Кіріспе
Физикалық симуляция арқылы химиялық қасиеттерді анықтау. Молекулалық модельдеу – молекулалардың мінез-құлқын модельдеу немесе имитациялау үшін қолданылатын барлық теориялық және есептеу әдістерін қамтиды. Бұл әдістер есептеу химиясы, дәрі-дәрмектерді жобалау, есептеу биологиясы және материалдар ғылымы салаларында кішкентай химиялық жүйелерден бастап үлкен биологиялық молекулалар мен материалдық жиынтықтарға дейінгі молекулалық жүйелерді зерттеу үшін пайдаланылады. Ең қарапайым есептеулерді қолмен орындауға болады, бірақ қандай да бір өлшемдегі жүйенің молекулалық модельдеуін жүргізу үшін компьютер қажет. Молекулалық модельдеу әдістерінің ортақ белгісі – молекулалық жүйелердің атомдық деңгейдегі сипаттамасы. Бұл атомдарды ең кіші жеке бірлік ретінде қарастыруды (молекулалық механика әдісі) немесе протондар мен нейтрондарды кварктарымен, антикварктарымен және глюондармен, ал электрондарды фотондарымен нақты модельдеуді (кванттық химия әдісі) қамтуы мүмкін.
Molecular modelling encompasses all methods, theoretical and computational, used to model or mimic the behaviour of molecules. The methods are used in the fields of computational chemistry, drug design, computational biology and materials science to study molecular systems ranging from small chemical systems to large biological molecules and material assemblies. The simplest calculations can be performed by hand, but inevitably computers are required to perform molecular modelling of any reasonably sized system. The common feature of molecular modelling methods is the atomistic level description of the molecular systems. This may include treating atoms as the smallest individual unit (a molecular mechanics approach), or explicitly modelling protons and neutrons with its quarks, anti quarks and gluons and electrons with its photons (a quantum chemistry approach).
Молекулалық механика
Молекулалық механика – молекулалық модельдеудің бір аспектісі болып табылады, себебі ол классикалық механиканы (Ньютон механикасы) модельдердің физикалық негізін сипаттау үшін қолдануды қамтиды. Молекулалық модельдер әдетте атомдарды (ядро мен электрондарды бірге алып қарастыратын) байланысты массасы бар нүктелік зарядтар ретінде бейнелейді. Көршілес атомдар арасындағы өзара әрекеттесулер серіппе тәрізді өзара әрекеттесулер (химиялық байланыстарды көрсетеді) және Ван-дер-Ваальс күштері арқылы сипатталады. Соңғысын сипаттау үшін Леннард-Джонс потенциалы жиі пайдаланылады. Электростатикалық өзара әрекеттесулер Кулон заңы негізінде есептеледі. Атомдарға Картезиан координаталар жүйесінде немесе ішкі координаталарда координаталар беріледі, ал динамикалық модельдеулерде оларға жылдамдықтар да тағайындалуы мүмкін. Атомдық жылдамдықтар жүйенің температурасына байланысты, бұл макроскопиялық шама. Бұл математикалық өрнектің жиынтығы потенциалдық функция деп аталады және ол жүйенің ішкі энергиясымен (U) байланысты, ол потенциалдық және кинетикалық энергиялардың қосындысына тең термодинамикалық шама. Потенциалдық энергияны ең аз мәнге дейін азайтатын әдістер энергияны азайту әдістері деп аталады (мысалы, тік төмен түсу және конъюгатты градиент), ал жүйенің уақыт бойынша өзгеруін модельдейтін әдістер молекулалық динамика деп аталады. Бұл функция, потенциалдық функция деп аталады, молекулалық потенциалдық энергияны байланыс ұзындықтарының, байланыс бұрыштарының және бұрылу бұрыштарының тепе-теңдік мәндерінен ауытқуын сипаттайтын энергия мүшелерінің қосындысы ретінде есептейді, сондай-ақ ван дер Ваальс және электростатикалық өзара әрекеттесулерді сипаттайтын байланыспаған атомдар жұптары үшін мүшелерді қосады. Тепе-теңдік байланыс