Molekulsko modelovanje

**Molekulsko modelovanje** je univerzalni izraz koji se koristi za teorijske metode i kompjutacione tehnike, ali i izgled i ponašanje molekula. Tehnike koje su u upotrebi se koriste na poljima računarske hemije, računarske biologije i nauke o materijalima za proučavanje molekulskih sistema, počevši od malih hemijskih sistema do velikih bioloških molekula i materijalnih skupina. Ona najjednostavnija izračunavanja mogu „ručno“ da se obave, ali su ipak računari potrebni za molekulsko modelovanje bilo kog sistema razumne veličine. Zajednička tema tehnikama molekulskog modelovanja je i opis atomskih nivoa datih molekulskih sistema; pojedinačni atomi (ili manje grupe atoma) sadrže najmanje podataka. Ovo je suprotno kvantnoj hemiji (takođe poznatoj po izračunavanju elektronskih struktura) u kojoj se elektroni posebno posmatraju. Olakšica molekulskog modelovanja je da smanjuje složenost sistema, dopuštajući da se u toku simulacija uzme u obzir mnogo više delova (atoma).

Molekulska mehanika je vrsta molekulskog modelovanje, koja koristi klasičnu mehaniku/NJutnovu mehaniku da objasni fizičku osnovu modela. Modeli molekula obično opisuju atome (jezgra i elektrone, zajedno) kao naelektrisane tačke, kojima je pridružena masa. Interakcije između susednih atoma su opisane istezanjem hemijskih veza i van der Valsovim silama. Za opisivanje van der Valsovih sila se obično koristi Lenard-Džonsov potencijal. Elektrostatičke interakcije se zasnivaju na Kulonovom zakonu. Atomima se pridružuju koordinate Kartegijanskog prostora, ili neke interne koordinate, a mogu im biti pridružene i veličine u dinamičkoj simulaciji. Atomske veličine su povezane sa temperaturom sistema, makroskopskom veličinom. Univerzalna matematička relacija je potencijalna funkcija, koja je povezana sa unutrašnjom energijom sistema (U), termodinamičkom veličinom koja predstavlja sumu potencijalne i kinetičke energije. Metode koje minimiziraju potencijalnu energiju su poznate kao „ energy minimization techniques“ (npr. steepest descent i conjugate gradient), dok su metode koje modeliraju ponašanje sistema u odnosu na protok vremena poznate kao molekulska dinamika. 
: E= E_{veze} + E_{ugla} + E_{vodoničnih} + E_{nevezanih}
: E*nevezanih*= E*elektrostatičkih* + E*vanderValsovih*

Ova funkcija, poznata kao potencijalna funkcija, predstavlja potencijalnu energiju molekula kao sumu energetskih termova, koji potiču od promene dužine veza, uglova između veza i torzionih uglova, sve u odnosu na ravnotežne vrednosti, plus termova koji potiču od parova nevezanih atoma (u šta spadaju van der Valsove i elektrostatičke interakcije). Skup parametara koji se sastoji od ravnotežnih dužina veza, uglova veza, naelektrisanja, konstanti sile i van der Valsovih parametara je šire poznat kao polje sila. Drugi vid molekulske mehanike koristi malo drugačije konstante za potencijalnu funkciju. Slična polja sila koja se danas koriste, su razvijena zahtevnim kvantnim proračunima i/ili prilagođavanjem eksperimentalnih podataka. Tehnika poznata kao „ energy minimization techniques“ se koristi za pronalaženje položaja nultog gradijenta svih atoma, drugim rečima, za pronalaženje lokalnog minimuma energije. Stanja niže energije su stabilnija i pomno se ispituju, zbog njihove uloge u hemijskim i biološkim procesima.

Simulacija molekulske dinamike, s druge strane, prikazuje ponašanje sistema u funkciji vremena. To podrazumeva rešavanje Njutnovih zakonitosti kretanja, pre svega, drugog zakona, F=ma. Integracija NJutnovih zakona kretanja, koristeći različite integracione algoritme, vodi do jednačina atomskih trajektorija u prostoru i vremenu. Sila koja deluje na atom definisana je kao negativan gradijent funkcije potencijalne energije. Tehnika „ energy minimization techniques“ je korisna za dobijanje statističke slike kod upoređivanja dva stanja sistema, dok molekulska dinamika obezbeđuje informacije o dinamičkim procesima u koje su uključeni i suštinski zaključci o temperaturnim efektima.

