Pole siłowe (chemia) - Force field (chemistry)

W celu zminimalizowania energii rozciągania wiązania tej cząsteczki etanu stosuje się pole siłowe.

W związku z chemii i modelowania molekularnego , A pole sił jest obliczeniowy sposób, który jest stosowany w celu oszacowania siły między atomów w cząsteczkach, a także między cząsteczkami. Dokładniej, w polu siły odnosi się do postaci funkcjonalnego i parametrów zestawów stosowanych do obliczania energii potencjalnej układu atomów lub cząstek gruboziarnistych w mechaniki molekularnej , dynamiki molekularnej lub Monte Carlo symulacji. Parametry wybranej funkcji energii mogą być wyprowadzone z eksperymentów fizyki i chemii , obliczeń mechaniki kwantowej lub obu. Pola sił są potencjałami międzyatomowymi i wykorzystują tę samą koncepcję, co pola sił w fizyce klasycznej , z tą różnicą, że parametry pola sił w chemii opisują krajobraz energetyczny, z którego siły działające na każdą cząstkę są wyprowadzane jako gradient energii potencjalnej z względem współrzędnych cząstek.

Wszystkie atom obszary przejściowe stanowią parametry dla każdego typu atomie w układzie, w tym wodoru , a zjednoczonych atom cząsteczkowych potencjał w leczeniu wodoru i atomów węgla w grupach metylowych oraz mostków metylenowych jak jednym centrum oddziaływania. Potencjały gruboziarniste , które są często wykorzystywane w długotrwałych symulacjach makrocząsteczek, takich jak białka , kwasy nukleinowe i wieloskładnikowe kompleksy, poświęcają szczegóły chemiczne na rzecz wyższej wydajności obliczeniowej.

Forma funkcjonalna

Funkcja energii potencjalnej mechaniki molekularnej z rozpuszczalnikiem ciągłym.

Podstawowa funkcjonalna forma energii potencjalnej w mechanice molekularnej obejmuje terminy związane dla oddziaływań atomów, które są połączone wiązaniami kowalencyjnymi , oraz terminy niezwiązane (nazywane również niekowalencyjnymi ), które opisują siły elektrostatyczne dalekiego zasięgu i siły van der Waalsa . Konkretny rozkład terminów zależy od pola sił, ale ogólną postać całkowitej energii w addytywnym polu sił można zapisać jako

${\ Displaystyle \ E_ {\ tekst {całkowita}} = E_ {\ tekst {związany}} + E_ {\ tekst {niezwiązany}}}$

gdzie składniki wkładu kowalencyjnego i niekowalencyjnego są podane przez następujące sumy:

${\ Displaystyle \ E_ {\ tekst {spojony}} = E_ {\ tekst {wiązanie}} + E_ {\ tekst {kąt}} + E_ {\ tekst {dwuścienny}}}$

${\ Displaystyle \ E_ {\ tekst {niezwiązany}} = E_ {\ tekst {elektrostatyczny}} + E_ {\ tekst {van der Waals}}}$

Warunki wiązania i kąta są zwykle modelowane przez kwadratowe funkcje energii, które nie pozwalają na zerwanie wiązania. Bardziej realistyczny opis wiązania kowalencyjnego przy większym rozciąganiu dostarcza droższy potencjał Morse'a . Forma funkcjonalna energii dwuściennej jest zmienna w zależności od pola siłowego. Dodatkowe terminy „niewłaściwe skręcanie” mogą być dodane w celu wymuszenia płaskości pierścieni aromatycznych i innych układów sprzężonych , oraz terminy „krzyżowe”, które opisują sprzężenie różnych zmiennych wewnętrznych, takich jak kąty i długości wiązań. Niektóre pola sił zawierają również wyraźne określenia dla wiązań wodorowych .

Terminy niezwiązane są najbardziej intensywne obliczeniowo. Popularnym wyborem jest ograniczenie interakcji do energii par. Termin van der Waalsa jest zwykle obliczany z potencjałem Lennarda-Jonesa, a termin elektrostatyczny z prawem Coulomba . Jednak oba mogą być buforowane lub skalowane przez stały współczynnik, aby uwzględnić polaryzację elektronów . Badania nad tą ekspresją energii koncentrowały się na biocząsteczkach od lat 70. XX wieku i zostały uogólnione na związki w układzie okresowym na początku XXI wieku, w tym metale, ceramikę, minerały i związki organiczne.

