Molekyylimallinnus

Molekyylimallinnus (MM)  on yhteisnimitys menetelmille, joilla tutkitaan molekyylien rakennetta ja ominaisuuksia laskennallisilla menetelmillä ja tulosten visualisoinnilla, jotka tarjoavat niiden kolmiulotteisen esityksen laskennassa määritellyissä olosuhteissa [1] .

Molekyylimallinnustekniikoita käytetään tietokonekemiassa , laskennallisessa biologiassa ja materiaalitieteessä tutkimaan sekä yksittäisiä molekyylejä että vuorovaikutuksia molekyylisysteemeissä.

Molekyylimallinnuksen yksinkertaisimpien järjestelmien laskelmat voidaan suorittaa manuaalisesti, mutta koska mallinnusjärjestelmissä on paljon laskelmia, jotka ovat käytännössä kiinnostavia, erityisesti molekyylidynamiikan tutkimuksessa , käytetään tietokonemenetelmiä laskentaan ja visualisointiin, tätä tekniikkaa kutsutaan tietokoneeksi. molekyylimallinnus ( englanniksi  tietokoneavusteinen molekyylimallinnus, CAMM ) [2] .

MM-menetelmien yhteinen piirre on molekyylijärjestelmien atomistinen kuvauksen taso - pienimmät hiukkaset ovat atomeja tai pieniä atomiryhmiä. Tämä on ero MM:n ja kvanttikemian välillä , jossa myös elektronit otetaan eksplisiittisesti huomioon. Näin ollen MM:n etuna on pienempi monimutkaisuus järjestelmien kuvauksessa, mikä mahdollistaa suuremman hiukkasmäärän huomioimisen laskelmissa.

Molekyylimekaniikka

Molekyylimekaniikka  on yksi lähestymistapoja MM:ään, joka käyttää klassista mekaniikkaa kuvaamaan mallin fyysisiä perusteita. Atomit (ytimet, joissa on elektroneja) esitetään pistemassoina vastaavilla varauksilla. Vuorovaikutuksia vierekkäisten atomien välillä ovat elastiset vuorovaikutukset (vastaavat kemiallisia sidoksia ) ja van der Waalsin voimat , joita kuvataan perinteisesti Lennard-Jones-potentiaalilla . Sähköstaattiset vuorovaikutukset lasketaan Coulombin lain avulla . Avaruudessa oleville atomeille on määritetty suorakulmaiset tai sisäiset koordinaatit; dynaamisissa laskelmissa atomeille voidaan myös määrittää lämpötilaa vastaavat nopeudet. Yleinen matemaattinen lauseke tunnetaan potentiaalifunktiona (katso yhtälöt) ja se vastaa järjestelmän sisäistä energiaa (U) - termodynaamista määrää, joka on yhtä suuri kuin potentiaalin ja kineettisen energian summa . Potentiaalifunktio edustaa potentiaalienergiaa energiatermien summana, joka vastaa sidospituuksien, sidos- ja vääntökulmien poikkeamaa tasapainoarvoista sekä termejä sitoutumattomille atomipareille, jotka vastaavat van der Waalsia ja sähköstaattisia vuorovaikutuksia.

Joukkoa parametreja, jotka koostuvat sidoksen pituuksien, sidoskulmien, osittaisvarausten, voimavakioiden ja van der Waalsin parametrien tasapainoarvoista, kutsutaan voimakentällä . Molekyylimekaniikan eri toteutuksissa käytetään hieman erilaisia ​​matemaattisia lausekkeita ja siten erilaisia ​​vakioita potentiaalifunktiossa. Tällä hetkellä käytössä olevat yhteiset voimakentät on kehitetty käyttämällä tarkkoja kvanttilaskelmia ja/tai sovittamalla koetietoihin.

