Pole siłowe (chemia)

W kontekście mechaniki molekularnej , A pole sił jest zestaw potencjałów i parametry w celu opisania struktury potencjalnej energii z system cząstki (zwykle atomy, ale nie wyłącznie). Użycie wyrażenia pole siłowe w chemii cyfrowej i biologii różni się więc od tego w fizyce, gdzie ogólnie wskazuje na ujemny gradient potencjału skalarnego . Potencjały i parametry danego pola siłowego wyznaczane są na podstawie wyników eksperymentalnych i precyzyjnych obliczeń w mechanice kwantowej .

W zależności od badanych układów istnieje wiele różnych pól sił. Pola sił all-atom ( all atom ) dostarczają parametrów dla wszystkich atomów układu, w tym wodoru , podczas gdy pola sił zjednoczone atomy ( zunifikowany atom ) nie uwzględniają atomów wodoru, chyba że te ostatnie są polarne (H jest traktowane jako centrum interakcji). Pola sił oparte na ciężkich atomach w ogóle nie uwzględniają atomów wodoru. Niektóre pola sił są oparte na uproszczonych modelach całości lub części jednego lub więcej obiektów, takich jak pola gruboziarniste ( gruboziarniste ) często używane w długich symulacjach białek lub pola oparte na siatkach i sieciach ( w sieci ).

Wybór dziedziny, specyficznej dla systemu i mniej lub bardziej wydajnej, zależy od badań, które mają zostać przeprowadzone, i poszukiwanych właściwości.

Forma ogólna

Podstawowa funkcjonalna postać pola siłowego obejmuje terminy wiązań związane z atomami połączonymi wiązaniami kowalencyjnymi oraz terminy interakcji (tak zwane terminy niezwiązane lub niekowalencyjne), które opisują oddziaływania dalekiego zasięgu ( elektrostatyczne i Van der Waalsa ). Konkretny rozkład na każdy z tych terminów zależy od pola siłowego, ale ogólną postać całkowitej energii w addytywnym polu siłowym można zapisać:

gdzie składniki wkładów kowalencyjnych i niekowalencyjnych są wyliczane przez następujące sumy:

Warunki wiązania i kąta są zwykle modelowane jako oscylatory harmoniczne w polach sił, które nie pozwalają na tworzenie / niszczenie wiązania. Bardziej realistyczny opis wiązania kowalencyjnego poddanego silnemu rozciąganiu może dać potencjał Morse'a , droższy. Funkcjonalna forma pozostałych terminów pokrewnych jest bardzo zróżnicowana. Zwykle obejmuje również potencjały dwuścienne. Dodatkowo, można dodać terminy „niewłaściwego skręcenia”, aby wymusić płaskość pierścieni aromatycznych i innych układów sprzężonych , jak również określenia „krzyżowe” opisujące sprzężenie między różnymi zmiennymi wewnętrznymi, takimi jak kąty i długości wiązań. Niektóre pola sił zawierają wyraźne terminy dla wiązań wodorowych .

Terminy niezwiązane są droższe w czasie obliczeń, ponieważ muszą uwzględniać o wiele więcej interakcji na atom. Jednym z najczęstszych wyborów jest ograniczenie interakcji do pary energii. Termin van der Waalsa jest zwykle obliczany przy użyciu potencjału Lennarda-Jonesa , a termin elektrostatyczny według prawa Coulomba , chociaż te dwa składniki można osłabić lub zwiększyć o stały współczynnik, aby uwzględnić polaryzację elektronową, a tym samym wytworzyć lepsza zgodność z eksperymentem.

Oprawa

Oprócz funkcjonalnej postaci potencjałów pole siłowe definiuje zestaw parametrów dla każdego z typów atomów. Tak więc, na przykład, pole siłowe będzie zawierało oddzielne parametry dla atomu tlenu w grupie karbonylowej i grupie hydroksylowej . Typowy zestaw parametrów obejmuje wartości masy atomowej , promienia van der Waalsa i ładunku cząstkowego poszczególnych atomów oraz wartości równowagi długości wiązań, pomiary kątów płaskich i dwuściennych dla par, trójek i czworaczków połączonych atomów i wartości stałych siły dla każdego potencjału. Większość pól sił wykorzystuje model stałego ładunku, w którym każdemu atomowi przypisany jest ładunek elektrostatyczny, na który nie ma wpływu lokalne środowisko. Proponowane rozwiązania w zakresie pól sił nowej generacji obejmują modele polaryzowalności, w których ładunki cząstek wpływają na ładunki ich sąsiadów. Podatność na polaryzację można, na przykład, osiągnąć przez wprowadzenie indukowanych dipoli; może być również reprezentowany przez cząstki Drude lub wirtualne miejsca niosące ładunki bez mas przyłączonych przez potencjał harmoniczny typu sprężyny do każdego polaryzowalnego atomu. Wprowadzenie polaryzowalności do pól siłowych do użytku prądowego jest spowalniane przez wysokie koszty związane z obliczaniem lokalnego pola elektrycznego.