Rozciąganie wiązania

Ponieważ obligacje rzadko odbiegają znacząco od wartości referencyjnych, najbardziej uproszczone podejścia wykorzystują wzór prawa Hooke'a :

${\ Displaystyle E_ {\ tekst {wiązanie}} = {\ Frac {k_ {ij}} {2}} (l_ {ij}-l_ {0, ij}) ^ {2}}$

Gdzie jest stała siły, jest długością wiązania i jest wartością długości wiązania między atomami i gdy wszystkie inne warunki w polu siły są ustawione na 0. Termin ten jest często określany jako długość wiązania równowagowego, co może powodować zamieszanie . Równowagowa długość wiązania jest wartością przyjętą w równowadze w 298 K z udziałem wszystkich innych warunków pola siłowego i energii kinetycznej. Dlatego często różni się o kilka procent od rzeczywistej długości wiązania w eksperymentach w 298 K. ${\displaystyle k_{ij}}$${\displaystyle l_{ij}}$${\displaystyle l_{0,ij}}$${\displaystyle i}$${\ Displaystyle j}$${\displaystyle l_{0,ij}}$${\displaystyle l_{0,ij}}$

Stałą rozciągania wiązania można określić na podstawie eksperymentalnego widma w podczerwieni, widma Ramana lub wysokopoziomowych obliczeń mechaniki kwantowej . Stała wyznacza częstotliwości drgań w symulacjach dynamiki molekularnej . Im silniejsze jest wiązanie między atomami, tym wyższa jest wartość stałej siły i wyższa liczba falowa (energia) w widmie IR/Raman. Widmo drgań zgodnie z daną stałą siły można obliczyć z krótkich trajektorii MD (5 ps) z krokami czasowymi ~1 fs, obliczeniem funkcji autokorelacji prędkości i jej transformaty Fouriera. ${\displaystyle k_{ij}}$${\displaystyle k_{ij}}$

Chociaż formuła prawa Hooke'a zapewnia rozsądny poziom dokładności przy długościach wiązań w pobliżu odległości równowagowej, jest mniej dokładna w miarę oddalania się. Aby lepiej modelować krzywą Morse'a można zastosować potęgi sześcienne i wyższe. Jednak w większości zastosowań praktycznych różnice te są nieistotne, a niedokładności w przewidywaniach długości wiązań są rzędu tysięcznych angstremów, co jest również granicą wiarygodności dla wspólnych pól sił. Potencjał Morse'a mogą być stosowane zamiast, aby umożliwić zerwanie wiązania i większą dokładność, chociaż jest to mniej efektywne obliczeniowej.

Oddziaływania elektrostatyczne

Oddziaływania elektrostatyczne są reprezentowane przez energię kulombowska, która wykorzystuje ładunki atomowe do reprezentowania wiązań chemicznych w zakresie od kowalencyjnych do polarnych kowalencyjnych i jonowych . Typową formułą jest prawo Coulomba : ${\displaystyle q_{i}}$

${\ Displaystyle E_ {\ tekst {kulomb}} = {1 \ ponad 4 \ pi \ varepsilon _ {0}} {\ Frac {q_ {i} q_ {j}} {r_ {ij}}}}$

Gdzie jest odległość między dwoma atomami i . Całkowita energia kulombowska jest sumą wszystkich par połączonych atomów i zwykle wyklucza 1, 2 związane atomy, 1, 3 związane atomy, jak również 1,4 związanych atomów. ${\displaystyle r_{ij}}$${\displaystyle i}$${\ Displaystyle j}$

Ładunki atomowe mogą mieć dominujący wkład w energię potencjalną, zwłaszcza w przypadku cząsteczek polarnych i związków jonowych, i mają kluczowe znaczenie dla symulacji geometrii, energii interakcji, a także reaktywności. Przypisanie ładunków atomowych często nadal odbywa się zgodnie z empirycznymi i niewiarygodnymi protokołami mechaniki kwantowej, które często prowadzą do kilku 100% niepewności w odniesieniu do fizycznie uzasadnionych wartości zgodnie z eksperymentalnymi momentami dipolowymi i teorią. Opracowano powtarzalne ładunki atomowe dla pól siłowych w oparciu o dane eksperymentalne dotyczące gęstości deformacji elektronów, wewnętrznych momentów dipolowych oraz modelu Extended Born. Niepewności <10% lub ±0,1e umożliwiają spójną reprezentację wiązań chemicznych i do stu razy większą dokładność obliczanych struktur i energii wraz z fizyczną interpretacją innych parametrów w polu siłowym.

Parametryzacja

Oprócz funkcjonalnej postaci potencjałów, pola sił definiują zestaw parametrów dla różnych typów atomów, wiązań chemicznych, kątów dwuściennych, oddziaływań poza płaszczyzną, oddziaływań bez wiązań i możliwych innych terminów. Wiele zestawów parametrów ma charakter empiryczny, a niektóre pola siłowe wykorzystują obszerne terminy dopasowania, które trudno przypisać do fizycznej interpretacji. Typy atomów są definiowane dla różnych pierwiastków, jak również dla tych samych pierwiastków w wystarczająco różnych środowiskach chemicznych. Na przykład atomy tlenu w wodzie i atomy tlenu w karbonylowej grupie funkcyjnej są klasyfikowane jako różne typy pól siłowych. Typowe zestawy parametrów pola siły zawierają wartości masy atomowej , za atomowej , parametry Lennard-Jones każdy rodzaj atomów, a także wartości równowagowe długości wiązań , kąty wiązań i kąty dwuścienne . Terminy związane odnoszą się do par, trojaczków i kwadrupletów związanych atomów i zawierają wartości efektywnej stałej sprężystości dla każdego potencjału. Większość aktualnych parametrów pól sił wykorzystuje model o stałym ładunku , w którym każdemu atomowi przypisuje się jedną wartość ładunku atomowego , na który nie ma wpływu lokalne środowisko elektrostatyczne .

