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

ред.

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. Леннард-Джонс 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 потенційною функцією 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, найшвидшого спуску і пов'язані градієнти), в той час як методи, що моделюють поведінку системи з поширенням часу, називається молекулярна динаміка

 
 

Ця функція, трактується як potential function, 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

ред.

3D-RISM

ред.

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

 

де   — тривимірна повна та пряма кореляційні функції (TCF та DCF) сайту   навколо молекули відповідно;   — «сайт-сайт»-об'ємна сприйнятливість розчинника; індекси   — сорти взаємодіючих сайтів розчинника[1].

Програмне забезпечення

ред.

AmberTools

ред.

AmberTools складається з декількох модулів, які можуть працювати незалежно. У можливості входить моделювання молекулярної динаміки[2][3]. Пакет AmberTools є безкоштовним.

Chimera

ред.

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 [Архівовано 12 Червня 2020 у Wayback Machine.].

ChemDraw

ред.

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

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

ред.

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

ред.

Посилання

ред.

Примітки

ред.
  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

ред.