Введение

Использование классической механики для моделирования молекулярных систем

Молекулярная механика использует классическую механику для моделирования молекулярных систем. Предполагается применимость приближения Борна — Оппенгеймера, и потенциальная энергия всех систем рассчитывается как функция ядерных координат с использованием силовых полей. Молекулярная механика может быть использована для изучения молекулярных систем, различающихся по размеру и сложности, от небольших до крупных биологических систем или ансамблей материалов, содержащих от тысяч до миллионов атомов. Все методы атомистической молекулярной механики обладают следующими свойствами:
Каждый атом моделируется как одна частица.
Каждой частице присваивается радиус (обычно радиус Ван-дер-Ваальса), поляризуемость и постоянный суммарный заряд (как правило, полученный из квантовых расчетов и/или экспериментов).
Взаимодействия между атомами, связанными химическими связями, рассматриваются как пружины с расстоянием равновесия, равным экспериментальной или рассчитанной длине связи.

Возможны различные модификации этого подхода. Например, во многих симуляциях исторически использовалось объединенное представление атомов, в котором каждая концевая метильная группа или промежуточная метиленовая единица рассматривалась как одна частица, а крупные белковые системы часто моделируются с использованием бусиновой модели, которая назначает от двух до четырех частиц на аминокислоту.

Области применения

Основное применение молекулярной механики лежит в области молекулярной динамики. Она использует силовое поле для вычисления сил, действующих на каждую частицу, и подходящий интегратор для моделирования динамики частиц и предсказания траекторий. При достаточном объеме выборки и соблюдении эргодической гипотезы, траектории молекулярной динамики могут быть использованы для оценки термодинамических параметров системы или изучения кинетических свойств, таких как скорости реакций и механизмы. Молекулярная механика также применяется в методе QM/MM, позволяющем изучать белки и кинетику ферментов. Система разделяется на две области: одна из которых описывается квантовой механикой (КМ), что позволяет разрывать и образовывать химические связи, а остальная часть белка моделируется с использованием молекулярной механики (ММ). Сама по себе ММ не позволяет изучать механизмы действия ферментов, что возможно при использовании КМ. КМ также обеспечивает более точный расчет энергии системы, хотя и является значительно более ресурсоемкой. Другое применение молекулярной механики – это минимизация энергии, в которой силовое поле используется в качестве критерия оптимизации. Этот метод использует соответствующий алгоритм (например, метод наискорейшего спуска) для поиска молекулярной структуры локального энергетического минимума. Эти минимумы соответствуют стабильным конформерам молекулы (в рамках выбранного силового поля), а молекулярное движение может быть смоделировано как колебания вокруг и переходы между этими стабильными конформерами. Поэтому часто методы локальной минимизации энергии комбинируются с глобальной оптимизацией энергии для нахождения глобального энергетического минимума (и других состояний с низкой энергией). При конечной температуре молекула проводит большую часть времени в этих низколежащих состояниях, которые, таким образом, определяют молекулярные свойства. Глобальная оптимизация может быть достигнута с помощью имитации 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 учитывается при минимизации энергии), возможно включение энтропийной составляющей с помощью дополнительных методов, таких как анализ нормальных мод. Функции потенциальной энергии молекулярной механики использовались для расчета констант связывания, кинетики сворачивания белков, равновесия протонирования, координат активного центра и для разработки сайтов связывания.

Окружающая среда и сольвация

В молекулярной механике существует несколько способов определения окружения молекулы или молекул, представляющих интерес. Систему можно моделировать в вакууме (так называемое моделирование в газовой фазе) без окружающей среды, но это обычно нежелательно, поскольку вносит артефакты в молекулярную геометрию, особенно в заряженных молекулах. Поверхностные заряды, которые в обычных условиях взаимодействовали бы с молекулами растворителя, вместо этого взаимодействуют друг с другом, что приводит к молекулярным конформациям, которые вряд ли встретятся в какой-либо другой среде. Наиболее точный способ сольватировать систему – поместить в симуляционную ячейку явные молекулы воды вместе с интересующими молекулами и рассматривать молекулы воды как взаимодействующие частицы, аналогичные частицам в других молекулах. Существует множество моделей воды с возрастающей сложностью, представляющих воду как простую твердую сферу (объединенная атомная модель), как три отдельные частицы с фиксированным углом связи или даже как четыре или пять отдельных центров взаимодействия для учета неподеленных электронов на атоме кислорода. По мере усложнения моделей воды, связанные с ними вычисления становятся более ресурсоемкими. Компромиссным методом является неявная сольватация, которая 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 в вакууме, и хорошо воспроизводит свойства растворителя в объеме, но не способен воспроизвести ситуации, когда отдельные молекулы воды создают специфические взаимодействия с растворенным веществом, которые недостаточно точно описываются моделью растворителя, например, молекулы воды, входящие в сеть водородных связей в белке.

Программные пакеты

Это неполный список; доступно гораздо больше пакетов.