Parametryzacja pola sił dla symulacji z maksymalną dokładnością i możliwością przenoszenia, np. IFF, odbywa się zgodnie z dobrze zdefiniowanym protokołem. Przepływ pracy może obejmować (1) uzyskanie rentgenowskiej struktury krystalicznej lub wzoru chemicznego, (2) zdefiniowanie typów atomów, (3) uzyskanie ładunków atomowych, (4) przypisanie początkowych parametrów Lennarda-Jonesa i parametrów wiązań, (5) testy obliczeniowe gęstość i geometrii w stosunku do eksperymentalnych danych odniesienia (6), obliczeniowe badania właściwości energetycznych ( energia powierzchniowa , energia hydratacji ) w porównaniu z danymi referencyjnymi eksperymentalne (7) wtórne atestacji i rozszerzających (właściwości termiczne, mechaniczne i dyfuzyjne). Główne pętle iteracyjne występują między krokami (5) i (4) oraz między (6) i (4)/(3). Interpretacja chemiczna parametrów i wiarygodne doświadczalne dane referencyjne odgrywają kluczową rolę.

Parametry symulacji molekularnych makrocząsteczek biologicznych, takich jak białka , DNA i RNA , często wyprowadzano z obserwacji małych cząsteczek organicznych , które są bardziej dostępne do badań eksperymentalnych i obliczeń kwantowych. W związku z tym pojawia się wiele problemów, takich jak (1) niewiarygodne ładunki atomowe z obliczeń kwantowych mogą wpływać na wszystkie obliczone właściwości i spójność wewnętrzną, (2) dane pochodzące z mechaniki kwantowej dla cząsteczek w fazie gazowej mogą nie być przenoszone do symulacji w skondensowanej (3) wykorzystanie danych dla małych cząsteczek i zastosowanie w większych strukturach polimerowych wiąże się z niepewnością, (4) odmienne dane doświadczalne ze zróżnicowaną dokładnością i stanami odniesienia (np. temperatura) mogą powodować odchylenia. W rezultacie zgłoszono rozbieżne parametry pola siłowego dla cząsteczek biologicznych. Doświadczalne dane odniesienia obejmują, na przykład, entalpia od parowania ( OPLS ) entalpii z sublimacji , momentów dipolowych i różnych parametrów spektralnych. Niespójności można przezwyciężyć, interpretując wszystkie parametry pola siłowego i wybierając spójny stan odniesienia, na przykład temperaturę pokojową i ciśnienie atmosferyczne.

Kilka pól sił obejmuje również brak jasnego uzasadnienia chemicznego, protokół parametryzacji, niepełną walidację kluczowych właściwości (struktur i energii), brak interpretacji parametrów oraz omówienie niepewności. W takich przypadkach zgłaszano duże, losowe odchylenia obliczonych właściwości.

Metody

Niektóre pola sił zawierają wyraźne modele polaryzowalności , w których na ładunek efektywny cząstki mogą wpływać oddziaływania elektrostatyczne z jej sąsiadami. Powszechne są modele typu rdzeń-powłoka, które składają się z dodatnio naładowanej cząstki rdzenia, reprezentującej polaryzowalny atom, oraz ujemnie naładowanej cząstki przyłączonej do atomu rdzenia poprzez sprężynowy potencjał oscylatora harmonicznego . Ostatnie przykłady obejmują modele polaryzowalne z wirtualnymi elektronami, które odtwarzają ładunki obrazu w metalach i polaryzowalne pola sił biomolekularnych. Dodając takie stopnie swobody dla polaryzowalności, interpretacja parametrów staje się trudniejsza i zwiększa ryzyko arbitralnych parametrów dopasowania i zmniejszonej kompatybilności. Koszt obliczeniowy wzrasta ze względu na konieczność wielokrotnego obliczania lokalnego pola elektrostatycznego.

Modele polaryzowalne sprawdzają się dobrze, gdy wychwytują istotne cechy chemiczne, a ładunek atomowy netto jest stosunkowo dokładny (w granicach ±10%). W ostatnich czasach takie modele zostały błędnie nazwane „potencjałami drude oscylatora”. Odpowiednim terminem dla tych modeli jest „modele oscylatora Lorentza”, ponieważ Lorentz zamiast Drude zaproponował jakąś formę przyłączenia elektronów do jąder. Modele Drudego zakładają nieograniczony ruch elektronów, np. swobodny gaz elektronów w metalach.

Parametryzacja

Historycznie stosowano wiele podejść do parametryzacji pola siłowego. Wiele klasycznych pól siłowych opierało się na stosunkowo nieprzejrzystych protokołach parametryzacji, na przykład przy użyciu przybliżonych obliczeń mechaniki kwantowej, często w fazie gazowej, z oczekiwaniem pewnej korelacji z właściwościami fazy skondensowanej i empirycznych modyfikacji potencjałów w celu dopasowania obserwacji doświadczalnych. Protokoły mogą nie być odtwarzalne, a półautomatyzacja często odgrywała rolę w generowaniu parametrów, optymalizacji pod kątem szybkiego generowania parametrów i szerokiego zakresu, a nie spójności chemicznej, interpretowalności, niezawodności i trwałości.

