Методы QM/MM и многомасштабные методы

Методы QM/MM описывают химически активную область с помощью квантовой механики, помещая ее в классически моделируемую среду, что позволяет изучать реакционную способность в таких крупных системах, как ферменты.

Definition

Гибридный подход, при котором часть молекулярной системы обрабатывается квантово-химическим методом, а остальная часть — классическим силовым полем, с определенной связью между ними.

Scope

Охватывает разделение системы на квантовую и классическую области, аддитивные и субтрактивные схемы связи, электростатическое встраивание, обработку ковалентных границ с помощью связующих атомов или связанных подходов, а также более широкую идею многомасштабного моделирования, которая объединяет электронный, атомистический и более грубые масштабы.

Core questions

• Как система разделяется на квантовую и классическую области?
• Как связаны две области, и что такое электростатическое встраивание?
• Как обрабатывается ковалентная связь, пересекающая границу QM/MM?
• Когда многомасштабная обработка предпочтительнее чисто квантовой или чисто классической?

Key theories

Разделение QM/MM

Разделяет систему таким образом, что реактивный центр обрабатывается квантово-механически, а объемная среда — классически, сочетая точность квантовых методов с охватом силовых полей.

Электростатическое встраивание

Включает частичные заряды классической области в квантовый гамильтониан, так что квантовая подсистема ощущает и поляризуется в ответ на свою среду.

Clinical relevance

QM/MM является стандартным инструментом для изучения ферментативного катализа, реакций в растворе и процессов в материалах и наноструктурах, где химические реакции происходят в локализованной области, встроенной в большую, влиятельную среду.

History

Идея QM/MM была предложена Варшелем и Левиттом в их исследовании лизоцима 1976 года; ее развитие для сложных биомолекулярных систем способствовало присуждению Нобелевской премии по химии в 2013 году Карплюсу, Левитту и Варшелю за многомасштабные модели.

Key figures

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

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

Почему бы не рассматривать всю систему квантово-механически?

Квантовые методы сильно зависят от размера, поэтому явное рассмотрение целого фермента или сольватированной системы нецелесообразно; QM/MM резервирует дорогостоящую обработку для небольшой области, где она необходима.

В чем заключается основная проблема в расчетах QM/MM?

Определение четкой, физически обоснованной границы между областями, особенно когда она разрезает ковалентную связь, и обеспечение согласованной связи между двумя уровнями являются центральными методологическими трудностями.