Modelado molecular

El modelado molecular (MM)  es un nombre colectivo para los métodos de estudio de la estructura y las propiedades de las moléculas mediante métodos computacionales con visualización posterior de los resultados, proporcionando su representación tridimensional en las condiciones especificadas en el cálculo [1] .

Las técnicas de modelado molecular se utilizan en química computacional , biología computacional y ciencia de materiales para estudiar moléculas individuales e interacciones en sistemas moleculares.

Los cálculos de los sistemas más simples en el modelado molecular se pueden realizar manualmente, pero debido a la gran cantidad de cálculos en el modelado de sistemas de interés práctico, especialmente en el estudio de la dinámica molecular , se utilizan métodos computacionales de cálculo y visualización, esta técnica se denomina computadora. modelado molecular ( Modelado molecular asistido por computadora en inglés  , CAMM ) [2] .

Una característica común de los métodos MM es el nivel atomístico de descripción de los sistemas moleculares: las partículas más pequeñas son átomos o pequeños grupos de átomos. Esta es la diferencia entre MM y la química cuántica , donde los electrones también se tienen en cuenta explícitamente. Así, la ventaja de MM es la menor complejidad en la descripción de sistemas, lo que permite considerar un mayor número de partículas en los cálculos.

Mecánica molecular

La mecánica molecular  es uno de los enfoques de MM que utiliza la mecánica clásica para describir los fundamentos físicos del modelo. Los átomos (núcleos con electrones) se representan como masas puntuales con las cargas correspondientes. Las interacciones entre átomos vecinos incluyen interacciones elásticas (correspondientes a enlaces químicos ) y fuerzas de van der Waals , descritas tradicionalmente por el potencial de Lennard-Jones . Las interacciones electrostáticas se calculan utilizando la ley de Coulomb . A los átomos en el espacio se les asignan coordenadas cartesianas o internas; en los cálculos dinámicos, a los átomos también se les pueden asignar velocidades correspondientes a la temperatura. La expresión matemática general se conoce como función potencial (ver ecuaciones) y corresponde a la energía interna del sistema (U) - una cantidad termodinámica igual a la suma de la energía potencial y cinética . La función potencial representa la energía potencial como la suma de términos de energía correspondientes a la desviación de los valores de equilibrio en longitudes de enlace, ángulos de enlace y torsión, y términos para pares de átomos no enlazados correspondientes a interacciones electrostáticas y de van der Waals.

Un conjunto de parámetros que consta de valores de equilibrio de longitudes de enlace, ángulos de enlace, cargas parciales, constantes de fuerza y ​​parámetros de van der Waals se denomina campo de fuerza . Diferentes implementaciones de la mecánica molecular usan expresiones matemáticas ligeramente diferentes y, por lo tanto, diferentes constantes en la función potencial. Los campos de fuerza comunes actualmente en uso se han desarrollado usando cálculos cuánticos precisos y/o ajuste a datos experimentales.

Se utilizan métodos de minimización apropiados (como el método del descenso más pronunciado y el método del gradiente conjugado ) para buscar un mínimo local de energía potencial, y los métodos de dinámica molecular se utilizan para estudiar la evolución de los sistemas a lo largo del tiempo . Los estados de menor energía son más estables y más importantes debido a su papel en los procesos químicos y biológicos. Los cálculos de dinámica molecular , por otro lado, predicen el comportamiento de un sistema a lo largo del tiempo. Tanto para la minimización como para la dinámica molecular se utiliza principalmente la segunda ley de Newton  - (o, lo que es equivalente, ). La integración de esta ley de movimiento con la ayuda de varios algoritmos conduce a la obtención de las trayectorias de los átomos en el espacio y el tiempo. La fuerza que actúa sobre un átomo se define como la derivada negativa de la función de energía potencial.

Las moléculas se pueden modelar tanto al vacío como en presencia de un disolvente como el agua. Los cálculos de sistemas en vacío se denominan cálculos de "fase gaseosa", mientras que los cálculos que involucran moléculas de disolvente se denominan cálculos de "disolvente explícito". Otro grupo de cálculos tiene en cuenta la presencia del solvente estimado, con la ayuda de términos adicionales en la función potencial: los llamados cálculos de "solvente implícito".

En la actualidad, los métodos de modelado molecular se utilizan ampliamente para estudiar la estructura, la dinámica y la termodinámica de los sistemas inorgánicos, biológicos y poliméricos. Entre los fenómenos biológicos que se estudian mediante métodos MM se encuentran el plegamiento de proteínas , la catálisis enzimática , la estabilidad de proteínas, las transformaciones conformacionales y los procesos de reconocimiento molecular en proteínas, ADN y membranas .

Programas populares para el modelado molecular

Véase también

Literatura

Enlaces

Notas

  1. ↑ modelado molecular // IUPAG Gold Book . Consultado el 20 de septiembre de 2011. Archivado desde el original el 3 de mayo de 2011.
  2. ↑ Modelado molecular asistido por computadora (CAMM) // Libro de oro de la IUPAC . Consultado el 20 de septiembre de 2011. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2012.
 Secciones de química computacional