การจำลองพลวัตระดับโมเลกุล

พลวัตระดับโมเลกุลเป็นการรวมสมการการเคลื่อนที่ของนิวตันสำหรับระบบของอะตอมที่มีปฏิสัมพันธ์กัน ซึ่งสร้างวิถีการเคลื่อนที่ที่ใช้ในการคำนวณคุณสมบัติเชิงโครงสร้าง พลวัต และอุณหพลศาสตร์

Definition

เทคนิคการจำลองที่แพร่กระจายตำแหน่งและความเร็วของอะตอมตามเวลาภายใต้แรงจากฟังก์ชันพลังงานศักย์ ซึ่งสร้างวิถีการเคลื่อนที่แบบกำหนดได้ผ่านปริภูมิเฟส

Scope

ครอบคลุมการอินทิเกรตเชิงตัวเลขของสมการการเคลื่อนที่แบบคลาสสิก, ตัวอินทิเกรตที่ผันกลับได้ตามเวลา เช่น ตระกูล Verlet, การควบคุมอุณหภูมิและความดันผ่านเทอร์โมสแตทและบารอสแตท, การจัดการกับแรงไฟฟ้าสถิตระยะไกลและขอบเขตเป็นคาบ, และการสกัดคุณสมบัติสมดุลและการขนส่งจากวิถีการเคลื่อนที่

Core questions

• สมการการเคลื่อนที่ของนิวตันถูกอินทิเกรตอย่างเสถียรได้อย่างไรตลอดหลายช่วงเวลา?
• อุณหภูมิและความดันถูกควบคุมอย่างไรเพื่อสุ่มตัวอย่างชุดรวมทางอุณหพลศาสตร์ที่เลือกไว้?
• ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าสถิตระยะไกลถูกจัดการอย่างมีประสิทธิภาพได้อย่างไร?
• คุณสมบัติที่สังเกตได้ถูกกู้คืนจากวิถีการเคลื่อนที่ที่มีจำกัดได้อย่างไร?

Key theories

การอินทิเกรตแบบ Verlet

แผนการที่เรียบง่าย, ผันกลับได้ตามเวลา, และเป็นแบบซิมเพล็กติกสำหรับการอินทิเกรตสมการการเคลื่อนที่ที่รักษาพลังงานได้ดีตลอดการจำลองที่ยาวนานและเป็นพื้นฐานของรหัสพลวัตระดับโมเลกุลส่วนใหญ่

การสุ่มตัวอย่างแบบเออร์กอดิก

ภายใต้สมมติฐานเออร์กอดิก, ค่าเฉลี่ยตามเวลาตลอดวิถีการเคลื่อนที่ที่ยาวนานพอจะเท่ากับค่าเฉลี่ยของชุดรวม, ซึ่งเชื่อมโยงการจำลองเข้ากับปริมาณที่สังเกตได้ทางสถิติกลศาสตร์

Mechanisms

แต่ละขั้นตอนจะคำนวณแรงจากเกรเดียนต์ศักย์, เลื่อนตำแหน่งและความเร็วโดยตัวอินทิเกรต, และใช้การแก้ไขโดยเทอร์โมสแตทหรือบารอสแตท; การทำซ้ำนี้จะสร้างวิถีการเคลื่อนที่ซึ่งค่าเฉลี่ยจะให้คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์และพลวัต

Clinical relevance

พลวัตระดับโมเลกุลเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง, เหตุการณ์การจับกัน, การแพร่, และกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาในโปรตีน, เยื่อหุ้มเซลล์, และวัสดุ, ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกที่เสริมการทดลองในชีวฟิสิกส์และการค้นพบยา

History

หลังจากการจำลองแบบลูกบอลแข็งของ Alder และ Wainwright และการศึกษาศักย์ต่อเนื่องของ Rahman สำหรับอาร์กอนเหลว, อัลกอริทึมของ Verlet ในปี 1967 และการพัฒนาเทอร์โมสแตท, บารอสแตท, และไฟฟ้าสถิตแบบ Ewald ในภายหลังได้ทำให้พลวัตระดับโมเลกุลกลายเป็นสาขาวิชาการจำลองที่สมบูรณ์

Key figures

• Loup Verlet
• Berni Alder
• Aneesur Rahman
• Herman Berendsen

Seminal works

• verlet1967
• frenkel2002

Frequently asked questions

อะไรเป็นตัวจำกัดช่วงเวลาในการจำลองพลวัตระดับโมเลกุล?

การเคลื่อนที่ที่เร็วที่สุด ซึ่งโดยทั่วไปคือการสั่นสะเทือนของพันธะที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน เป็นตัวกำหนดขีดจำกัด; การจำกัดพันธะเหล่านั้นจะช่วยให้ช่วงเวลาเป็นไม่กี่เฟมโตวินาที ในขณะที่เวลาทั้งหมดที่เข้าถึงได้จะถึงไมโครวินาทีหรือนานกว่านั้น

พลวัตระดับโมเลกุลเป็นแบบกำหนดได้หรือไม่?

การอินทิเกรตเป็นแบบกำหนดได้เมื่อกำหนดเงื่อนไขเริ่มต้น แต่เส้นทางการเคลื่อนที่นั้นวุ่นวาย ดังนั้นความแตกต่างเล็กน้อยจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว; ผลลัพธ์ที่มีความหมายมาจากการเฉลี่ยทางสถิติมากกว่าเส้นทางแต่ละเส้น