Kraftfelder und Molekulare Mechanik

Ein Kraftfeld ist ein parametrisierter Ausdruck für die molekulare potenzielle Energie, der es der molekularen Mechanik ermöglicht, Strukturen und Energien sehr großer Systeme ohne Quantenberechnungen zu bestimmen.

Definition

Eine empirische Potenzialenergie-Funktion, zusammen mit ihren Parametern, die die Energie eines molekularen Systems als Funktion der Atomkoordinaten unter Verwendung der klassischen Mechanik annähert.

Scope

Behandelt die funktionale Form klassischer Kraftfelder, gebundene Terme für Bindungen, Winkel und Torsionen, ungebundene elektrostatische und Van-der-Waals-Terme, Atomtypisierung und Parametrisierungsstrategien sowie die wichtigsten biomolekularen Kraftfeld-Familien. Zudem werden polarisierbare und reaktive Kraftfelder sowie die inhärenten Übertragbarkeitsgrenzen fester Parameter thematisiert.

Core questions

• Welche physikalischen Wechselwirkungen stellen die Terme eines Kraftfeldes dar?
• Wie werden Kraftfeldparameter abgeleitet und wie übertragbar sind sie?
• Wie unterscheiden sich die wichtigsten biomolekularen Kraftfelder in ihrer Philosophie und ihren Zielsystemen?
• Was können feste, nicht-reaktive Kraftfelder nicht beschreiben?

Key theories

Additive Potenzialenergie-Zerlegung

Die Gesamtenergie wird als Summe unabhängiger gebundener und ungebundener Beiträge geschrieben, eine Annäherung, die die Auswertung schnell und die Parametrisierung modular macht.

Empirische Parametrisierung

Kraftfeldparameter werden angepasst, um experimentelle Daten und quantenchemische Berechnungen für repräsentative Verbindungen zu reproduzieren, unter der Annahme, dass die Parameter auf ähnliche chemische Umgebungen übertragbar sind.

Clinical relevance

Kraftfelder sind die Grundlage aller klassischen biomolekularen und Materialsimulationen; ihre Qualität setzt eine Obergrenze für den Realismus von Molekulardynamik- und Freie-Energie-Vorhersagen, die im Medikamenten- und Materialdesign verwendet werden.

History

Ausgehend von Allingers MM2/MM3-Kraftfeldern für organische Moleküle expandierte das Feld in den 1980er und 1990er Jahren zu biomolekularen Kraftfeldern wie AMBER, CHARMM, OPLS und GROMOS, mit fortlaufender Entwicklung polarisierbarer und maschinell gelernter Potenziale.

Key figures

• Peter Kollman
• Alexander MacKerell
• William Jorgensen
• Norman Allinger

Seminal works

• cornell1995
• mackerell1998

Frequently asked questions

Warum kann ein Kraftfeld keine chemischen Reaktionen beschreiben?

Standard-Kraftfelder behandeln Bindungen als feste Federn und können diese weder brechen noch bilden; die Beschreibung von Reaktionen erfordert reaktive Kraftfelder oder eine Quantenbehandlung der reaktiven Region.

Sind alle Kraftfelder austauschbar?

Nein; verschiedene Familien sind für unterschiedliche Systeme und mit unterschiedlichen Konventionen parametrisiert, sodass die Ergebnisse variieren können und das Mischen von Parametern über Kraftfelder hinweg in der Regel ungültig ist.