ұзындықтары, байланыс бұрыштары, ішінара заряд мәндері, күш константалары және Ван-дер-Ваальс параметрлерінің жиынтығы күш өрісі деп аталады. Молекулалық механиканың әртүрлі нұсқалары әртүрлі математикалық өрнектер мен потенциалдық функция үшін әртүрлі параметрлерді қолданады. Қазіргі кезде қолданылатын көптеген күш өрістері химиялық теория, тәжірибелік деректер және жоғары деңгейдегі кванттық есептеулерді пайдаланып жасалған. Энергияны азайту деп аталатын әдіс барлық атомдар үшін градиенті нөлге тең болатын жағдайды табу үшін қолданылады, яғни, жергілікті энергияның ең төменгі нүктесін анықтау үшін қолданылады. Төменгі энергиялық күйлер тұрақтырақ болады және химиялық және биологиялық процестердегі рөліне байланысты көбінесе зерттеледі. Молекулалық динамика модельдеуі керісінше, жүйенің уақытқа қатысты мінез-құлқын есептейді. Ол Ньютонның қозғалыс заңдарын, ең бастысы екінші заңды шешуді қамтиды. Ньютонның қозғалыс заңдарын интегралдау, әртүрлі интеграциялық алгоритмдерді қолдану кеңістікте және уақытта атомдық траекторияларға әкеледі. Атомға түсетін күш потенциалдық энергия функциясының теріс градиенті ретінде анықталады. Энергияны азайту әдісі ұқсас жүйелердің күйлерін салыстыру үшін статикалық сурет алуға пайдалы, ал молекулалық динамика температура әсерлерін ескере отырып, динамикалық процестер туралы ақпарат береді.
Өзгергіштер
Молекулаларды вакуумда немесе су сияқты еріткіштің қатысуымен модельдеуге болады. Вакуумдағы жүйелердің симуляциялары газ фазалық симуляциялар деп аталады, ал еріткіш молекулаларын қамтитын симуляциялар нақты еріткішпен симуляциялар деп аталады. Тағы бір түрінде еріткіштің әсері эмпирикалық математикалық формула арқылы есептеледі; мұндай симуляциялар имплициттік сольватация симуляциялары деп аталады.
Координаттық бейнелеулер
Көбінесе күш өрістері қашықтыққа тәуелді, сондықтан Картезиандық координаттарды қолдану ең ыңғайлы. Дегенмен, нақты атомдар арасындағы байланыстардың салыстырмалы қатаңдығы, және мәні бойынша "молекула" аталымын анықтайтын нәрсе – ішкі координаттар жүйесін ең логикалық түрде бейнелеуге мүмкіндік береді. Кейбір салаларда ішкі координаттарды бейнелеу (байланыс ұзындығы, байланыстар арасындағы бұрыш және байланыстың бұрылу бұрышы, суретте көрсетілгендей) Z-матрицасы немесе бұрылу бұрышының бейнелеуі деп аталады. Алайда, Картезиандық кеңістіктегі үздіксіз қозғалыстар көбінесе ішкі координаттардағы үзіліс бұрыштық тармақтарды тудырады, бұл күш өрістерімен ішкі координаттар бейнелеуінде жұмыс істеуді қиындатады. Керісінше, атомның Картезиандық кеңістіктегі қарапайым орын ауыстыруы, байланыстардың өзара байланыстылығының шектеулеріне байланысты, тікелей траектория болмауы мүмкін. Сондықтан, есептеуді оптимизациялайтын бағдарламалар итерациялар кезінде бейнелеулер арасында жиі алмасады. Бұл потенциал есептеу уақытын басым етуі мүмкін, ал ұзын тізбекті молекулаларда сандық қателіктердің жиналуына әкелуі мүмкін. Барлық түрлендіру алгоритмдері математикалық тұрғыдан бірдей нәтижелерді береді, бірақ олардың жылдамдығы мен сандық дәлдігі әртүрлі.
Қолданбалар
Молекулалық модельдеу әдістері, органикалық емес, биологиялық және полимерлік жүйелердің құрылымын, динамикасын, беттік қасиеттерін және термодинамикасын зерттеу үшін қалыпты түрде қолданылады. Күш өрісінің көптеген молекулалық модельдері қазіргі таңда дерекқорларда оңай қолжетімді. Молекулалық модельдеуді пайдаланып зерттелген биологиялық белсенділік түрлері: белоктардың бүктелуі, ферменттік катализ, белоктардың тұрақтылығы, биомолекулалық функциямен байланысты конформациялық өзгерістер, сондай-ақ белоктардың, ДНК-ның және мембраналық кешендердің молекулалық тануы.