힘장 및 분자 역학

힘장(force field)은 분자 퍼텐셜 에너지에 대한 매개변수화된 표현으로, 양자 계산 없이도 매우 큰 시스템의 구조와 에너지를 분자 역학으로 계산할 수 있게 합니다.

Definition

고전 역학을 사용하여 원자 좌표의 함수로서 분자 시스템의 에너지를 근사하는, 매개변수와 함께 사용되는 경험적 퍼텐셜 에너지 함수.

Scope

고전적 힘장의 함수 형태, 결합, 각도, 비틀림에 대한 결합 항, 비결합 정전기 및 반데르발스 항, 원자 유형 분류 및 매개변수화 전략, 그리고 주요 생체분자 힘장 계열을 다룹니다. 또한 편극성 및 반응성 힘장과 고정된 매개변수의 본질적인 전이성 한계도 다룹니다.

Core questions

• 힘장의 항들은 어떤 물리적 상호작용을 나타내는가?
• 힘장 매개변수는 어떻게 도출되며, 그 전이성은 어느 정도인가?
• 주요 생체분자 힘장들은 철학과 대상 시스템에서 어떻게 다른가?
• 고정된 비반응성 힘장은 무엇을 설명할 수 없는가?

Key theories

가산적 퍼텐셜 에너지 분해

총 에너지는 독립적인 결합 및 비결합 기여의 합으로 표현되며, 이는 평가를 빠르게 하고 매개변수화를 모듈화하는 근사치입니다.

경험적 매개변수화

힘장 매개변수는 대표 화합물에 대한 실험 데이터 및 양자 화학 계산을 재현하도록 피팅되며, 매개변수가 유사한 화학적 환경으로 전이된다는 가정을 전제로 합니다.

Clinical relevance

힘장은 모든 고전적 생체분자 및 재료 시뮬레이션의 기초이며, 그 품질은 약물 및 재료 설계에 사용되는 분자 동역학 및 자유 에너지 예측의 현실성에 대한 상한선을 설정합니다.

History

유기 분자를 위한 Allinger의 MM2/MM3 힘장에서 시작하여, 이 분야는 1980년대와 1990년대에 AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS와 같은 생체분자 힘장으로 확장되었으며, 편극성 및 기계 학습 기반 퍼텐셜의 지속적인 개발이 이루어지고 있습니다.

Key figures

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

Seminal works

• cornell1995
• mackerell1998

Frequently asked questions

힘장이 화학 반응을 설명할 수 없는 이유는 무엇인가?

표준 힘장은 결합을 고정된 스프링으로 간주하여 결합을 끊거나 형성할 수 없습니다. 반응을 설명하려면 반응성 힘장 또는 반응 영역에 대한 양자 역학적 처리가 필요합니다.

모든 힘장이 상호 교환 가능한가?

아닙니다. 서로 다른 계열은 다른 시스템과 다른 관례에 따라 매개변수화되므로 결과가 다를 수 있으며, 힘장 간에 매개변수를 혼합하는 것은 일반적으로 유효하지 않습니다.