Chociaż wiele symulacji molekularnych dotyczy makrocząsteczek biologicznych, takich jak białka , DNA lub RNA , parametry używane dla danego typu atomów generalnie pochodzą z obserwacji cząsteczek organicznych , które są łatwiejsze do zrozumienia w badaniach, eksperymentach lub obliczeniach kwantowych. Różne pola sił może pochodzić z różnych typów danych doświadczalnych, takich jak entalpii z odparowania (jak w OPLS dziedzinie ), entalpia sublimacji (jak w CFF dziedzinie ) dipolowych momentach lub różnych parametrów spektralnych. (CFF).

Zestawy parametrów i formy funkcjonalne są definiowane przez twórców pól siłowych w celu zachowania spójności . Ponieważ formy funkcjonalne potencjałów różnią się znacznie, nawet dla bardzo podobnych pól sił (lub między kolejnymi wersjami tego samego pola siłowego), parametry pola siłowego nie powinny być używane z potencjałami zdefiniowanymi dla innego pola.

Wady i braki

Wszystkie pola sił są oparte na wielu przybliżeniach i konstruowane z różnych typów danych eksperymentalnych. Dlatego nazywane są empirycznymi . Niektóre pola zwykle nie uwzględniają polaryzacji elektronowej otoczenia, co skutkuje znacznym ograniczeniem oddziaływań elektrostatycznych cząstkowych ładunków atomowych. Problem ten rozważano poprzez rozwój „polaryzowalnych pól sił” lub przez zastosowanie makroskopowej stałej dielektrycznej . Jednak użycie jednej wartości stałej dielektrycznej jest wątpliwe w wysoce heterogenicznych środowiskach białek lub błon biologicznych, a charakter dielektryka zależy od zastosowanego modelu.

Siły van der Waalsa są również silnie zależne od środowiska w wyniku interakcji między indukowanymi dipolami i „natychmiastową” (patrz siła międzycząsteczkowa ). Wstępna teoria Fritza Londona dotycząca tych sił jest ważna tylko w próżni. Bardziej ogólna teoria sił van der Waalsa w gęstym ośrodku została opracowana przez AD McLachlana w 1963 r., Dla której teoria Fritza-London jest uważana za szczególny przypadek. Teoria ta wskazuje, że oddziaływania van der Waalsa w ośrodku są słabsze niż w próżni i podlegają prawu „tak, jakby nastąpiło rozpuszczenie”, co oznacza, że ​​atomy różnych typów oddziałują słabiej niż atomy tego samego typu. Teoria ta kontrastuje z prawami kombinacji lub równaniem Slatera-Kirkwooda używanym do rozwoju klasycznych pól sił. Prawa łączenia wskazują, że energia interakcji dwóch różnych atomów (takich jak C i N) jest średnią energii interakcji odpowiednich par atomów (tj. CC i NN). Zgodnie z teorią McLachlana interakcje między cząstkami w ośrodku mogą sięgać nawet całkowicie odpychających, jak to obserwuje się w ciekłym helu . Wnioski z teorii McLachlana są poparte bezpośrednimi pomiarami sił przyciągania między różnymi materiałami ( stała Hamakera ), jak stwierdził Jacob Israelachvili w swojej książce Siły międzycząsteczkowe i powierzchniowe . Stwierdzono, że „oddziaływanie między węglowodorami w wodzie stanowi około 10% interakcji w próżni”. Takie efekty nie są brane pod uwagę w klasycznej mechanice molekularnej.