Podobne, jeszcze bardziej zautomatyzowane narzędzia stały się ostatnio dostępne do parametryzacji nowych pól sił i pomocy użytkownikom w opracowaniu własnych zestawów parametrów dla chemii, które nie są do tej pory sparametryzowane. Wysiłki zmierzające do dostarczenia kodów i metod open source obejmują openMM i openMD . Zastosowanie półautomatyki lub pełnej automatyzacji, bez wkładu wiedzy chemicznej, prawdopodobnie zwiększy niespójności na poziomie ładunków atomowych, przy przypisywaniu pozostałych parametrów i prawdopodobnie osłabi interpretowalność i wydajność parametrów.

Pole siłowe interfejsu (IFF) zakłada jedno wyrażenie energii dla wszystkich związków w całym okresie (z opcjami 9-6 i 12-6 LJ) i wykorzystuje rygorystyczną walidację ze znormalizowanymi protokołami symulacji, które umożliwiają pełną interpretację i zgodność parametrów, jak również jak wysoka dokładność i dostęp do nieograniczonych kombinacji związków.

Możliwość przenoszenia

Formy funkcjonalne i zestawy parametrów zostały zdefiniowane przez twórców potencjałów międzyatomowych i charakteryzują się zmiennym stopniem spójności i możliwości przenoszenia. Gdy formy funkcjonalne terminów potencjalnych różnią się, parametry z jednej funkcji potencjału międzyatomowego zazwyczaj nie mogą być używane razem z inną funkcją potencjału międzyatomowego. W niektórych przypadkach modyfikacje mogą być dokonywane przy niewielkim wysiłku, na przykład między 9-6 potencjałami Lennarda-Jonesa a 12-6 potencjałami Lennarda-Jonesa. Przejście z potencjałów Buckinghama do potencjałów harmonicznych lub z wbudowanych modeli atomowych do potencjałów harmonicznych, wręcz przeciwnie, wymagałoby wielu dodatkowych założeń i może nie być możliwe.

Ograniczenia

Wszystkie potencjały międzyatomowe oparte są na przybliżeniach i danych eksperymentalnych, dlatego często określane są jako empiryczne . Wydajność waha się od większej dokładności niż w obliczeniach teorii funkcjonału gęstości , z dostępem do milionów razy większych systemów i skal czasowych, po losowe domysły w zależności od pola sił. Zastosowanie dokładnych reprezentacji wiązań chemicznych, w połączeniu z odtwarzalnymi danymi eksperymentalnymi i walidacją, może prowadzić do trwałych potencjałów międzyatomowych wysokiej jakości przy znacznie mniejszej liczbie parametrów i założeń w porównaniu z metodami kwantowymi na poziomie DFT.

Możliwe ograniczenia obejmują ładunki atomowe, zwane również ładunkami punktowymi. Większość pól sił opiera się na ładunkach punktowych, aby odtworzyć potencjał elektrostatyczny wokół cząsteczek, co działa gorzej w przypadku anizotropowych rozkładów ładunków. Rozwiązaniem jest to, że ładunki punktowe mają jasną interpretację, a wirtualne elektrony można dodać, aby uchwycić podstawowe cechy struktury elektronowej, taką dodatkową polaryzowalność w układach metalicznych w celu opisania potencjału obrazu, wewnętrzne momenty multipolowe w układach π-sprzężonych i samotne pary w wodzie. Elektroniczna polaryzacja otoczenia może być lepiej uwzględniona przez zastosowanie polaryzowalnych pól siłowych lub użycie makroskopowej stałej dielektrycznej . Jednak zastosowanie jednej wartości stałej dielektrycznej jest zgrubnym przybliżeniem w wysoce niejednorodnym środowisku białek, błon biologicznych, minerałów lub elektrolitów.

Wszystkie rodzaje sił van der Waalsa są również silnie zależne od środowiska, ponieważ siły te pochodzą z interakcji indukowanych i „chwilowych” dipoli (patrz Siła międzycząsteczkowa ). Oryginalna teoria tych sił Fritza Londona ma zastosowanie tylko w próżni. Bardziej ogólna teoria sił van der Waalsa w skondensowanych mediach została opracowana przez AD McLachlana w 1963 roku i zawierała oryginalne podejście londyńskie jako przypadek szczególny. Teoria McLachlana przewiduje, że przyciąganie van der Waalsa w mediach jest słabsze niż w próżni i postępuje zgodnie z zasadą podobnego rozwiązania , co oznacza, że ​​różne typy atomów oddziałują słabiej niż atomy identyczne. Stoi to w kontraście do reguł kombinatorycznych lub równania Slatera-Kirkwooda stosowanego do rozwoju klasycznych pól siłowych. Kombinatoryczne przepisy stanowią, że energia interakcji z dwóch odmiennych węgla (na przykład, C ... n) jest średnią energii interakcji z odpowiadającym identyczne pary atom (tj, C ... C i N ... n). Zgodnie z teorią McLachlana oddziaływania cząstek w ośrodkach mogą być nawet w pełni odpychające, co obserwuje się dla ciekłego helu , jednak brak parowania i obecność punktu zamarzania przeczy teorii oddziaływań czysto odpychających. Pomiary sił przyciągania pomiędzy różnymi materiałami ( stała Hamakera ) zostały wyjaśnione przez Jacoba Israelachvili . Na przykład „ oddziaływanie węglowodorów w wodzie wynosi około 10% tego w próżni ”. Takie efekty są reprezentowane w dynamice molekularnej poprzez interakcje parami, które są przestrzennie bardziej gęste w fazie skondensowanej w stosunku do fazy gazowej i odtwarzane po walidacji parametrów dla wszystkich faz w celu odtworzenia wiązań chemicznych, gęstości i energii spójności/powierzchniowej.

