分子力学と分子動力学

分子力学は古典的な力場を用いて分子を表現し、分子動力学はそれらの運動を伝播させることで、量子法では到達できないはるかに大きな系のシミュレーションを可能にします。

Definition

原子の大きな集合体の構造、動力学、および熱力学的特性を計算するために、古典力学と経験的ポテンシャルを用いて分子系をモデル化する一連の手法。

Scope

分子のポテンシャルエネルギーの古典的でパラメーター化された記述（力場）、分子動力学による原子運動の伝播、モンテカルロ法および自由エネルギー法による配置サンプリング、ならびに古典的環境に量子領域を埋め込むハイブリッド量子力学/分子力学スキームを対象とします。化学および生体分子への応用を中心に扱います。

Sub-topics

• 力場と分子力学
• 分子動力学シミュレーション
• モンテカルロ法と自由エネルギー法
• QM/MM法とマルチスケール法

Core questions

• 経験的力場は、電子問題を解くことなく、どのように分子のエネルギーを捉えることができるのでしょうか？
• 古典的な運動方程式は、軌跡を生成するためにどのように積分されるのでしょうか？
• 平衡および自由エネルギー特性は、どのように効率的にサンプリングされるのでしょうか？
• 反応系に対して、量子記述と古典記述はどのように組み合わせることができるのでしょうか？

Key theories

古典的力場表現

量子ポテンシャルエネルギー面を、結合、角度、ねじれ、および非結合相互作用のための単純な解析項の合計に置き換え、実験または高レベルの計算を再現するようにパラメーター化されます。

統計力学的サンプリング

シミュレートされた軌跡またはモンテカルロアンサンブルを、統計力学を介して巨視的な熱力学的平均に結びつけ、観測可能な特性を計算するための基礎となります。

Clinical relevance

分子力学と分子動力学は、タンパク質、核酸、膜、ポリマー、および材料の研究に不可欠であり、創薬、材料設計、および原子分解能での生物物理学的実験の解釈を支援します。

History

1950年代から1970年代にかけての初期の力場および液体シミュレーション研究から発展し、生体分子の分子動力学はKarplus、Levittらによって開拓されました。マルチスケールモデリングにおけるその基礎的な役割は、2013年のノーベル化学賞がKarplus、Levitt、Warshelに授与されたことで認められました。

Key figures

• Martin Karplus
• Michael Levitt
• Arieh Warshel
• Daan Frenkel

Seminal works

• leach2001
• frenkel2002

Frequently asked questions

分子力学は量子化学とどのように異なりますか？

分子力学は固定された古典的ポテンシャルを使用するため、結合の切断や電子状態を記述することはできませんが、数百万の原子にスケールできます。一方、量子法ははるかに大きなコストで電子を明示的に扱います。

量子記述と古典記述を組み合わせる理由は何ですか？

QM/MM法は、化学的に活性な領域を量子力学的に扱い、周囲の環境を古典的に表現することで、酵素のような大きな系における反応性を管理可能なコストで捉えることができます。