Inny rodzaj krytyki pochodzi z praktycznych zastosowań, takich jak określanie struktury białek. Dlatego żaden z uczestników CASP nie próbował udoskonalać swoich modeli, aby uniknąć „poważnego wstydu dla mechaniki molekularnej, to znaczy faktu, że minimalizacja energii lub dynamiki molekularnej generalnie prowadzi do modelu mało zgodnego ze strukturą eksperymentu”. W rzeczywistości pola sił zostały z powodzeniem zastosowane w określaniu struktur białek w różnych zastosowaniach w dyfraktometrii rentgenowskiej i magnetycznym rezonansie jądrowym , na przykład z kodem XPLOR. Jednak te ustalenia opierają się na ograniczeniach eksperymentalnych, podczas gdy pola sił mają przede wszystkim na celu tłumienie interferencji atomowej. Wyniki obliczeń są praktycznie takie same w przypadku twardych potencjałów kuli (np. W kodzie DYANA, do obliczeń opartych na danych NMR) lub w programach udoskonalania krystalograficznego, które nie wykorzystują żadnej funkcji energii. Luki w polach sił pozostają wąskim gardłem w modelowaniu homologii białek. Sytuacja ta zapoczątkowała rozwój specyficznych funkcji punktacji empirycznej dla składania ligandów , fałdowania białek , numerycznej konstrukcji białek lub modelowania białek w błonach.

Istnieje również opinia, że ​​mechanika molekularna może działać z energią nieistotną dla fałdowania białek lub wiązania ligandów . Typowe parametry pola siły odtworzyć entalpię z sublimacji . Jednak fałdowanie białek lub wiązanie ligandów jest termodynamicznie bardzo podobne do krystalizacji lub przemian ciecz-ciało stałe, ponieważ procesy te tworzą „żel” ruchomych cząsteczek w skondensowanym ośrodku. Zatem zakłada się, że zmiany energii swobodnej podczas tych procesów reprezentują kombinację entalpii energii typu syntezy jądrowej , wkładu entropii konformacyjnej i swobodnej energii solwatacji . Entalpia topnienia jest znacznie mniejszy niż entalpii sublimacji. Dlatego potencjały opisujące fałdowanie białek lub wiązanie ligandów powinny być niższe niż potencjały w mechanice molekularnej. W rzeczywistości energia wiązań wodorowych w białkach wynosi ~ -1,5 kcal / mol, gdy są szacowane na podstawie inżynierii białek lub danych dotyczących przejścia między helisą alfa a kulą , ale jeśli oszacujemy te same wielkości z entalpii sublimacji cząsteczek kryształy mają od -4 do -6 kcal / mol. Głębokość zmodyfikowanych potencjałów Lennarda-Jonesa pochodzących z danych inżynierii białek jest również mniejsza niż w klasycznym polu siłowym i podlega prawu „jakby rozpuszczania”, na co wskazuje teoria McLachlana.

„Bieżące” pola siłowe

Skonstruowano różne pola sił, które można zastosować do różnych problemów.

W ten sposób Norman Allinger opracował pole MM2 początkowo do analizy konformacyjnej węglowodorów i innych małych cząsteczek organicznych. Został zaprojektowany w celu jak najdokładniejszego odtworzenia „kowalencyjnych” geometrii równowagi. Zawiera duży zestaw stale redefiniowanych i aktualizowanych parametrów dla różnych klas związków organicznych (MM3 i MM4).

Pole CFF zostało opracowane przez Wrshela, Lifsona i współpracowników jako ogólna metoda ujednolicania badań energii, struktur i wibracji cząsteczek i kryształów molekularnych. Program CFF, opracowany przez Levitta i Warshella, jest oparty na kartezjańskiej reprezentacji wszystkich atomów i służy jako podstawa dla wielu większych programów symulacyjnych.

Pole ECEPP zostało opracowane specjalnie do modelowania peptydów i białek. Wykorzystuje ustaloną geometrię reszt aminokwasowych w celu uproszczenia powierzchni energii potencjalnej . W ten sposób minimalizacja energii odbywa się w przestrzeni kątów skręcania białek. Pola MM2 i ECEPP obejmują potencjały wiązań wodorowych i potencjałów skrętnych do opisania rotacji wokół wiązań pojedynczych. Na przykład ECEPP / 3 został zintegrowany z wewnętrzną mechaniką współrzędnych i FANTOM.

Pola AMBER , CHARMM i GROMOS zostały po raz pierwszy opracowane dla dynamiki molekularnej makrocząsteczek, chociaż są one powszechnie używane do minimalizacji energii. Współrzędne wszystkich atomów są tam uważane za dowolne zmienne.

Klasyczne pola siłowe

Oto kilka „klasycznych” pól siłowych:

Pola siłowe drugiej generacji

Polaryzowalne pola sił oparte na indukowanych dipolach

Polaryzowalne pola sił w oparciu o ładunki punktowe

Polaryzowalne pola sił oparte na rozproszonych multipolach

Pola sił polaryzowalne na podstawie gęstości

Polaryzowalne pola sił w oparciu o teorię polaryzacji ogniw

Pola sił reaktywnych

Pola gruboziarniste

Inny

Modelowanie wody

Zbiór parametrów służących do modelowania wody lub roztworów wodnych (w zasadzie pola siłowego dla wody) nazywany jest modelem wody . Woda przyciąga wiele uwagi ze względu na swoje niezwykłe właściwości i główną rolę jako rozpuszczalnik. Zaproponowano wiele modeli wodnych, takich jak: TIP3P, TIP4P, SPC, Flexible SPC czy ST2.

