Русская Википедия:Молекулярное моделирование
Молекулярное моделирование (ММ) — собирательное название методов исследования структуры и свойств молекул вычислительными методами с последующей визуализацией результатов, обеспечивающие их трехмерное представления при заданных в расчете условиях[1].
Методы молекулярного моделирования используются в компьютерной химии, вычислительной биологии и науке о материалах для изучения как индивидуальных молекул, так и взаимодействия в молекулярных системах.
Расчеты простейших систем при молекулярном моделировании могут быть выполнены вручную, но из-за большого объема вычислений при моделировании систем, представляющих практический интерес, особенно при исследовании молекулярной динамики, используются компьютерные методы расчета и визуализации, эта техника получила название компьютерного молекулярного моделирования (Шаблон:Lang-en)[2].
Общей чертой методов ММ является атомистический уровень описания молекулярных систем — наименьшими частицами являются атомы или небольшие группы атомов. В этом состоит отличие ММ от квантовой химии, где в явном виде учитываются и электроны. Таким образом, преимуществом ММ является меньшая сложность в описании систем, позволяющая рассмотрение большего числа частиц при расчётах.
Молекулярная механика
Молекулярная механика — один из подходов в ММ, использующий классическую механику для описания физических основ модели. Атомы (ядра с электронами) представляются точечными массами с соответствующими зарядами. Взаимодействия между соседними атомами включают упругие взаимодействия (соответствующие химическим связям) и силы Ван-дер-Ваальса, описываемые традиционно потенциалом Леннард-Джонса. Электростатические взаимодействия вычисляются по закону Кулона. Атомам в пространстве присваиваются Декартовы или внутренние координаты; в динамических расчётах атомам также могут быть присвоены скорости, соответствующие температуре. Обобщающее математическое выражение известно как потенциальная функция (см. уравнения) и соответствует внутренней энергии системы (U) — термодинамической величине, равной сумме потенциальной и кинетической энергии. Потенциальная функция представляет потенциальную энергию как сумму энергетических членов, соответствующих отклонению от равновесных значений в длинах связей, валентных и торсионных углах, и членов для не связанных пар атомов, соответствующих ван-дер-ваальсовым и электростатическим взаимодействиям.
<math>E = E_{bonds} + E_{angle} + E_{dihedral} + E_{non-bonded}</math>
<math>E_{non-bonded} = E_{electrostatic} + E_{van der Waals}</math>
Набор параметров, состоящий из равновесных значений длин связей, валентных углов, величин парциальных зарядов, силовых констант и ван-дер-ваальсовых параметров, называется силовым полем. Различные реализации молекулярной механики используют слегка отличающиеся математические выражения и, следовательно, различные константы в потенциальной функции. Распространенные силовые поля, используемые в настоящее время, были разработаны с использованием точных квантовых расчетов и (или) подгонкой под экспериментальные данные.
Для поиска локального минимума потенциальной энергии используются соответствующие методы минимизации (например, метод наискорейшего спуска и метод сопряженных градиентов), а для изучения эволюции систем во времени используются методы молекулярной динамики. Низшие энергетические состояния более стабильны и имеют более важное значение из-за своей роли в химических и биологических процессах. Молекулярно-динамические расчёты, с другой стороны, предсказывают поведение системы во времени. И для минимизации, и для молекулярной динамики главным образом используется второй закон Ньютона — <math>F = ma</math> (или, что равносильно, <math>a = F/m</math>). Интегрирование этого закона движения с помощью различных алгоритмов приводит к получению траекторий атомов в пространстве и времени. Сила, действующая на атом, определяется как отрицательная производная функции потенциальной энергии.
Молекулы могут быть смоделированы как в вакууме, так и в присутствии растворителя, например воды. Расчёты систем в вакууме называются расчётами «в газовой фазе», в то время как расчёты, включающие молекулы растворителя, называются расчётами «с явно заданным растворителем». Другая группа расчётов учитывает наличие растворителя оценочно, с помощью дополнительных членов в потенциальной функции — так называемые расчёты «с неявным растворителем».
В настоящее время методы молекулярного моделирования широко используются при изучении структуры, динамики и термодинамики неорганических, биологических и полимерных систем. Среди биологических явлений, которые исследуются методами ММ, сворачивание белков, ферментативный катализ, стабильность белков, конформационные превращения и процессы молекулярного узнавания в белках, ДНК и мембранах.
Популярные программы для молекулярного моделирования
- ADF
- Agile Molecule
- [[|en]] (Avogadro (software))
- BALLView
- Biskit
- Cerius2
- Chimera
- Coot for X-ray crystallography of biological molecules
- COSMOS
- GAUSSIAN
- Ghemical
- GROMACS
- InsightII
- LAMMPS
- MarvinSpace
- MMTK
- MOE
- SMemory Animation Software 3-D Molecular Construction
- Molecular Docking Server
- Molsoft ICM
- MOPAC
- NAMD
- NOCH
- Oscail X
- PyMOL
- Q-Chem
- Qutemol
- Sirius
- SPARTAN
- STR3DI32
- Sybyl
- MCCS Towhee
- TURBOMOLE
- ReaxFF
- VMD
- WHAT IF Шаблон:Wayback
- Catalyst
- xeo
- Zodiac
См. также
Литература
- D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, 1996, ISBN 0-12-267370-0
- A. R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, 2001, ISBN 0-582-38210-6
- K.I.Ramachandran, G Deepa and Krishnan Namboori. P.K. Computational Chemistry and Molecular Modeling Principles and Applications 2008 [1] ISBN 978-3-540-77302-3 Springer-Verlag GmbH
- R. J. 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
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Х.-Д. Хельтье, В. Зиппль, Д. Роньян, Г. Фолькерс, Молекулярное моделирование Теория и практика, 2010, ISBN 978-5-9963-0156-0
Ссылки
- Center for Molecular Modeling at the National Institutes of Health (NIH) (U.S. Government Agency)
- The eCheminfo Network and Community of Practice in Informatics and Modeling
- Компьютерное моделирование структуры амилолитических ферментов
- Лаборатория молекулярного моделирования и спектроскопии ГЕОХИ РАН
Примечания
Шаблон:Разделы вычислительной химии
- Русская Википедия
- Страницы с неработающими файловыми ссылками
- Методы биологических исследований
- Молекулярное моделирование
- Биоинформатика
- Молекулярная биология
- Вычислительная химия
- Страницы, где используется шаблон "Навигационная таблица/Телепорт"
- Страницы с телепортом
- Википедия
- Статья из Википедии
- Статья из Русской Википедии