W udoskonalaniu struktury białek silnie odczuwane są ograniczenia. Głównym wyzwaniem leżącym u podstaw jest ogromna przestrzeń konformacyjna cząsteczek polimerowych, która przekracza obecną wykonalność obliczeniową, gdy zawiera ponad ~20 monomerów. Uczestnicy Critical Assessment of Protein Structure Prediction ( CASP ) nie próbowali udoskonalać swoich modeli, aby uniknąć „ głównego zakłopotania mechaniki molekularnej, a mianowicie tego, że minimalizacja energii lub dynamika molekularna generalnie prowadzą do modelu, który jest mniej podobny do struktury eksperymentalnej ”. Pola siłowe zostały z powodzeniem zastosowane do udoskonalenia struktury białek w różnych zastosowaniach krystalografii rentgenowskiej i spektroskopii NMR , zwłaszcza przy użyciu programu XPLOR. Jednak udoskonalenie jest napędzane głównie przez zestaw ograniczeń eksperymentalnych, a potencjały międzyatomowe służą głównie do usuwania przeszkód międzyatomowych. Wyniki obliczeń były praktycznie takie same z potencjałami sztywnych kul zaimplementowanych w programie DYANA (obliczenia z danych NMR) lub z programami do udokładniania krystalograficznego, które w ogóle nie wykorzystują funkcji energetycznych. Te niedociągnięcia są związane z potencjałami międzyatomowymi i niemożnością skutecznego próbkowania przestrzeni konformacyjnej dużych cząsteczek. W związku z tym również opracowanie parametrów do rozwiązywania takich problemów o dużej skali wymaga nowego podejścia. Specyficznym obszarem problemowym jest modelowanie homologiczne białek. W międzyczasie opracowano alternatywne empiryczne funkcje punktacji do dokowania ligandów , fałdowania białek , udoskonalania modelu homologii, projektowania białek obliczeniowych i modelowania białek w błonach.

Argumentowano również, że niektóre pola siłowe białek działają z energiami, które są nieistotne dla fałdowania białek lub wiązania ligandów. Parametry białek siłę pola odtworzenia entalpii z sublimacji , to znaczy energię parowania kryształów molekularnych. Jednak fałdowanie białek i wiązanie ligandów są termodynamicznie bliższe krystalizacji lub przemianom ciecz-ciało stałe, ponieważ procesy te reprezentują zamrażanie ruchomych cząsteczek w skondensowanych ośrodkach. Oczekuje się zatem, że zmiany energii swobodnej podczas fałdowania białka lub wiązania liganda będą stanowić połączenie energii podobnej do ciepła fuzji (energia pochłonięta podczas topienia kryształów molekularnych), wkładu konformacyjnej entropii i energii swobodnej solwatacji . Ciepło topnienia jest znacznie mniejszy niż entalpii sublimacji. Stąd potencjały opisujące fałdowanie białka lub wiązanie ligandu wymagają bardziej spójnych protokołów parametryzacji, np. jak opisano dla IFF. Rzeczywiście, energie wiązań H w białkach wynoszą ~-1,5 kcal/mol, gdy oszacowano je na podstawie inżynierii białek lub danych dotyczących przejścia alfa helisy w cewkę , ale te same energie oszacowane na podstawie entalpii sublimacji kryształów molekularnych wynosiły od -4 do -6 kcal/mol , co wiąże się z przekształceniem istniejących wiązań wodorowych i nietworzeniem wiązań wodorowych od podstaw. Głębokość zmodyfikowanych potencjałów Lennarda-Jonesa pochodzących z danych inżynierii białek była również mniejsza niż w typowych parametrach potencjału i przestrzegała podobnej zasady, jak przewiduje teoria McLachlana.

Szeroko stosowane pola siłowe

Różne pola siłowe są przeznaczone do różnych celów. Wszystkie realizowane są w różnych programach komputerowych .

MM2 został opracowany przez Normana Allingera głównie do analizy konformacyjnej węglowodorów i innych małych cząsteczek organicznych. Został zaprojektowany tak, aby jak najdokładniej odtworzyć równowagową kowalencyjną geometrię cząsteczek. Implementuje duży zestaw parametrów, które są stale udoskonalane i aktualizowane dla wielu różnych klas związków organicznych (MM3 i MM4).

