Molecular modelling

Molecular modelling encompasses all methods, theoretical and computational, used to model or mimic the behaviour of molecules.^[1] The methods are used in the fields of computational chemistry, drug design, computational biology and materials science to study molecular systems ranging from small chemical systems to large biological molecules and material assemblies. The simplest calculations can be performed by hand, but inevitably computers are required to perform molecular modelling of any reasonably sized system. The common feature of molecular modelling methods is the atomistic level description of the molecular systems. This may include treating atoms as the smallest individual unit (a molecular mechanics approach), or explicitly modelling protons and neutrons with its quarks, anti-quarks and gluons and electrons with its photons (a quantum chemistry approach).

Molecular mechanics is one aspect of molecular modelling, as it involves the use of classical mechanics (Newtonian mechanics) to describe the physical basis behind the models. Molecular models typically describe atoms (nucleus and electrons collectively) as point charges with an associated mass. The interactions between neighbouring atoms are described by spring-like interactions (representing chemical bonds) and Van der Waals forces. The Lennard-Jones potential is commonly used to describe the latter. The electrostatic interactions are computed based on Coulomb's law. Atoms are assigned coordinates in Cartesian space or in internal coordinates, and can also be assigned velocities in dynamical simulations. The atomic velocities are related to the temperature of the system, a macroscopic quantity. The collective mathematical expression is termed a potential function and is related to the system internal energy (U), a thermodynamic quantity equal to the sum of potential and kinetic energies. Methods which minimize the potential energy are termed energy minimization methods (e.g., steepest descent and conjugate gradient), while methods that model the behaviour of the system with propagation of time are termed molecular dynamics.

${\displaystyle E=E_{\text{enlaces}}+E_{\text{ángulo}}+E_{\text{diedro}}+E_{\text{no enlazado}}\,}$

${\displaystyle E_{\text{no enlazado}}=E_{\text{electrostático}}+E_{\text{van der Waals}}\,}$

Esta función, denominada función potencial , calcula la energía potencial molecular como una suma de términos energéticos que describen la desviación de las longitudes de enlace, los ángulos de enlace y los ángulos de torsión respecto a los valores de equilibrio, más términos para pares de átomos no enlazados que describen las interacciones de van der Waals y electrostáticas. El conjunto de parámetros que consta de longitudes de enlace de equilibrio, ángulos de enlace, valores de carga parcial, constantes de fuerza y ​​parámetros de van der Waals se denomina colectivamente campo de fuerza . Diferentes implementaciones de mecánica molecular utilizan diferentes expresiones matemáticas y diferentes parámetros para la función potencial . ^{[ 2 ]} Los campos de fuerza comunes en uso hoy en día se han desarrollado utilizando teoría química, datos de referencia experimentales y cálculos cuánticos de alto nivel. El método, denominado minimización de energía, se utiliza para encontrar posiciones de gradiente cero para todos los átomos, es decir, un mínimo de energía local. Los estados de energía más bajos son más estables y se investigan comúnmente debido a su papel en los procesos químicos y biológicos. Una simulación de dinámica molecular , por otro lado, calcula el comportamiento de un sistema en función del tiempo. Implica resolver las leyes del movimiento de Newton, principalmente la segunda ley,${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$La integración de las leyes del movimiento de Newton, mediante diferentes algoritmos, permite obtener trayectorias atómicas en el espacio y el tiempo. La fuerza sobre un átomo se define como el gradiente negativo de la función de energía potencial. El método de minimización de energía resulta útil para obtener una representación estática que permita comparar estados de sistemas similares, mientras que la dinámica molecular proporciona información sobre los procesos dinámicos, incluyendo intrínsecamente los efectos de la temperatura.

Las moléculas pueden modelarse tanto en el vacío como en presencia de un disolvente, como el agua. Las simulaciones de sistemas en el vacío se denominan simulaciones en fase gaseosa , mientras que aquellas que incluyen la presencia de moléculas de disolvente se denominan simulaciones con disolvente explícito . En otro tipo de simulación, el efecto del disolvente se estima mediante una expresión matemática empírica; estas se denominan simulaciones de solvatación implícita .

Los métodos de modelado molecular se utilizan habitualmente para investigar la estructura, la dinámica, las propiedades superficiales y la termodinámica de sistemas inorgánicos, biológicos y poliméricos. Actualmente, existe una gran cantidad de modelos moleculares de campos de fuerza disponibles en bases de datos. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Los tipos de actividad biológica que se han investigado mediante modelado molecular incluyen el plegamiento de proteínas , la catálisis enzimática , la estabilidad de las proteínas, los cambios conformacionales asociados a la función biomolecular y el reconocimiento molecular de proteínas, ADN y complejos de membrana. ^{[ 6 ]}