Molekulární modelování v biochemii

Pod pojmem "molekulární modelování" rozumíme nejen simulace, ale obecně jakékoliv studie tvaru či konformace molekul. Často vystačíme "jen" s minimem potenciální energie (tzv. optimalizace struktury). Typickým úkolem je interpretace rozptylových a jiných (NMR) experimentů, tzv. refinement, kdy se struktura stanovená s velkými experimentálními chybami doladí tak, aby odpovídaly délky vazeb, atomy se nepřekrývaly atd. K tomu všemu potřebujeme molekulární model neboli silové pole. Výběr modelu je ovlivněn především snahou maximálně šetřit, protože chceme pracovat s makromolekulami o velikosti tisíc i více atomů.

CHARMM19 model peptidu Základním stavebním prvkem modelů je atom či přesněji řečeno atomové jádro; někdy (zvláště u starších modelů) se alifatické skupiny jako -CH3 nahrazují jedním centrem ("united" nebo "extended" atom - viz obrázek vpravo, který představuje model peptidového řetězce v CHARMM19), výjimečně se naopak přidává pomocné centrum mimo atomy (model vody TIP4P). Počet typů atomů je však větší než chemických prvků, protože např. atom uhlíku ve skupině >C=O má jiné vlastnosti než v benzenu. Atomy také zpravidla nesou parciální náboje (viz spodní část obrázku).

Síly mezi atomy se dělí na vazebné (bonded) a nevazebné (nonbonded). Nevazebné síly působí mezi atomy na různých molekulách a také mezi atomy jedné molekuly, které nejsou ovlivněny chemickými vazbami. Atomy oddělené více než třemi vazbami v řetězci (např. koncové vodíky v propanu CH3.CH2.CH3) jsou se berou jako nevázané, atomy spojené vazbou (symbolicky 1-2), dvěma (1-3) či třemi (1-4) vazbami v řetězci jsou vázané; u posledního případu se kombinují oba druhy sil.

Nevazebné síly

Nevazebné síly jsou Coulombické a (zpravidla) Lennardovy-Jonesovy. Vzhledem k šetření se síly pro vzdálenost atom-atom větší než určitá vzdálenost zanedbávají (viz kap. 5.2.2 skript). Toto je dosti hrubou aproximací pro elektrostatické síly. Jednou široce používanou metodou, jak přesnost poměrně levně zlepšit, je nahradit skupiny (např. >C=O) od určité vzdálenosti bodovým dipólem; silové pole je totiž obvykle navrženo po skupinách, které jsou elektricky neutrální. Parametry Lennardova-Jonesova potenciálu se tabelují jako parametry pro jednotlivé atomy, přičemž křížové parametry (dvojice různých atomů) se vypočtou z vhodných kombinačních pravidel.

Vazebné síly

Vazby, pokud nejsou v simulaci pevné (viz kap. 7.5.2.), se obvykle aproximují harmonickým potenciálem

Ubond(r) = (Kbond/2) (r - r0)2
kde r je vzdálenost atomů, r0 její rovnovážná hodnota a Kbond silová konstanta (tuhost vazby).

Podobně se řeší vazebné úhly, tedy síly 1-3:

Uangle(alpha) = (Kangle/2) (alpha - alpha0)2

vlastni torze Síly 1-4 jsou dvojí. Vlastní torze (proper torsions) tvaru

Udih(phi) = Kdih cos(n phi) ,
kde phi je tzv. dihedrální úhel (viz obrázek vpravo) a n je číslo, např. pro torzní potenciál C-C-C-C v butanu je n=3, případně se sčítá několik členů pro n=0,1,2,3.

nevlastni torze Nevlastní torze (improper torsions) slouží ke "zpevnění" skupin s sp2 hybridizací jako H2C=O, kde uhlík leží v rovině s ostatními atomy, případně k zajištění tetraedrické geometrie tří vazeb okolo skupiny CH, jestliže je tato reprezentována jedním interakčním centrem (viz CH1E na obrázku nahoře):

Uimprop(phi) = (Kimprop/2) (phi - phi0)2 .

[Zpět na Informace pro studenty, skripta] [back to J. Kolafa homepage]