Métodos QM/MM e Multiescala

Os métodos QM/MM descrevem uma região quimicamente ativa com mecânica quântica enquanto a inserem em um ambiente modelado classicamente, permitindo estudos de reatividade em sistemas tão grandes quanto enzimas.

Definition

Uma abordagem híbrida na qual parte de um sistema molecular é tratada por um método quântico-químico e o restante por um campo de força clássico, com um acoplamento definido entre os dois.

Scope

Abrange a partição de um sistema em regiões quânticas e clássicas, esquemas de acoplamento aditivo e subtrativo, incorporação eletrostática, o tratamento de limites covalentes com átomos de ligação ou abordagens relacionadas, e a ideia mais ampla de modelagem multiescala que interliga escalas eletrônicas, atômicas e mais grosseiras.

Core questions

• Como um sistema é dividido em regiões quânticas e clássicas?
• Como as duas regiões são acopladas e o que é a incorporação eletrostática?
• Como é tratada uma ligação covalente que cruza o limite QM/MM?
• Quando um tratamento multiescala é preferível a um puramente quântico ou puramente clássico?

Key theories

Partição QM/MM

Divide o sistema de modo que o núcleo reativo seja tratado quanticamente e o ambiente em massa classicamente, combinando a precisão dos métodos quânticos com o alcance dos campos de força.

Incorporação eletrostática

Inclui as cargas parciais da região clássica no Hamiltoniano quântico para que o subsistema quântico sinta e se polarize em resposta ao seu ambiente.

Clinical relevance

QM/MM é a ferramenta padrão para estudar a catálise enzimática, reações em solução e processos em materiais e nanoestruturas, onde a química ocorre em uma região localizada inserida em um ambiente grande e influente.

History

A ideia QM/MM foi introduzida por Warshel e Levitt em seu estudo de 1976 sobre a lisozima; seu desenvolvimento para sistemas biomoleculares complexos contribuiu para o Prêmio Nobel de Química de 2013 concedido a Karplus, Levitt e Warshel por modelos multiescala.

Key figures

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

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

Por que não tratar o sistema inteiro quanticamente?

Os métodos quânticos escalam acentuadamente com o tamanho, então tratar uma enzima inteira ou um sistema solvatado explicitamente é inviável; QM/MM reserva o tratamento dispendioso para a pequena região onde é necessário.

Qual é o principal desafio nos cálculos QM/MM?

Definir um limite limpo e fisicamente sólido entre as regiões, especialmente quando ele corta uma ligação covalente, e garantir que os dois níveis se acoplem consistentemente são as dificuldades metodológicas centrais.