Молекулярная механика - Molecular mechanics

А силовое поле используется для минимизации энергии растяжения связи этой молекулы этана.

Молекулярная механика использует классическая механика моделировать молекулярный системы. В Борн-Оппенгеймер приближение считается допустимым, и потенциальная энергия всех систем рассчитывается как функция ядерных координат с использованием силовые поля. Молекулярная механика может быть использована для изучения молекулярных систем различного размера и сложности, от малых до больших биологических систем или материальных сборок от многих тысяч до миллионов атомов.

Методы полностью атомистической молекулярной механики обладают следующими свойствами:

Каждый атом моделируется как одна частица
Каждой частице назначается радиус (обычно радиус Ван-дер-Ваальса ), поляризуемость и постоянный чистый заряд (обычно получаемый из квантовых расчетов и / или экспериментов)
Связанные взаимодействия рассматриваются как пружины с равновесным расстоянием, равным экспериментальной или расчетной длине связи

Возможны варианты на эту тему. Например, во многих симуляциях исторически использовался объединенный атом представление, в котором каждый терминал метильная группа или средний метиленовая установка считалась одной частицей, и большие белковые системы обычно моделируются с использованием шарик модель, которая назначает от двух до четырех частиц на аминокислота.

Функциональная форма

Функция потенциальной энергии молекулярной механики с непрерывным растворителем.

Следующая функциональная абстракция, называемая межатомный потенциал функция или силовое поле в химии вычисляет потенциальную энергию (E) молекулярной системы в данной конформации как сумму отдельных энергетических членов.

${ Displaystyle E = E _ { text {ковалентный}} + E _ { text {нековалентный}} ,}$

где компоненты ковалентного и нековалентного вкладов даются следующими суммированиями:

${ displaystyle E _ { text {covalent}} = E _ { text {bond}} + E _ { text {angle}} + E _ { text {двугранный}}}$

${ displaystyle E _ { text {noncovalent}} = E _ { text {electrostatic}} + E _ { text {van der Waals}}}$

В точная функциональная форма потенциальной функции, или силовое поле, зависит от конкретной используемой программы моделирования. Обычно условия связи и угла моделируются как гармонические потенциалы сосредоточены вокруг значений равновесной длины связи, полученных из экспериментов или теоретических расчетов электронной структуры, выполненных с помощью программного обеспечения, которое ab-initio расчеты типа, такие как Гауссовский. Для точного воспроизведения колебательных спектров Потенциал Морзе может использоваться вместо этого за счет вычислительных затрат. Двугранные или крутильные члены обычно имеют несколько минимумов и поэтому не могут быть смоделированы как гармонические осцилляторы, хотя их конкретная функциональная форма зависит от реализации. Этот класс терминов может включать неподходящий диэдральные члены, которые функционируют как поправочные коэффициенты для отклонений от плоскости (например, они могут использоваться для сохранения бензол плоские кольца или правильная геометрия и хиральность тетраэдрических атомов в представлении объединенного атома).

Несвязанные члены намного более затратны в вычислительном отношении для полного расчета, так как типичный атом связан только с несколькими своими соседями, но взаимодействует с каждым другим атомом в молекуле. К счастью, ван дер Ваальс срок быстро спадает. Обычно это моделируется с использованием 6–12 Потенциал Леннарда-Джонса, что означает, что силы притяжения убывают с расстоянием как р⁻⁶ и силы отталкивания как р⁻¹², где r представляет собой расстояние между двумя атомами. Отталкивающая часть р⁻¹² однако нефизичен, потому что отталкивание возрастает экспоненциально. Описание сил Ван-дер-Ваальса потенциалом Леннарда-Джонса 6–12 вносит неточности, которые становятся существенными на малых расстояниях.^[1] Обычно радиус отсечки используется для ускорения вычислений, так что пары атомов, расстояния которых больше отсечки, имеют энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия, равную нулю.

Общеизвестно, что электростатические члены сложно хорошо вычислить, потому что они не уменьшаются быстро с расстоянием, а электростатические взаимодействия на больших расстояниях часто являются важными характеристиками изучаемой системы (особенно для белки ). Основной функциональной формой является Кулоновский потенциал, который отпадает только при р⁻¹. Для решения этой проблемы используются различные методы, самый простой из которых - это радиус обрезания, аналогичный тому, который используется для терминов Ван-дер-Ваальса. Однако это приводит к резкому разрыву между атомами внутри и атомами за пределами радиуса. Функции переключения или масштабирования, которые модулируют кажущуюся электростатическую энергию, являются несколько более точными методами, которые умножают вычисленную энергию на плавно изменяющийся масштабный коэффициент от 0 до 1 на внешнем и внутреннем радиусах отсечки. Другие более сложные, но требовательные к вычислениям методы: сетка частиц Ewald (PME) и мультипольный алгоритм.

