QM/MM和多尺度方法

QM/MM方法通过量子力学描述化学活性区域，同时将其嵌入经典建模的环境中，从而能够对酶等大型系统进行反应性研究。

Definition

一种混合方法，其中分子系统的部分通过量子化学方法处理，其余部分通过经典力场处理，并在这两者之间定义了耦合。

Scope

涵盖了系统划分为量子和经典区域、加性与减性耦合方案、静电嵌入、使用连接原子或相关方法处理共价边界，以及连接电子、原子和更粗尺度模型的更广泛的多尺度建模理念。

Core questions

• 系统如何划分为量子和经典区域？
• 这两个区域如何耦合？什么是静电嵌入？
• 跨越QM/MM边界的共价键如何处理？
• 何时多尺度处理优于纯量子或纯经典处理？

Key theories

QM/MM分区

将系统划分，使反应核心通过量子力学处理，而主体环境通过经典方法处理，结合了量子方法的准确性和力场的适用范围。

静电嵌入

将经典区域的部分电荷包含在量子哈密顿量中，以便量子子系统感受到环境并对其极化做出响应。

Clinical relevance

QM/MM是研究酶催化、溶液中的反应以及材料和纳米结构中过程的标准工具，在这些情况下，化学反应发生在嵌入大型、有影响力的环境中的局部区域。

History

QM/MM理念由Warshel和Levitt在他们1976年对溶菌酶的研究中提出；其在复杂生物分子系统中的发展促成了2013年授予Karplus、Levitt和Warshel的诺贝尔化学奖，以表彰他们的多尺度模型。

Key figures

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

Seminal works

• warshel1976
• senn2009

Frequently asked questions

为什么不将整个系统进行量子力学处理？

量子方法随尺寸的增加而急剧扩展，因此明确处理整个酶或溶剂化系统是不可行的；QM/MM将昂贵的处理保留给需要它的较小区域。

QM/MM计算中的主要挑战是什么？

在区域之间定义清晰、物理上合理的边界，尤其是在它切断共价键时，并确保两个层面一致耦合是核心方法学难题。