Zobacz też

Uwagi i odniesienia

  1. (in) Ponder JW i Case DA. (2003) Pola sił do symulacji białek. Adv. Prot. Chem. 66: 27-85.
  2. (w) Warshel A, PK Sharma, Kato M i Parson WW (2006) Modeling Electrostatic Effects in Proteins. Biochim. Biophys. Acta 1764: 1647–1676.
  3. (en) Schutz CN. i Warshel A. 2001. Jakie są „stałe” dielektryczne białek i jak sprawdzać modele elektrostatyczne? Proteins 44: 400–417.
  4. (en) Israelachvili, J. 1992. międzycząsteczkowego powierzchniowych sił. Academic Press, San Diego.
  5. (w) Leckband, D. and Israelachvili, J. (2001) Intermolecular Forces in biology. Jedna czwarta. Obrót silnika. Biophys. 34: 105-267.
  6. (w) Koehl P. i M. Levitt (1999) Jaśniejsza przyszłość przewidywania struktury białek. Nature Struct. Biol. 6: 108-111.
  7. (w) Brunger AT i Adams PD. (2002) Dynamika molekularna zastosowana do udokładnienia struktury rentgenowskiej. Acc. Chem. Res. 35: 404-412.
  8. (w) Guntert P. (1998) Obliczanie struktury makrocząsteczek biologicznych na podstawie danych NMR. Jedna czwarta. Obrót silnika. Biophys. 31: 145-237.
  9. (w) Tramontano A. i V. Morea 2003. Ocena prognoz opartych na homologii w CASP5. Białka. 53: 352-368.
  10. (w) Gohlke H. and G. Klebe (2002) Podejścia do opisu i przewidywania powinowactwa wiązania drobnocząsteczkowych ligandów z receptorami makrocząsteczkowymi. Angew. Chem. Internat. Ed 41: 2644-2676.
  11. (en) Edgcomb SP. i Murphy KP. (2000) Energetyka strukturalna zwijania i wiązania białek. Bieżąca operacja Biotechnol. 11: 62-66.
  12. (w) Lazaridis T. i Karplus (2000) Efektywne funkcje energetyczne do przewidywania struktury białek. Curr. Op. Struct. Biol. 10: 139-145
  13. (w) Levitt and Mr. Warshel A. (1975) Computer Simulations of Protein Folding, Nature 253: 694-698
  14. (w) Gordon DB Marshall SA, SL i Mayo (1999) Funkcje energetyczne do projektowania białek. Curr. Op. Struct. Biol. 9: 509-513.
  15. (w) Mendes J. Guérois R, L i Serrano (2002) Oszacowanie energii w projektowaniu białek. Curr. Op. Struct. Biol. 12: 441-446.
  16. (w) Rohl CA, EMC Strauss, Misura KMS i Baker D. (2004) Protein structure prediction using Rosetta. Met. Enz. 383: 66-93.
  17. (w) Lomize AL Pogozheva ID Lomize MA, Mosberg HI (2006) Pozycjonowanie białek w membranach: podejście obliczeniowe. Protein Sci. 15, 1318-1333.
  18. (en) Lomize AL, Reibarkh MY i Pogozheva ID (2002) Międzyatomowe potencjały i parametry solwatacji z danych inżynierii białek dla zakopanych pozostałości. Protein Sci. 11: 1984-2000.
  19. (w) Murphy KP Gill i SJ 1991. Stałe związki modelowe i termodynamika rozkładania białek. J. Mol. Biol. , 222: 699-709.
  20. (w) Shakhnovich, EI i Finkelstein, AV (1989) Teoria kooperatywnych przejść w cząsteczkach białka. I. Dlaczego denaturacja białek globularnych jest przejściem fazowym pierwszego rzędu. Biopolymers 28: 1667-1680.
  21. (w) Graziano, G., Catanzano, F. Del Vecchio, P., Giancola, C. and Barone, G. (1996) Thermodynamic stabilnośc białek globularnych: wiarygodny model z badań małych cząsteczek. Gazetta Chim. Italiana 126: 559–567.
  22. (w) Myers i Pace CN JK (1996) Wiązanie wodorowe stabilizuje białka globularne, Biophys. J. 71: 2033-2039.
  23. (w) Scholtz JM, Marqusee S. Baldwin RL York EJ Stewart JM, Mr. Santoro i Bolen DW (1991) kalorymetryczne określenie zmian entalpii dla alfa-helisy do roku przejścia zwoju alaniny w wodzie. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 2854-2858.
