Комп'ютерне молекулярне моделювання

Комп'ютерне молекулярне моделювання (англ. computer-assisted molecular modeling) — охоплює всі методи, теоретичні та обчислювальні, використовувані для моделювання або імітування поведінки молекул. Ці методи використовуються в області обчислювальної хімії, розробки ліків, обчислювальної біології та науки про матеріали для вивчення молекулярних систем, починаючи від невеликих хімічних систем до великих біологічних молекул і комбінацій матеріалів. Найпростіші розрахунки можуть бути виконані вручну, але важкі обчислення виконуються на комп'ютерах, необхідні для виконання молекулярного моделювання. Загальна риса методів молекулярного моделювання є описом атомістичного рівня молекулярних систем. Це може включати в себе обробку атомів як найменший окремої одиниці (молекулярно механічний підхід), або в явному вигляді моделювання електрона кожного атома (квантово хімічний підхід).

Молекулярна механіка

Молекулярна механіка є одним з аспектів молекулярного моделювання, оскільки воно відноситься до застосування класичної механіки (механіки Ньютона), щоб описати фізичну основу за моделями. Молекулярні моделі зазвичай описують атоми (ядра і електрони колективно) у вигляді точкових зарядів з відповідною масою. Взаємодії між сусідніми атомами описуються як пружиного типу (які мають хімічний зв'язок) і Ван-дер-Ваальса. зазвичай використовується для опису останнього. Електростатичні взаємодії обчислюються на основі закону Кулона. Атомам присвоюються координати в декартовій системі координат або в внутрішніх координатах, а також можуть бути призначені швидкостями в динамічних моделях. Атомні швидкості пов'язані з температурою системи, макроскопічної величини. Колективний математичний вираз називається і пов'язаний з системою внутрішньої енергії (U), термодинамічної величини, яка дорівнює сумі потенційної і кінетичної енергій. Методи, які зводять до мінімуму потенційну енергію, називаються методами мінімізації енергії (наприклад, і ), в той час як методи, що моделюють поведінку системи з поширенням часу, називається молекулярна динаміка

${\displaystyle E=E_{\text{bonds}}+E_{\text{angle}}+E_{\text{dihedral}}+E_{\text{non-bonded}}\,}$

${\displaystyle E_{\text{non-bonded}}=E_{\text{electrostatic}}+E_{\text{van der Waals}}\,}$

Ця функція, трактується як , обчислює молекулярну потенційну енергію як суму енергетичних термінів, що описують відхилення довжин зв'язків, валентних кутів і торсіонних кутів від рівноважних значень, плюс точки для Несвіт занних пар атомів, що описують ван-дер-Ваальса і електростатичних взаємодій.

Методи

3D-RISM

3D розподіл функцій взаємодії сайтів навколо розчиненої молекули визначається з 3D-RISM інтегрального рівняння

${\displaystyle h_{\gamma }(r)=\sum _{a}\int d{\textbf {r}}'c_{a}({\textbf {r}}-{\textbf {r}}')\chi _{a\gamma }(r'),}$

де ${\displaystyle h_{\gamma }({\textbf {r}}),\,\,c_{\gamma }({\textbf {r}})}$ — тривимірна повна та пряма кореляційні функції (TCF та DCF) сайту ${\displaystyle \gamma }$ навколо молекули відповідно; ${\displaystyle \chi _{a\gamma }(r)}$ — «сайт-сайт»-об'ємна сприйнятливість розчинника; індекси ${\displaystyle a,\gamma }$ — сорти взаємодіючих сайтів розчинника.

Програмне забезпечення

AmberTools

AmberTools складається з декількох модулів, які можуть працювати незалежно. У можливості входить моделювання молекулярної динаміки. Пакет AmberTools є безкоштовним.

Chimera

UCSF Chimera — програма для інтерактивної візуалізації та аналізу молекулярних структур із пов'язаних із ними даних, включаючи карти щільності, траєкторії й вирівнювання послідовностей. Можуть бути створені високоякісні зображення та анімація. Химера є безкоштовною із відкритим програмним кодом [ 12 Червня 2020 у Wayback Machine.].

ChemDraw

ChemDraw — професійний редактор хімічної графіки. Входить до пакета від .

Можливості:

• Створення й редагування хімічних структур й обладнання.
• Розширені графічні функції (3D).
• Можливість конвертації назви сполуки у структуру, та навпаки, назва сполуки по структурі (за IUPAC).
• Симуляція ЯМР-спектрів.
• Засоби перевірки хімічних формул та структур.
• Зручна база шаблонів часто застосовуваних макроструктур та обладнання.
• Модуль ChemDraw/Excel.
• Плагін ActiveX для браузера із можливістю пошуку в онлайн-базі даних хімічних сполук CambridgeSoft.

Gamess

Gamess (General Atomic and Molecular Electronic Structure System) — програмний пакет, призначений для розрахунку енергії, геометрії й структури молекул, фізичних характеристик наноструктур й опису механізмів хімічних реакцій (наприклад, дисоціація, синтез).

За допомогою програми реалізується множина алгоритмів для різних обчислювальних методів квантової хімії, які мають різний ступінь точності й обчислювальної навантажуваності, починаючи від простіших й швидких напівемпіричних методів AM1 та PM3 до більш точних, але вимагаючих більших обчислювальних ресурсів PCQDPT, MP4(SPTQ).

Див. також

• Молекулярне моделювання
• Сольватація
• Рідкі кристали
• Полімери

Посилання

• Компьютерное молекулярное моделирование белков (рос.)
• Посилання на університет [ 17 Грудня 2010 у Wayback Machine.]

Примітки

1. Crystal Nguyen,Takeshi Yamazaki,Andriy Kovalenko,David A. Case,Michael K. Gilson ,Tom Kurtzman ,Tyler Luchko - A molecular reconstruction approach to site-based 3D-RISM and comparison to GIST hydration thermodynamic maps in an enzyme active site, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0219473 .
2. Luchko T, Gusarov S, Roe DR, Simmerling C, Case DA, Tuszynski J, et al. Three-Dimensional Molecular Theory of Solvation Coupled with Molecular Dynamics in Amber. J Chem Theory Comput. 2010;6: 607–624. pmid:20440377.
3. Kovalenko A. Multiscale Modeling of Solvation. In: Breitkopf C, Swider-Lyons K, editors. Springer Handbook of Electrochemical Energy. Springer Berlin Heidelberg; 2017. pp. 95–139. https://doi.org/10.1007/978-3-662-46657-5_5.

Література

• Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — .
• Опейда Й. О. Математичне та комп'ютерне моделювання в хімії: підручник / Й. О. Опейда. — Вінниця: ДонНУ, 2015. — 388 с.