روش‌های QM/MM و چندمقیاسی

روش‌های QM/MM یک ناحیه فعال شیمیایی را با مکانیک کوانتومی توصیف می‌کنند، در حالی که آن را در یک محیط مدل‌سازی شده کلاسیک جای می‌دهند و مطالعات واکنش‌پذیری را در سیستم‌هایی به بزرگی آنزیم‌ها ممکن می‌سازند.

Definition

یک رویکرد ترکیبی که در آن بخشی از یک سیستم مولکولی با روش کوانتومی-شیمیایی و مابقی با یک میدان نیروی کلاسیک، با یک کوپلینگ تعریف‌شده بین این دو، مورد بررسی قرار می‌گیرد.

Scope

این بخش شامل تقسیم‌بندی یک سیستم به نواحی کوانتومی و کلاسیک، طرح‌های کوپلینگ افزایشی و کاهشی، جایگذاری الکترواستاتیک، برخورد با مرزهای کووالانسی با اتم‌های پیونددهنده یا رویکردهای مرتبط، و ایده گسترده‌تر مدل‌سازی چندمقیاسی است که مقیاس‌های الکترونیکی، اتمی و درشت‌تر را به هم متصل می‌کند.

Core questions

• یک سیستم چگونه به نواحی کوانتومی و کلاسیک تقسیم می‌شود؟
• این دو ناحیه چگونه به هم کوپل می‌شوند و جایگذاری الکترواستاتیک چیست؟
• یک پیوند کووالانسی که از مرز QM/MM عبور می‌کند چگونه مدیریت می‌شود؟
• چه زمانی یک رویکرد چندمقیاسی به یک رویکرد صرفاً کوانتومی یا صرفاً کلاسیک ترجیح داده می‌شود؟

Key theories

تقسیم‌بندی QM/MM

سیستم را به گونه‌ای تقسیم می‌کند که هسته واکنش‌پذیر به صورت کوانتومی و محیط حجیم به صورت کلاسیک بررسی شود، و دقت روش‌های کوانتومی را با گستره میدان‌های نیرو ترکیب می‌کند.

جایگذاری الکترواستاتیک

شامل بارهای جزئی ناحیه کلاسیک در هامیلتونین کوانتومی می‌شود تا زیرسیستم کوانتومی در پاسخ به محیط خود احساس و قطبی شود.

Clinical relevance

QM/MM ابزار استانداردی برای مطالعه کاتالیز آنزیمی، واکنش‌ها در محلول، و فرآیندها در مواد و نانوساختارها است، جایی که شیمی در یک ناحیه محلی‌شده که در یک محیط بزرگ و تأثیرگذار قرار دارد، رخ می‌دهد.

History

ایده QM/MM توسط وارشل و لویت در مطالعه آن‌ها در سال ۱۹۷۶ بر روی لیزوزیم معرفی شد؛ توسعه آن برای سیستم‌های بیومولکولی پیچیده به جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۱۳ که به کارپلاس، لویت و وارشل برای مدل‌های چندمقیاسی اهدا شد، کمک کرد.

Key figures

• Arieh Warshel
• Michael Levitt
• Walter Thiel
• Hans Martin Senn

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

چرا کل سیستم را به صورت کوانتومی بررسی نمی‌کنیم؟

روش‌های کوانتومی با افزایش اندازه به شدت مقیاس‌پذیر هستند، بنابراین بررسی صریح یک آنزیم کامل یا سیستم حل‌شده غیرممکن است؛ QM/MM بررسی پرهزینه را برای ناحیه کوچکی که به آن نیاز است، اختصاص می‌دهد.

چالش اصلی در محاسبات QM/MM چیست؟

تعریف یک مرز تمیز و از نظر فیزیکی صحیح بین نواحی، به ویژه هنگامی که یک پیوند کووالانسی را قطع می‌کند، و اطمینان از کوپلینگ سازگار دو سطح، مشکلات اصلی روش‌شناختی هستند.