Молекулалық жүйелерді классикалық механика арқылы модельдеу

Кіріспе

Молекулалық жүйелерді модельдеу үшін классикалық механиканы қолдану

Молекулалық механика молекулалық жүйелерді модельдеу үшін классикалық механиканы қолданады. Борн-Оппенгеймер жуықтауы қолданылады деп есептеледі және барлық жүйелердің потенциалдық энергиясы күш өрістерін пайдалана отырып, ядролық координаттар функциясы ретінде есептеледі. Молекулалық механиканы кішкентайдан үлкен биологиялық жүйелерге дейін немесе көптеген мыңдаған, миллиондаған атомдары бар материалдық жиынтықтарды зерттеу үшін қолдануға болады. Барлық атомдық молекулалық механика әдістерінің келесідей қасиеттері бар:
* Әр атом бір бөлшек ретінде модельделеді.
* Әр бөлшекке радиус (әдетте Ван дер Ваальс радиусы), поляризациялану қабілеті және тұрақты таза заряд (әдетте кванттық есептеулер және/немесе эксперименттерден алынған) тағайындалады.
* Байланысқан өзара әрекеттесулер эксперименттік немесе есептелген байланыс ұзындығына тең тепе-теңдік қашықтығы бар серіппелер ретінде қарастырылады.

Осы тақырыптағы нұсқалар да мүмкін. Мысалы, көптеген модельдеулерде тарихи тұрғыдан әрбір метил тобы немесе метилен бірлігі бір бөлшек ретінде қарастырылатын біріктірілген атомдық бейнелеу қолданылған, ал ірі ақуыз жүйелері әдетте әр аминқышқылына екіден төрт бөлшек тағайындалатын «бұынтұлғалы» модельді пайдалана отырып модельделеді.

Қолданылу салалары

Молекулалық механиканың негізгі қолданылуы молекулалық динамика саласында. Бұл әр бөлшекке әсер ететін күштерді есептеу үшін күш өрісін және бөлшектердің динамикасын модельдеу және траекторияларды болжау үшін қолайлы интеграторды пайдаланады. Жеткілікті үлгі алу және эргодикалық гипотеза сақталған жағдайда, молекулалық динамика траекторияларын жүйенің термодинамикалық параметрлерін бағалауға немесе реакция жылдамдығы және механизмдері сияқты кинетикалық қасиеттерін зерттеуге болады. Молекулалық механика сондай-ақ QM/MM әдісінде қолданылады, бұл ақуыздар мен ферменттер кинетикасын зерттеуге мүмкіндік береді. Жүйе екі аймаққа бөлінеді: біреуі кванттық механика (QM) арқылы өңделеді, бұл байланыстардың үзілуіне және қалыптасуына мүмкіндік береді, ал белоктың қалған бөлігі молекулалық механика (MM) арқылы модельделеді. MM ғана ферменттердің механизмдерін зерттеуге мүмкіндік бермейді, бұл QM-мен мүмкін. QM сонымен қатар жүйенің энергиясын дәлірек есептеуді қамтамасыз етеді, бірақ ол есептеу жағынан әлдеқайда шығынды. Молекулалық механиканың тағы бір қолданылуы – энергияны азайту, онда күш өрісі оңтайландыру критерийі ретінде қолданылады. Бұл әдіс жергілікті энергия минимумының молекулалық құрылымын табу үшін тиісті алгоритмді (мысалы, ең тік түсу) пайдаланады. Бұл минимумдар молекуланың тұрақты конформацияларына сәйкес келеді (таңдалған күш өрісінде) және молекулалық қозғалысты осы тұрақты конформациялардың маңайындағы тербелістер мен олардың арасындағы өзара айналулар ретінде модельдеуге болады. Сондықтан, жаһандық энергияны оңтайландырумен біріктірілген жергілікті энергияны азайту әдістерін қолдану арқылы жаһандық энергияның ең төменгі деңгейін (және басқа да төмен энергиялы күйлерді) табу жиі кездеседі. Белгілі бір температурада молекула көп бөлігін осы төменгі күйлерде өткізеді, осылайша молекулалық қасиеттерге үстемдік етеді. Жаһандық оңтайландыру симуляциялық оттепелеу, Метрополис алгоритмі және басқа Монте-Карло әдістері арқылы немесе дискретті немесе үздіксіз оңтайландырудың әртүрлі детерминистік әдістерін қолдану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Күш өрісі еркін энергияның тек энтальпиялық компонентін ғана көрсетеді (және энергияны азайту кезінде тек осы компонент ғана ескеріледі), бірақ энтропиялық компонентті қосымша әдістерді, мысалы, нормальді режимдерді талдауды пайдалану арқылы қосуға болады. Молекулалық механиканың потенциалдық энергия функциялары байланысу тұрақтыларын, белоктардың бүктелу кинетикасын, протондық тепе-теңдіктерді, белсенді орталықтың координаталарын есептеу және байланысу орталықтарын жобалау үшін қолданылған.