В дополнение к функциональной форме каждого члена энергии, полезной функции энергии должны быть присвоены параметры для силовых постоянных, множителей Ван-дер-Ваальса и других постоянных членов. Эти термины вместе с значениями равновесной связи, угла и двугранности, значениями парциального заряда, атомными массами и радиусами, а также определениями энергетической функции в совокупности называются силовое поле. Параметризация обычно осуществляется путем согласования с экспериментальными значениями и результатами теоретических расчетов. Норман Л. Аллинджер Силовое поле в последней версии MM4 рассчитано для теплоты пласта углеводородов со среднеквадратичной ошибкой 0,35 ккал / моль, колебательные спектры со среднеквадратичной ошибкой 24 см⁻¹, вращательные барьеры со среднеквадратичной погрешностью 2,2°, Длины связи C-C в пределах 0,004 Å и углы C-C-C в пределах 1°.^[2] Более поздние версии MM4 охватывают также соединения с гетероатомами, такие как алифатические амины.^[3]

Каждое силовое поле параметризовано так, чтобы быть внутренне согласованным, но параметры, как правило, не переносятся из одного силового поля в другое.

Области применения

Основное применение молекулярной механики находится в области молекулярная динамика. Это использует силовое поле для расчета сил, действующих на каждую частицу, и подходящий интегратор для моделирования динамики частиц и прогнозирования траекторий. При наличии достаточного количества выборок и с учетом эргодическая гипотеза, траектории молекулярной динамики могут использоваться для оценки термодинамических параметров системы или зонда кинетических свойств, таких как скорости и механизмы реакций.

Еще одно применение молекулярной механики - это минимизация энергии, при которой силовое поле используется как оптимизация критерий. В этом методе используется соответствующий алгоритм (например, крутой спуск ), чтобы найти молекулярную структуру локального минимума энергии. Эти минимумы соответствуют стабильным конформерам молекулы (в выбранном силовом поле), и движение молекул можно моделировать как колебания вокруг и взаимопревращения между этими стабильными конформерами. Таким образом, обычно находят локальные методы минимизации энергии в сочетании с глобальной оптимизацией энергии, чтобы найти глобальный минимум энергии (и другие состояния с низкой энергией). При конечной температуре молекула проводит большую часть своего времени в этих низколежащих состояниях, которые, таким образом, определяют молекулярные свойства. Глобальная оптимизация может быть выполнена с помощью имитация отжига, то Алгоритм мегаполиса и другие Методы Монте-Карло, или используя различные детерминированные методы дискретной или непрерывной оптимизации. В то время как силовое поле представляет собой только энтальпийный компонент свободная энергия (и только эта составляющая включается при минимизации энергии), возможно включение энтропийный компонент за счет использования дополнительных методов, таких как нормальный режим анализ.

Функции потенциальной энергии молекулярной механики были использованы для расчета констант связывания,^[4]^[5]^[6]^[7]^[8] кинетика сворачивания белков,^[9] протонирующие равновесия,^[10] координаты активного сайта,^[6]^[11] и чтобы проектировать сайты привязки.^[12]

Окружающая среда и сольватация

В молекулярной механике существует несколько способов определения среды, окружающей молекулу или молекулы, представляющие интерес. Система может быть смоделирована в вакууме (это называется моделированием в газовой фазе) без окружающей среды, но это обычно нежелательно, потому что это вносит артефакты в молекулярную геометрию, особенно в заряженные молекулы. Поверхностные заряды, которые обычно взаимодействуют с молекулами растворителя, вместо этого взаимодействуют друг с другом, создавая молекулярные конформации, которые вряд ли будут присутствовать в любой другой среде. В Лучший Способ сольватации системы состоит в том, чтобы поместить явные молекулы воды в блок моделирования с интересующими молекулами и рассматривать молекулы воды как взаимодействующие частицы, подобные тем, что находятся в молекуле. Разнообразие водные модели существуют с возрастающими уровнями сложности, представляя воду как простую твердую сферу (модель объединенного атома), как три отдельные частицы с фиксированными углами связи или даже как четыре или пять отдельных центров взаимодействия, чтобы учесть неспаренные электроны на атоме кислорода. По мере того, как водные модели становятся более сложными, связанные с ними симуляции становятся все более интенсивными в вычислительном отношении. Компромиссный метод был найден в неявная сольватация, который заменяет явно представленные молекулы воды математическим выражением, которое воспроизводит среднее поведение молекул воды (или других растворителей, таких как липиды). Этот метод полезен для предотвращения артефактов, возникающих при моделировании вакуума, и хорошо воспроизводит свойства объемного растворителя, но не может воспроизвести ситуации, в которых отдельные молекулы воды имеют интересные взаимодействия с исследуемыми молекулами.

