminfo hálózat és az informatikai és modellezési gyakorlati közösség
• Amilolitikus enzimek szerkezetének számítógépes modellezése
• Molekuláris Modellezési és Spektroszkópiai Laboratórium GEOKHI RAS

Jegyzetek

1. ↑ molekuláris modellezés // IUPAG Gold Book . Letöltve: 2011. szeptember 20. Az eredetiből archiválva : 2011. május 3.. (határozatlan)
2. ↑ számítógéppel segített molekuláris modellezés (CAMM) // IUPAC Gold Book . Letöltve: 2011. szeptember 20. Az eredetiből archiválva : 2012. március 8.. (határozatlan)