Modelació molecular

Archiu:Molecular Modeling.png

Modelació molecular

Archiu:Hardware-accelerated-molecular-modeling.png

Modelació clàssica d'un líquit iònic en bulk.

La modelació molecular o simulació molecular és un terme general que engloba métodos teòrics i tècniques computacionals para modelar, imitar i predir el comportament de les molèculas. Les tècniques i métodos utilisats es troben en un ampli ranc de camps de la física (termodinàmica, mecànica clàssica, mecànica estadística, mecànica quàntica, física matemàtica i ciència de materials), la química computacional i la bioquímica per a l'estudi de sistemes moleculars que comprenen des de menuts sistemes químics a grans molècules biològiques i materials cristalins. Els càlculs més simples poden ser realisats a mà, pero inevitablement es requerixen computadores per a realisar la modelació molecular de qualsevol sistema mijanament complicat. La característica particular de les tècniques de modelació és la descripció a nivell atòmic dels sistemes moleculars; el menor nivell d'informació és per àtoms individuals (o un chicotet grup d'àtoms).

La simulació de sistemes molecular pot realisar-se per mig de métodos clàssics o quàntics.

Els métodos de modelació molecular són usats rutinariamente en l'actualitat per a investigar l'estructura, dinàmica i termodinàmica de sistemes inorgànics, biològics i polimèrics. Els tipos d'activitat biològica que han segut investigats usant modelació molecular inclouen plegament proteic, catálisis d'enzimes, estabilitat de proteïnes, canvis conformacionales associats en la funció biomolecular, i reconeiximent molecular de proteïnes, ADN, i complexos de membranes.

Mecànica molecular

La Mecànica molecular és part de la modelació molecular, ya que implica l'us de mecànica clàssica/mecànica newtoniana per a descriure les bases físiques despuix dels models. Els models moleculars descriuen normalment àtoms (núcleus i electrons en conjunt) com a càrregues puntuals en una massa associada. Les interaccions entre els àtoms veïns són descrites per interaccions tipo oscilador harmònic, "resorts", (representant enllaços químics) i Forces de van der Waals. El Potencial de Lennard-Jones és majorment usat per a descriure les Forces de van der Waals. Les interaccions electrostàtiques són calculades per la Llei de Coulomb. Als àtoms se'ls assignen coordenades en l'espai cartesiano o en estanysCoordenades internes, i també se'ls poden assignar velocitats en realisar simulacions dinàmiques. Les velocitats atòmiques estan relacionades en la temperatura del sistema, una cantitat macroscòpica. L'expressió matemàtica completa es coneix com una Funció potencial i està relacionada en l'energia interna del sistema (O - Entropía), una cantitat termodinàmica igual a la suma de les energies potencial i cinètica. Els métodos que minimisen l'energia potencial, són coneguts com a tècniques de disminució energètica (com, steepest descent i Gradient conjugat), mentres que els métodos que recreen el comportament del sistema en el córrer del temps són coneguts com Dinàmica molecular.

___MATH_0___

___MATH_1___

Esta funció, cridada Funció potencial, calcula l'energia potencial molecular com una suma de cantitats d'energia que descriuen la desviació del llarc dels enllaços, els ànguls d'enllaç i els ànguls de torsió fòra dels valors d'equilibri, més cantitats per als parells d'àtoms no enllaçats, ajudant a descriure les interaccions de van der Waals i les electrostàtiques. El conjunt de paràmetros que inclou les distàncies d'enllaç equilibrades, els ànguls d'enllaç, valors de càrrega parcials, constants de força i paràmetros de van der Waals; són coneguts de manera conjunta com un camp de força. Distintes aplicacions de la mecànica molecular usa expressions matemàtiques que diferixen llaugerament i, per això, distintes constants per a la Funció potencial. Els camps de força d'us corrent en l'actualitat han segut desenrollats usant càlculs quàntics d'alt nivell i/o ajustant-se als valors experimentals. La tècnica coneguda com a Disminució Energètica és usada per a trobar posicions de "gradient zero" per a tots els àtoms; en atres paraules, un mínim local d'energia. Estats de menor energia són més estables i són comunament investigats per la seua funció en els processos químics i biològics. Una simulació de Dinàmica molecular, per un atre costat, calcula el comportament d'un sistema en funció del temps. Açò implica resoldre les lleis de Newton de moviment, principalment la segona llei, F = ma. L'Integració de les lleis de Newton del moviment, usant diferents algoritmes d'integració, conduïx les trayectòries atòmiques en l'espai i el temps. La força d'un àtom és definida com el gradient negatiu de la funció potencial d'energia. La tècnica de disminució d'energia és útil per a obtindre una image estàtica per a comparar entre els estats de sistemes similars, mentres que la dinàmica molecular proveïx informació sobre els processos dinàmics en l'agregat intrínsec dels efectes de la temperatura.

Variables

Les molècules poden ser modelades al buit o en presència d'un solvent com l'aigua. Les simulacions dels sistemes al buit són conegudes com a simulacions de fase gaseosa, mentres que aquelles que inclouen la presència de molècules de solvent són conegudes com a simulacions en solvent explícit. En un atre tipo de simulacions, l'efecte del solvent és estimat usant una expressió matemàtica empírica; estes són conegudes com a simulacions de solvatación implícita.