กลศาสตร์โมเลกุลและพลศาสตร์โมเลกุล
กลศาสตร์โมเลกุลแสดงโมเลกุลด้วยสนามแรงแบบคลาสสิก และพลศาสตร์โมเลกุลจะจำลองการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ทำให้สามารถจำลองระบบที่มีขนาดใหญ่กว่าที่วิธีการทางควอนตัมจะเข้าถึงได้มาก
Definition
ชุดของวิธีการที่จำลองระบบโมเลกุลด้วยกลศาสตร์คลาสสิกและศักย์เชิงประจักษ์ เพื่อคำนวณโครงสร้าง พลวัต และคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์ของการรวมตัวของอะตอมขนาดใหญ่
Scope
ครอบคลุมคำอธิบายแบบคลาสสิกที่ใช้พารามิเตอร์ของพลังงานศักย์โมเลกุล (สนามแรง), การจำลองการเคลื่อนที่ของอะตอมด้วยพลศาสตร์โมเลกุล, การสุ่มตัวอย่างโครงแบบด้วยวิธีมอนติคาร์โลและเทคนิคพลังงานอิสระ, และแผนการควอนตัม-กลศาสตร์/กลศาสตร์โมเลกุลแบบผสมที่ฝังบริเวณควอนตัมไว้ในสภาพแวดล้อมแบบคลาสสิก โดยเน้นที่การประยุกต์ใช้ทางเคมีและชีวโมเลกุล
Sub-topics
Core questions
- สนามแรงเชิงประจักษ์สามารถจับพลังงานโมเลกุลได้อย่างไรโดยไม่ต้องแก้ปัญหาทางอิเล็กทรอนิกส์?
- สมการการเคลื่อนที่แบบคลาสสิกถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวิถีการเคลื่อนที่ได้อย่างไร?
- คุณสมบัติสมดุลและพลังงานอิสระถูกสุ่มตัวอย่างอย่างมีประสิทธิภาพได้อย่างไร?
- คำอธิบายเชิงควอนตัมและคลาสสิกสามารถรวมกันสำหรับระบบที่เกิดปฏิกิริยาได้อย่างไร?
Key theories
- การแสดงสนามแรงแบบคลาสสิก
- แทนที่พื้นผิวพลังงานศักย์ควอนตัมด้วยผลรวมของพจน์วิเคราะห์อย่างง่ายสำหรับพันธะ มุม การบิด และอันตรกิริยาที่ไม่ใช่พันธะ ซึ่งถูกปรับพารามิเตอร์ให้สอดคล้องกับการทดลองหรือการคำนวณระดับสูงกว่า
- การสุ่มตัวอย่างทางสถิติกลศาสตร์
- เชื่อมโยงวิถีการจำลองหรือกลุ่มมอนติคาร์โลเข้ากับค่าเฉลี่ยทางเทอร์โมไดนามิกส์ระดับมหภาคผ่านกลศาสตร์สถิติ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการคำนวณคุณสมบัติที่สังเกตได้
Clinical relevance
กลศาสตร์โมเลกุลและพลศาสตร์โมเลกุลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาโปรตีน กรดนิวคลีอิก เยื่อหุ้มเซลล์ พอลิเมอร์ และวัสดุต่างๆ ซึ่งสนับสนุนการค้นคว้ายา การออกแบบวัสดุ และการตีความการทดลองทางชีวฟิสิกส์ด้วยความละเอียดระดับอะตอม
History
จากการพัฒนาสนามแรงและการจำลองของเหลวในช่วงทศวรรษ 1950-1970 พลศาสตร์โมเลกุลของชีวโมเลกุลได้รับการบุกเบิกโดย Karplus, Levitt และคนอื่นๆ บทบาทพื้นฐานของสาขาวิชานี้ในการสร้างแบบจำลองหลายสเกลได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2013 ที่มอบให้กับ Karplus, Levitt และ Warshel
Key figures
- Martin Karplus
- Michael Levitt
- Arieh Warshel
- Daan Frenkel
Related topics
Seminal works
- leach2001
- frenkel2002
Frequently asked questions
- กลศาสตร์โมเลกุลแตกต่างจากเคมีควอนตัมอย่างไร?
- กลศาสตร์โมเลกุลใช้ศักย์คลาสสิกที่คงที่และไม่สามารถอธิบายการแตกพันธะหรือสถานะอิเล็กทรอนิกส์ได้ แต่สามารถปรับขนาดได้ถึงหลายล้านอะตอม ในขณะที่วิธีการควอนตัมจะพิจารณาอิเล็กตรอนอย่างชัดเจนด้วยต้นทุนที่สูงกว่ามาก
- ทำไมต้องรวมคำอธิบายเชิงควอนตัมและคลาสสิกเข้าด้วยกัน?
- วิธีการ QM/MM จะพิจารณาบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีด้วยกลศาสตร์ควอนตัม ในขณะที่แสดงสภาพแวดล้อมโดยรอบด้วยกลศาสตร์คลาสสิก ซึ่งช่วยให้สามารถจับปฏิกิริยาในระบบขนาดใหญ่ เช่น เอนไซม์ ได้ด้วยต้นทุนที่จัดการได้