Силовые поля и молекулярная механика

Силовое поле — это параметризованное выражение для молекулярной потенциальной энергии, которое позволяет молекулярной механике рассчитывать структуры и энергии очень больших систем без квантовых вычислений.

Definition

Эмпирическая функция потенциальной энергии, вместе с ее параметрами, которая аппроксимирует энергию молекулярной системы как функцию атомных координат с использованием классической механики.

Scope

Охватывает функциональную форму классических силовых полей, связанные члены для связей, углов и торсионных углов, несвязанные электростатические члены и члены Ван-дер-Ваальса, стратегии типизации атомов и параметризации, а также основные семейства биомолекулярных силовых полей. Также рассматриваются поляризуемые и реактивные силовые поля и присущие им ограничения переносимости фиксированных параметров.

Core questions

• Какие физические взаимодействия представляют члены силового поля?
• Как выводятся параметры силового поля и насколько они переносимы?
• Чем отличаются основные биомолекулярные силовые поля по философии и целевым системам?
• Что не могут описать фиксированные, нереактивные силовые поля?

Key theories

Аддитивное разложение потенциальной энергии

Полная энергия записывается как сумма независимых связанных и несвязанных вкладов, что является аппроксимацией, которая делает вычисления быстрыми, а параметризацию — модульной.

Эмпирическая параметризация

Параметры силового поля подгоняются для воспроизведения экспериментальных данных и квантово-химических расчетов для репрезентативных соединений, с предположением, что параметры переносятся на аналогичные химические среды.

Clinical relevance

Силовые поля являются основой всего классического моделирования биомолекул и материалов; их качество устанавливает верхнюю границу реалистичности молекулярной динамики и предсказаний свободной энергии, используемых в разработке лекарств и материалов.

History

Начиная с силовых полей MM2/MM3 Аллингера для органических молекул, область расширилась до биомолекулярных силовых полей, таких как AMBER, CHARMM, OPLS и GROMOS, в 1980-х и 1990-х годах, с продолжающимся развитием поляризуемых и машинообученных потенциалов.

Key figures

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

Seminal works

• cornell1995
• mackerell1998

Frequently asked questions

Почему силовое поле не может описывать химические реакции?

Стандартные силовые поля рассматривают связи как фиксированные пружины и не могут разрывать или образовывать их; описание реакций требует реактивных силовых полей или квантового рассмотрения реакционной области.

Все ли силовые поля взаимозаменяемы?

Нет; различные семейства параметризуются для разных систем и с использованием разных соглашений, поэтому результаты могут различаться, и смешивание параметров между силовыми полями, как правило, недопустимо.