CFF został opracowany przez Arieha Warshela , Lifsona i współpracowników jako ogólna metoda ujednolicenia badań energii, struktur i wibracji ogólnych cząsteczek i kryształów molekularnych. Program CFF, opracowany przez Levitta i Warshela, opiera się na kartezjańskiej reprezentacji wszystkich atomów i służył jako podstawa wielu późniejszych programów symulacyjnych.

ECEPP został opracowany specjalnie do modelowania peptydów i białek. Wykorzystuje ustalone geometrie reszt aminokwasowych, aby uprościć potencjalną powierzchnię energii. Tym samym minimalizacja energii odbywa się w przestrzeni kątów torsyjnych białek. Zarówno MM2, jak i ECEPP zawierają potencjały wiązań H i potencjały skręcania do opisywania obrotów wokół pojedynczych wiązań. ECEPP/3 został zaimplementowany (z pewnymi modyfikacjami) w Internal Coordinate Mechanics i FANTOM.

AMBER , CHARMM i GROMOS zostały opracowane głównie z myślą o dynamice molekularnej makrocząsteczek, chociaż są również powszechnie stosowane do minimalizacji energii. Zatem współrzędne wszystkich atomów są uważane za zmienne swobodne.

Pole siłowe interfejsu (IFF) zostało opracowane jako pierwsze spójne pole siłowe dla związków w układzie okresowym. Pokonuje znane ograniczenia przypisywania stałych ładunków, wykorzystuje standardowe warunki jako stan odniesienia, odtwarza struktury, energie i pochodne energii oraz określa ilościowo ograniczenia dla wszystkich zawartych związków. Jest kompatybilny z wieloma polami siłowymi do symulacji materiałów hybrydowych (CHARMM, AMBER, OPLS-AA, CFF, CVFF, GROMOS).

Klasyczny

• AMBER (Assisted Model Building and Energy Refinement) – szeroko stosowany do białek i DNA.
• CFF (Consistent Force Field) – rodzina pól siłowych przystosowana do szerokiej gamy związków organicznych, obejmująca pola siłowe dla polimerów, metali itp.
• CHARMM (Chemistry at HARvard Molecular Mechanics) – pierwotnie opracowany na Harvardzie, szeroko stosowany zarówno do małych cząsteczek, jak i makrocząsteczek
• COSMOS-NMR – hybrydowe pole siłowe QM/MM dostosowane do różnych związków nieorganicznych, organicznych i makrocząsteczek biologicznych, w tym półempiryczne obliczanie właściwości ładunków atomowych NMR. COSMOS-NMR jest zoptymalizowany pod kątem określania struktury w oparciu o NMR i zaimplementowany w pakiecie do modelowania molekularnego COSMOS.
• CVFF – również szeroko stosowany do małych cząsteczek i makrocząsteczek.
• ECEPP – pierwsze pole siłowe dla cząsteczek polipeptydowych – opracowane przez FA Momany, HA Scheragę i współpracowników.
• GROMOS (GROningen MOlecular Simulation) – pole siłowe, które jest częścią oprogramowania GROMOS, pakietu komputerowego ogólnego przeznaczenia do symulacji dynamiki molekularnej do badania układów biomolekularnych. Wersja A pola siłowego GROMOS została opracowana do stosowania w wodnych lub apolarnych roztworach białek, nukleotydów i cukrów. Dostępna jest również wersja B do symulacji cząsteczek izolowanych w fazie gazowej.
• IFF (Interface Force Field) – pierwsze pole siłowe obejmujące metale, minerały, materiały 2D i polimery na jednej platformie z najnowocześniejszą dokładnością i kompatybilnością z wieloma innymi polami siłowymi (CHARMM, AMBER, OPLS-AA, CFF, CVFF, GROMOS ), zawiera opcje 12-6 LJ i 9-6 LJ
• MMFF ( Merck Molecular Force Field ) – opracowany w Merck dla szerokiej gamy cząsteczek.
• OPLS (Optimized Potential for Liquid Simulations) (warianty obejmują OPLS-AA, OPLS-UA, OPLS-2001, OPLS-2005, OPLS3e, OPLS4) – opracowany przez Williama L. Jorgensena na Wydziale Chemii Uniwersytetu Yale.
• QCFF/PI – Ogólne pola siłowe dla sprzężonych cząsteczek.
• UFF ( Universal Force Field ) – Ogólne pole siłowe z parametrami dla pełnego układu okresowego pierwiastków włącznie z aktynoidami, opracowane na Uniwersytecie Stanowym Kolorado. Wiadomo, że wiarygodność jest niska ze względu na brak walidacji i interpretacji parametrów dla prawie wszystkich zastrzeganych związków, zwłaszcza metali i związków nieorganicznych.