The main use of molecular mechanics is in the field of molecular dynamics. This uses the force field to calculate the forces acting on each particle and a suitable integrator to model the dynamics of the particles and predict trajectories. Given enough sampling and subject to the ergodic hypothesis, molecular dynamics trajectories can be used to estimate thermodynamic parameters of a system or probe kinetic properties, such as reaction rates and mechanisms. Molecular mechanics is also used within QM/MM, which allows study of proteins and enzyme kinetics. The system is divided into two regions—one of which is treated with quantum mechanics (QM) allowing breaking and formation of bonds and the rest of the protein is modeled using molecular mechanics (MM). MM alone does not allow the study of mechanisms of enzymes, which QM allows. QM also produces more exact energy calculation of the system although it is much more computationally expensive. Another application of molecular mechanics is energy minimization, whereby the force field is used as an optimization criterion. This method uses an appropriate algorithm (e. g. steepest descent) to find the molecular structure of a local energy minimum. These minima correspond to stable conformers of the molecule (in the chosen force field) and molecular motion can be modelled as vibrations around and interconversions between these stable conformers. It is thus common to find local energy minimization methods combined with global energy optimization, to find the global energy minimum (and other low energy states). At finite temperature, the molecule spends most of its time in these low lying states, which thus dominate the molecular properties. Global optimization can be accomplished using simulated annealing, the Metropolis algorithm and other Monte Carlo methods, or using different deterministic methods of discrete or continuous optimization. While the force field represents only the enthalpic component of free energy (and only this component is included during energy minimization), it is possible to include the entropic component through the use of additional methods, such as normal mode analysis. Molecular mechanics potential energy functions have been used to calculate binding constants, protein folding kinetics, protonation equilibria, active site coordinates, and to design binding sites.

Қоршаған орта және сольвация

Молекулалық механикада молекуланың немесе молекулалардың қоршаған ортасын анықтаудың бірнеше тәсілі бар. Жүйені вакуумда (газ фазасының симуляциясы деп аталады) қоршаған ортасыз модельдеуге болады, бірақ бұл көбінесе қанағаттандырмайды, себебі ол молекулалық геометрияға, әсіресе зарядталған молекулаларға артефакттар енгізеді. Әдетте еріткіш молекулаларымен өзара әрекеттесетін беттік зарядтар бір-бірімен өзара әрекеттесіп, басқа ортада кездеспейтін молекулалық конформацияларды тудырады. Жүйені сольватациялаудың ең дәл тәсілі – қызығушылық тудыратын молекулалармен бірге симуляциялық қорапқа су молекулаларын орналастыру және су молекулаларын басқа молекулалардағыдай өзара әрекеттесетін бөлшектер ретінде қарастыру. Судың әртүрлі модельдері бар, олар күрделілігі артып, суды қарапайым қатты шар (бірлескен атом моделі) ретінде, бекітілген байланыс бұрышы бар үш жеке бөлшек ретінде немесе тіпті төрт немесе бес жеке өзара әрекеттесу орталығы ретінде, оттегі атомындағы жұптаспаған электрондарды ескере отырып ұсынады. Су модельдері күрделенген сайын, оған байланысты модельдеулер есептеу жағынан күштірек болады. Имплицитті сольватация компромистік тәсіл ұсынады, ол су молекулаларын су молекулаларының (немесе липидтер сияқты басқа еріткіштердің) орташа мінез-құлқын қайталайтын математикалық өрнекпен алмастырады. Бұл тәсіл вакуумдық модельдеулерден туындайтын артефакттарды болдырмауға және еріткіштің көлемдік қасиеттерін жақсы қайта жаратуға көмектеседі, бірақ еріткіш моделімен толыққандай түсірілмейтін, еріген затпен жеке су молекулаларының нақты өзара әрекеттесуін жасайтын жағдайларды, мысалы, ақуыз ішіндегі сутекті байланыс желісінің бөлігі болып табылатын су молекулаларын қайта жаратуға қабілетсіз.

Бағдарламалық жасақтамалар

Бұл тізім шектеулі, тағы көптеген пакеттер қолжетімді.