Phương pháp QM/MM và các phương pháp đa tỷ lệ

Các phương pháp QM/MM mô tả một vùng hoạt động hóa học bằng cơ học lượng tử trong khi nhúng nó vào một môi trường được mô hình hóa cổ điển, cho phép nghiên cứu phản ứng trong các hệ thống lớn như enzyme.

Definition

Một phương pháp lai trong đó một phần của hệ thống phân tử được xử lý bằng phương pháp hóa học lượng tử và phần còn lại bằng trường lực cổ điển, với một sự ghép nối xác định giữa hai phần.

Scope

Bao gồm việc phân chia một hệ thống thành các vùng lượng tử và cổ điển, các lược đồ ghép nối cộng và trừ, nhúng tĩnh điện, xử lý các ranh giới cộng hóa trị bằng các nguyên tử liên kết hoặc các phương pháp liên quan, và ý tưởng rộng hơn về mô hình hóa đa tỷ lệ bắc cầu giữa các thang đo điện tử, nguyên tử và thô hơn.

Core questions

• Một hệ thống được phân chia thành các vùng lượng tử và cổ điển như thế nào?
• Hai vùng được ghép nối như thế nào, và nhúng tĩnh điện là gì?
• Một liên kết cộng hóa trị cắt ngang ranh giới QM/MM được xử lý như thế nào?
• Khi nào thì một phương pháp xử lý đa tỷ lệ được ưu tiên hơn một phương pháp hoàn toàn lượng tử hoặc hoàn toàn cổ điển?

Key theories

Phân vùng QM/MM

Phân chia hệ thống sao cho lõi phản ứng được xử lý bằng cơ học lượng tử và môi trường khối được xử lý cổ điển, kết hợp độ chính xác của các phương pháp lượng tử với phạm vi tiếp cận của các trường lực.

Nhúng tĩnh điện

Bao gồm các điện tích riêng phần của vùng cổ điển trong Hamiltonian lượng tử để hệ thống con lượng tử cảm nhận và phân cực để đáp ứng với môi trường của nó.

Clinical relevance

QM/MM là công cụ tiêu chuẩn để nghiên cứu xúc tác enzyme, các phản ứng trong dung dịch và các quá trình trong vật liệu và cấu trúc nano, nơi hóa học xảy ra trong một vùng cục bộ được nhúng trong một môi trường lớn, có ảnh hưởng.

History

Ý tưởng QM/MM được Warshel và Levitt giới thiệu trong nghiên cứu về lysozyme của họ vào năm 1976; sự phát triển của nó cho các hệ thống sinh học phức tạp đã đóng góp vào Giải Nobel Hóa học năm 2013 được trao cho Karplus, Levitt và Warshel cho các mô hình đa tỷ lệ.

Key figures

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

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

Tại sao không xử lý toàn bộ hệ thống bằng cơ học lượng tử?

Các phương pháp lượng tử có độ phức tạp tăng mạnh theo kích thước, do đó việc xử lý toàn bộ một enzyme hoặc hệ thống được solvat hóa một cách rõ ràng là không khả thi; QM/MM dành phương pháp xử lý tốn kém cho vùng nhỏ nơi cần thiết.

Thách thức chính trong các tính toán QM/MM là gì?

Việc xác định một ranh giới rõ ràng, hợp lý về mặt vật lý giữa các vùng, đặc biệt là khi nó cắt một liên kết cộng hóa trị, và đảm bảo hai cấp độ ghép nối nhất quán là những khó khăn phương pháp luận trọng tâm.