Asianmukaisia ​​minimointimenetelmiä (kuten jyrkimmän laskeutumisen menetelmää ja konjugaattigradienttimenetelmää ) käytetään paikallisen potentiaalienergian minimin etsimiseen , ja molekyylidynamiikan menetelmillä tutkitaan järjestelmien kehitystä ajan myötä . Matalaenergiatilat ovat vakaampia ja tärkeämpiä johtuen niiden roolista kemiallisissa ja biologisissa prosesseissa. Molekyylidynamiikan laskelmat puolestaan ​​ennustavat järjestelmän käyttäytymistä ajan kuluessa. Sekä minimointiin että molekyylidynamiikkaan käytetään pääasiassa Newtonin toista lakia  - (tai, joka on vastaava, ). Tämän liikelain integroiminen eri algoritmien avulla johtaa atomien liikeradan saamiseen tilassa ja ajassa. Atomiin vaikuttava voima määritellään potentiaalienergiafunktion negatiiviseksi derivaataksi .

Molekyylejä voidaan mallintaa sekä tyhjiössä että liuottimen , kuten veden, läsnä ollessa. Tyhjiöjärjestelmien laskelmia kutsutaan "kaasufaasilaskelmiksi", kun taas liuotinmolekyylejä koskevia laskelmia kutsutaan "eksplisiittisiksi liuotinlaskelmiksi". Toinen laskelmien ryhmä ottaa huomioon arvioidun liuottimen läsnäolon mahdollisen funktion lisätermien avulla - ns. "implisiittinen liuotin" -laskelmat.

Tällä hetkellä molekyylimallinnusmenetelmiä käytetään laajalti epäorgaanisten, biologisten ja polymeeristen järjestelmien rakenteen, dynamiikan ja termodynamiikan tutkimisessa. MM-menetelmillä tutkittavia biologisia ilmiöitä ovat proteiinien laskostuminen , entsymaattinen katalyysi , proteiinin stabiilius, konformaatiotransformaatiot ja molekyylien tunnistusprosessit proteiineissa, DNA :ssa ja kalvoissa .

Suosittuja ohjelmia molekyylimallinnukseen

• ADF
• Ketterä molekyyli
• Avogadro
• BALLView
• Biskit
• Cerius 2
• Chimera
• Coot biologisten molekyylien röntgenkristallografiaan
• KOSMOS
• GAUSSI
• Kemiallinen
• GROMACS
• Näkemys II
• LAMPUT
• MarvinSpace
• MMTK
• MOE
• SMemory Animation Software 3-D Molecular Construction
• Molecular Docking Server
• Molsoft ICM
• MOPAC
• NAMD
• NOCH
• Oscar X
• PyMOL
• Q Chem
• Qutemol
• Sirius
• SPARTAN
• STR3DI32
• Sybyl
• MCCS Towhee
• TURBOMOLE
• ReaxFF
• VMD
• MITÄ JOS Arkistoitu 2. huhtikuuta 2018 Wayback Machinessa
• Katalyytti
• xeo
• Zodiac

Katso myös

• Molekyylimallit
• Kemoinformatiikka
• tietokonekemia

Kirjallisuus

• D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications , 1996, ISBN 0-12-267370-0
• AR Leach, Molecular Modeling: Principles and Applications , 2001, ISBN 0-582-38210-6
• KIRachandran, G Deepa ja Krishnan Namboori. PK :n laskennallisen kemian ja molekyylimallinnuksen periaatteet ja sovellukset 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. Biologisesti aktiivisten aineiden molekyylimallinnus ja suunnittelu. - Rostov-on-Don: Kustantaja SKNTS VSh, 2003. - ISBN 5-87872-258-5 .
• Rapaport D.K. The Art of Molecular Dynamics. - Izhevsk: IKI, 2012. - 632 s. - ISBN 978-5-4344-0083-1 .
• H.-D. Heltier, W. Zippl, D. Ronjan, G. Volkers, Molecular Modeling Theory and Practice , 2010, ISBN 978-5-9963-0156-0

Linkit

• National Institutes of Healthin (NIH) molekyylimallinnuskeskus (USA)
• eCheminfo - verkosto ja tietotekniikan ja mallinnuksen käytäntö
• Amylolyyttisten entsyymien rakenteen tietokonemallinnus
• Molekyylimallinnuksen ja spektroskopian laboratorio GEOKHI RAS

Muistiinpanot

1. ↑ molekyylimallinnus // IUPAG Gold Book . Haettu 20. syyskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 3. toukokuuta 2011. (määrätön)
2. ↑ tietokoneavusteinen molekyylimallinnus (CAMM) // IUPAC Gold Book . Haettu 20. syyskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 8. maaliskuuta 2012. (määrätön)