Программные пакеты

Это ограниченный список; доступно гораздо больше пакетов.

Смотрите также

внешняя ссылка

[1] Згарбова М. и др. (2010). «Масштабная компенсация ошибок в попарно-аддитивных эмпирических силовых полях: сравнение межмолекулярных членов AMBER со строгими расчетами DFT-SAPT». Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (35): 10476–10493. Bibcode:2010PCCP ... 1210476Z. Дои:10.1039 / C002656E. PMID 20603660.

[2] Allinger, N.L .; Chen, K .; Lii, J.-H. J. Comput. Chem. 1996, 17, 642https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/%28SICI%291096-987X%28199604%2917%3A5/6%3C642%3A%3AAID-JCC6%3E3.0.CO%3B2-U

[3] Куо ‐ Сян Чен, Дженн ‐ Хуэй Лии, Йи Фань, Норман Л. Аллинджер J. Comput. Chem. 2007, 28, 2391 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jcc.20737

[Kuhn-4] Кун Б., Коллман П.А. (октябрь 2000 г.). «Связывание разнообразного набора лигандов с авидином и стрептавидином: точное количественное предсказание их относительного сродства с помощью комбинации молекулярной механики и моделей континуального растворителя». Журнал медицинской химии. 43 (20): 3786–91. Дои:10.1021 / jm000241h. PMID 11020294.

[huo-5] Хо С., Массова И., Коллман П.А. (январь 2002 г.). «Компьютерное сканирование аланина комплекса рецепторов гормона роста человека 1: 1». J Comput Chem. 23 (1): 15–27. Дои:10.1002 / jcc.1153. PMID 11913381.

[Mobley-6] а ^б Mobley DL, Graves AP, Chodera JD, McReynolds AC, Shoichet BK, Dill KA (август 2007 г.). «Предсказание абсолютной свободной энергии связывания лиганда с простым модельным сайтом». Дж Мол Биол. 371 (4): 1118–34. Дои:10.1016 / j.jmb.2007.06.002. ЧВК 2104542. PMID 17599350.

[Wang-7] Ван Дж, Кан Х, Кунц И.Д., Коллман, Пенсильвания (апрель 2005 г.). «Иерархический скрининг базы данных на обратную транскриптазу ВИЧ-1 с использованием фармакофорной модели, жесткой стыковки, сольватационной стыковки и MM-PB / SA». Журнал медицинской химии. 48 (7): 2432–44. Дои:10.1021 / jm049606e. PMID 15801834.

[Kollman-8] Коллман П.А., Массова И., Рейес С. и др. (Декабрь 2000 г.). «Расчет структур и свободных энергий сложных молекул: сочетание молекулярной механики и моделей континуума». Acc Chem Res. 33 (12): 889–97. CiteSeerX 10.1.1.469.844. Дои:10.1021 / ar000033j. PMID 11123888.

[Snow-9] Snow CD, Nguyen H, Pande VS, Gruebele M (ноябрь 2002 г.). «Абсолютное сравнение смоделированной и экспериментальной динамики сворачивания белков». Природа. 420 (6911): 102–6. Bibcode:2002Натура.420..102С. Дои:10.1038 / природа01160. PMID 12422224.

[Barth-10] Барт П., Альбер Т., Харбери ПБ (март 2007 г.). «Точные, зависящие от конформации прогнозы влияния растворителя на константы ионизации белка». Proc Natl Acad Sci USA. 104 (12): 4898–903. Bibcode:2007ПНАС..104.4898Б. Дои:10.1073 / pnas.0700188104. ЧВК 1829236. PMID 17360348.

[Chakrabarti-11] Чакрабарти Р., Клибанов А.М., Фриснер Р.А. (июль 2005 г.). «Вычислительное предсказание последовательностей связывания лиганда природного белка и активного сайта фермента». Proc Natl Acad Sci USA. 102 (29): 10153–8. Bibcode:2005PNAS..10210153C. Дои:10.1073 / pnas.0504023102. ЧВК 1177389. PMID 15998733.

[Boas-12] Boas FE, Harbury PB (июль 2008 г.). «Дизайн связывания белок-лиганд на основе молекулярно-механической энергетической модели». Дж Мол Биол. 380 (2): 415–24. Дои:10.1016 / j.jmb.2008.04.001. ЧВК 2569001. PMID 18514737.

[13] ACEMD - GPU MD

[14] Аскалаф

[15] КОСМОС

[16] StruMM3D (STR3DI32)

[17] Зодиак В архиве 2009-12-16 в Wayback Machine

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]