  24. (w) Gavezotti Filippini A. i G. (1994) Geometry of intermolecular H ... Y (X, Y = N, O) hydrogen bond and the empiricalibration of hydrogen-bond statusts. J. Phys. Chem. 98: 4831-4837.
  25. (w) Norman L. Allinger. Analiza konformacyjna. 130. MM2. Węglowodorowe pole siłowe wykorzystujące warunki skręcania V1 i V2. J. Am Chem. Soc. 1977 , 99 , 8127-8134.
  26. (in) Strona główna MM2 i MM3
  27. (w) Allinger, NL, Yuh, YH i Lii, JH. (1989) Mechanika molekularna. Pole siłowe MM3 dla węglowodorów. 1. J. Am. Chem. Soc. 111, 8551-8565.
  28. (w) Lii, JH. I Allinger, NL (1989a) Molecular Mechanics. Pole siłowe MM3 dla węglowodorów. 2. Częstotliwości wibracyjne i termodynamika, J. Am. Chem. Soc. 111, 8566-8575.
  29. (w) Lii, JH. I Allinger, NL (1989b) Molecular Mechanics. Pole siłowe MM3 dla węglowodorów. 3. Dane van der Waalsa Potentials and Crystal for Aliphatic and Aromatic Hydrocarbons, J. Am. Chem. Soc. 111, 8576-8582.
  30. (w) Schaumann, T. Braun, W. and Wutrich, K. (1990) The program for energy FANTOM refinement of polipeptides and protein using a Newton-Raphson minimizer in torsion angle space. Biopolymers 29: 679–694.
  31. (en) Margit Möllhoff, Ulrich Sternberg (2001) Mechanika molekularna z fluktuującymi ładunkami atomowymi - nowe natężenie pola zależne od obliczeń półempirycznych J. Mol. Model. 7: 90-102
  32. (en) Warshel A (1973). Quantum Mechanical Consistent Force Field (QCFF / PI) Method: Calculations of Energy, Conformations and Vibronic Interactions of Ground and Excited States of Conjugated Molecules, Israel J. Chem. 11: 709.
  33. (w) Warshel A i M Levitt (1974). QCFF / PI: Program do oceny konsekwentnego pola sił w geometrii równowagowej i częstotliwości drgań cząsteczek, QCPE 247, program wymiany programów w dziedzinie chemii kwantowej, Uniwersytet Indiana.
  34. (w) Warshel A. and M. Levitt (1976) Theoretical Studies of Enzymatic Reactions: Dielectric Electrostatic and Steric Stabilization of the carbonium ion in the Reaction of Lysozyme, J. Mol. Biol. 103: 227-249
  35. (en) N. Gresh, GA Cisneros, TA Darden i JP Piquemal (2007) Anizotropowe, polaryzowalne badania mechaniki molekularnej interakcji między- i wewnątrzcząsteczkowych oraz kompleksów ligand-makrocząsteczka. Strategia oddolna, J. Chem. Teoria. Comput. 3: 1960
  36. (w) JP Santos, GA Cisneros, P. Reinhardt, N. Gresh i TA Darden (2006), Towards a Force Field is based Density Fitting., J. Chem. Fiz. 124: 104101
  37. (en) GA Cisneros, JP. Piquemal i TA Darden (2006), Generalization of the Gaussian Electrostatic Model: extension to arbitrary angular momentum, Distributed multipoles and speedup with reciprocal space methods, J. Chem. Fiz. 125: 184101
  38. (w) Ulrich Sternberg Frank-Thomas Koch i Möllhoff Margit (1994) New Approach to the semiempirical Calculation of Atomic Charges for polipeptides and Large Molecular Systems J. Comp. Chem. 15: 524-531
  39. (w) DWM Hofmann Kuleshova LN, B. Aguanno (2007) Nowy potencjał reaktywny do symulacji dynamiki molekularnej wody ciekłej. Chem.Phys.Lett. 448: 138-143
  40. (w) Korkut A, Hendrickson WA (2009) Siła pola dla mechaniki molekularnej wirtualnych atomów białek. Proc Natl Acad Sci USA 106: 15667–15672
<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">