Polaryzowalny

• BURSZTYN – polaryzowalne pole siłowe opracowane przez Jima Caldwella i współpracowników.
• AMOEBA (Atomic Multipole Optimized Energetics for Biomolecular Applications) – pole siłowe opracowane przez Pengyu Ren (University of Texas w Austin) i Jaya W. Pondera (Washington University). Pole siłowe AMOEBA stopniowo przechodzi do bardziej bogatej w fizykę AMOEBA+.
• CHARMM – polaryzowalne pole siłowe opracowane przez S. Patela (University of Delaware) i CL Brooks III (University of Michigan). Oparty na klasycznym oscylatorze Drude opracowanym przez A. MacKerella (University of Maryland, Baltimore) i B. Roux (University of Chicago).
• CFF/ind i ENZYMIX – pierwsze polaryzowalne pole siłowe, które zostało następnie wykorzystane w wielu zastosowaniach w układach biologicznych.
• COSMOS-NMR (Computer Simulation of Molecular Structure) – opracowany przez Ulricha Sternberga i współpracowników. Hybrydowe pole siłowe QM/MM umożliwia jawne obliczenia kwantowo-mechaniczne właściwości elektrostatycznych przy użyciu orbitali zlokalizowanych wiązań z szybkim formalizmem BPT. Fluktuacja ładunku atomowego jest możliwa na każdym etapie dynamiki molekularnej.
• DRF90 opracowany przez P. Th. van Duijnena i współpracowników.
• IFF (Interface Force Field) – obejmuje polaryzowalność dla metali (Au, W) i cząsteczek sprzężonych z pi
• NEMO (Non-Empirical Molecular Orbital) – procedura opracowana przez Gunnara Karlströma i współpracowników z Uniwersytetu w Lund (Szwecja)
• PIPF – polaryzowalny potencjał międzycząsteczkowy płynów to indukowane punktowe pole sił dipolowych dla cieczy organicznych i biopolimerów. Polaryzacja molekularna jest oparta na modelu interakcji dipolowych (TID) Thole'a i została opracowana przez Jiali Gao Gao Research Group | na Uniwersytecie Minnesota.
• Polarizable Force Field (PFF) – opracowany przez Richarda A. Friesnera i współpracowników.
• SP-basis Chemical Potential Equalization (CPE) – podejście opracowane przez R. Chelli i P. Procacci.
• PHAST - polaryzowalny potencjał opracowany przez Chrisa Cioce i współpracowników.
• ORIENT – procedura opracowana przez Anthony'ego J. Stone'a (Cambridge University) i współpracowników.
• Gaussian Electrostatic Model (GEM) – polaryzowalne pole siłowe oparte na Density Fitting opracowanej przez Thomasa A. Dardena i G. Andrésa Cisnerosa z NIEHS; oraz Jean-Philip Piquemal na Uniwersytecie Paris VI.
• Atomistyczny potencjał polaryzacyjny dla cieczy, elektrolitów i polimerów (APPLE&P), opracowany przez Olega Borogina, Dmitrija Bedrova i współpracowników, dystrybuowany przez Wasatch Molecular Incorporated.
• Polaryzacyjna procedura oparta na podejściu Kim-Gordon opracowanym przez Jürga Huttera i współpracowników (Uniwersytet w Zurychu)
• GFN-FF (Geometry, Frequency, and Noncovalent Interaction Force-Field) — całkowicie zautomatyzowane, częściowo polaryzowalne ogólne pole siłowe do dokładnego opisu struktur i dynamiki dużych cząsteczek w układzie okresowym, opracowane przez Stefana Grimme i Sebastiana Spichera na Uniwersytecie z Bonn.

Reaktywny

• EVB ( empiryczne wiązanie walencyjne ) – to reaktywne pole siłowe, wprowadzone przez Warshela i współpracowników, jest prawdopodobnie najbardziej niezawodnym i fizycznie spójnym sposobem wykorzystania pól siłowych do modelowania reakcji chemicznych w różnych środowiskach. EVB ułatwia obliczanie energii swobodnej aktywacji w fazach skondensowanych i enzymach.
• ReaxFF – reaktywne pole siłowe (potencjał międzyatomowy) opracowane przez Adri van Duina, Williama Goddarda i współpracowników. Jest wolniejszy niż klasyczny MD (50x), wymaga zestawów parametrów z określoną walidacją i nie ma walidacji dla energii powierzchniowych i międzyfazowych. Parametry nie podlegają interpretacji. Może służyć do dynamicznych symulacji reakcji chemicznych w skali atomowej. Zrównoleglony ReaxFF umożliwia reaktywne symulacje >>1 000 000 atomów na dużych superkomputerach.