Molekuli mogu biti modelirani ili u vakuumu ili u prisustvu rastvarača, kakav je voda. Simulacija sistema u vakuumu su „gas-phase“ simulacije, dok su one koje uključuju prisustvo molekula rastvarača poznate kao „explicit solvent“ simulacije. U drugom tipu simulacija, efekat rastvarača je proračunat korišćenjem empirijskih matematičkih izraza; one su poznate kao „implicit solvent“ simulacije.
	
Metode molekulskog modelovanja se sada rutinski koriste za ispitivanje strukture, dinamike i termodinamike neorganskih, bioloških i polimernih sistema. Tipovi bioloških aktivnosti koji se ispituju molekulskim modelovanjem obuhvataju sintezu proteina, katalizu enzima, stabilnost proteina, konformacione promene povezane sa biomolekularnom funkcijom, molekulskom strukturom proteina, DNK i kompleksa koji se nalaze u membrani.

Kompjutacioni molekulski modeli su rezultat matematičkih jednačina koje opisuju položaj i ponašanje elektrona i jezgara. Razvijeno je nekoliko modela, koji se koriste zavisno od simulacije. Matematički modeli su podeljeni na klasično mehaničke i kvantno mehaničke principe.

Klasično mehanički pristup gleda na molekule kao na skup atoma i veza koje se tretiraju kao lopte i rastegljiva nit. Informacije, kao što su atomski radijus i promena dužine veze se koriste da bi se pronašao najbolji položaj atoma. To je brz i u većini situacija, relativno tačan metod za lociranje optimalne geometrije molekula. Evo nekoliko metoda molekulske mehanike: MM+, koji koristi opšte polje sila i tri metode koje koriste specijalizovano polje sila za biomolekule: AMBER, BIO+, OPLIS.
Kvantno mehaničke metode rešavaju Šredingerovu jednačinu na dva načina: semi-empirijski i ab initio (što znači od početka).

Semi-empirijske metode koriste eksperimentalne podatke da pojednostave Šredingerove jednačine, da bi mogla brže da se reši. Za ovo pojenostavljenje su razvijene mnoge metode uključujući i Huckel, Extended Huckel, INDO-S i MNDO. Svaka od njih ima skup parametara koje su zasnovane na eksperimentalnim merenjima za mnoga jedinjenja. Neke od semi-empirijskih metoda su: Extended Huckal, CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, AM1, PM3 (uključuje prelazne metale), ZINDO/1 i ZINDO/S.
Ab initio metode, s drude strane, koriste samo matematičke aproksimacije. Dok su ove metode teorijski „čiste“, one su kompjuterski komplikovanije i oslanjaju se na kompjutere velikih brzina. Neke od metoda su STO-1G i D95. 
DFT (densiti functional theory – teorija gustine raspodele) metode su napravnjene da poboljšaju tačnost i priliv rezultata ab initio metoda koristeći manji broj podataka.

## Literatura

* A.R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, 2001, 
* Daan Frenkel, Berend Smit Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, 1996, 
* C.D. Schwieters, J.J. Kuszewski, N. Tjandra and G.M. Clore, "The Xplor-NIH NMR Molecular Structure Determination Package," J. Magn. Res., 160, 66-74 (2003). 
* C.D. Schwieters, J.J. Kuszewski, and G.M. Clore, "Using Xplor-NIH for NMR molecular structure determination," Progr. NMR Spectroscopy 48, 47-62 (2006). 
* M. P. Allen, D. J. Tildesley, *Computer simulation of liquids*, 1989, Oxford University Press, .
* D. C. Rapaport, *The Art of Molecular Dynamics Simulation*, 2004, 
* R. J. Sadus, *Molecular Simulation of Fluids: Theory, Algorithms and Object-Orientation*, 2002, 
* K.I.Ramachandran, G Deepa and Krishnan Namboori. P.K. *Computational Chemistry and Molecular Modeling Principles and Applications* 2008 http://www.amrita.edu/cen/ccmm   Springer-Verlag GmbH

## Vanjske veze

* Center for Molecular Modeling at the National Institutes of Health (NIH)  (U.S. Government Agency)
* Molecular Simulation, details for the Molecular Simulation journal, ISSN: 0892-7022 (print), 1029-0435 (online)
* The eCheminfo Network and Community of Practice in Informatics and Modeling
* Molecular Modelling italian web portal