Gruboziarnisty

• DPD ( Dissipative cząstek dynamics ) - Jest to metoda powszechnie stosowana w inżynierii chemicznej. Jest zwykle używany do badania hydrodynamiki różnych płynów prostych i złożonych, które wymagają uwzględnienia większych skal czasu i długości niż te dostępne dla klasycznej dynamiki molekularnej . Potencjał został pierwotnie zaproponowany przez Hoogerbrugge i Koelmana, z późniejszymi modyfikacjami wprowadzonymi przez Española i Warrena. Obecny stan wiedzy został dobrze udokumentowany w warsztacie CECAM w 2008 roku. Ostatnio podjęto prace nad uchwyceniem niektórych podtytułów chemicznych związanych z roztworami. Doprowadziło to do prac nad zautomatyzowaną parametryzacją potencjałów interakcji DPD w stosunku do eksperymentalnych obserwacji.
• MARTINI – gruboziarnisty potencjał opracowany przez Marrinka i współpracowników z Uniwersytetu w Groningen , początkowo opracowany do symulacji dynamiki molekularnej lipidów, później rozszerzony na różne inne cząsteczki. Pole siłowe stosuje mapowanie czterech ciężkich atomów do jednego miejsca oddziaływania CG i jest sparametryzowane w celu odtworzenia właściwości termodynamicznych.
• SIRAH – gruboziarniste pole siłowe opracowane przez Pantano i współpracowników z Biomolecular Simulations Group, Institut Pasteur of Montevideo, Urugwaj; opracowany z myślą o dynamice molekularnej wody, DNA i białek. Bezpłatnie dostępne dla pakietów AMBER i GROMACS.
• VAMM (Virtual atom molekularnej mechanika) – gruboziarniste pole siłowe opracowane przez Korkuta i Hendricksona do obliczeń mechaniki molekularnej, takich jak wielkoskalowe przejścia konformacyjne oparte na wirtualnych interakcjach atomów C-alfa. Jest to oparte na wiedzy pole siłowe, opracowane w celu wychwytywania cech zależnych od struktury drugorzędowej i informacji kontaktowych specyficznych dla pozostałości w białkach.

Nauczanie maszynowe

• ANI to przenaszalny potencjał sieci neuronowej, zbudowany z wektorów środowiska atomowego i zdolny do zapewnienia dokładności DFT pod względem energii.
• FFLUX (pierwotnie QCTFF) Zestaw wyszkolonych modeli Kriginga , które działają razem, aby zapewnić molekularne pole sił wyszkolone na atomach w molekułach lub terminach energetycznych topologii kwantowej, w tym elektrostatycznej, wymiany i korelacji elektronowej.
• TensorMol, model mieszany, sieć neuronowa zapewnia potencjał krótkiego zasięgu, podczas gdy bardziej tradycyjne potencjały dodają ekranowane składniki dalekiego zasięgu.
• Δ-ML nie jest metodą pola siłowego, ale modelem, który dodaje wyuczone wartości energii korekcyjnej do przybliżonych i stosunkowo tanich metod kwantowo-chemicznych w celu zapewnienia poziomu dokładności wyższego rzędu, bardziej kosztownego obliczeniowo modelu kwantowo-chemicznego.
• SchNet to sieć neuronowa wykorzystująca warstwy splotowe z filtrem ciągłym do przewidywania właściwości chemicznych i potencjalnych powierzchni energetycznych.
• PhysNet to funkcja energetyczna oparta na sieci neuronowej do przewidywania energii, sił i (zmiennych) ładunków częściowych.

Woda

Zbiór parametrów służących do modelowania wody lub roztworów wodnych (w zasadzie pole siłowe dla wody) nazywany jest modelem wody . Woda przyciągnęła wiele uwagi ze względu na swoje niezwykłe właściwości i znaczenie jako rozpuszczalnika. Zaproponowano wiele modeli wody; niektóre przykłady to TIP3P, TIP4P, SPC, elastyczny prosty model wody ładowania punktowego (elastyczny SPC), ST2 i mW. Inne rozpuszczalniki i metody reprezentacji rozpuszczalników są również stosowane w chemii obliczeniowej i fizyce. Niektóre przykłady podano na stronie Model rozpuszczalnika . Niedawno opublikowano nowe metody generowania modeli wodnych.

Zmodyfikowane aminokwasy

• Forcefield_PTM – oparte na AMBER pole siłowe i narzędzie internetowe do modelowania powszechnych potranslacyjnych modyfikacji aminokwasów w białkach opracowane przez Chrisa Floudasa i współpracowników. Wykorzystuje model ładunku ff03 i ma kilka korekcji skręcania łańcucha bocznego, sparametryzowanych w celu dopasowania do kwantowej chemicznej powierzchni obrotowej.
• Forcefield_NCAA - Pole siłowe oparte na AMBER i narzędzie internetowe do modelowania powszechnych nienaturalnych aminokwasów w białkach w symulacjach fazy skondensowanej przy użyciu modelu ładunku ff03. Doniesiono, że ładunki są skorelowane z energiami swobodnymi hydratacji odpowiednich analogów łańcucha bocznego.

Inne

• LFMM (ang. Ligand Field Molecular Mechanics) - funkcje dla sfery koordynacyjnej wokół metali przejściowych w oparciu o model nakładania kątowego (AOM). Wdrożone w Molecular Operating Environment (MOE) jako DommiMOE oraz w Tinker
• VALBOND - funkcja do gięcia kąta, która opiera się na teorii wiązań walencyjnych i działa w przypadku dużych zniekształceń kątowych, cząsteczek hiperwalentnych i kompleksów metali przejściowych . Można go włączyć do innych pól siłowych, takich jak CHARMM i UFF.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura