Química en Harvard Macromolecular Mechanics ( CHARMM ) es el nombre de un conjunto de campos de fuerza ampliamente utilizado para la dinámica molecular , y el nombre del paquete de software informático de simulación y análisis de dinámica molecular asociado con ellos. [3] [4] [5] El Proyecto de Desarrollo CHARMM involucra una red mundial de desarrolladores que trabajan con Martin Karplus y su grupo en Harvard para desarrollar y mantener el programa CHARMM. Las licencias para este software están disponibles, por una tarifa, para personas y grupos que trabajan en el ámbito académico.
Los campos de fuerza CHARMM para proteínas incluyen: CHARMM19 de átomo unido (a veces denominado átomo extendido ), [6] CHARMM22 de todos los átomos [7] y su variante corregida de potencial diédrico CHARMM22/CMAP, así como versiones posteriores CHARMM27 y CHARMM36 y varias modificaciones como CHARMM36m y CHARMM36IDPSFF. [8] En el campo de fuerza de proteína CHARMM22, las cargas parciales atómicas se derivaron de cálculos químicos cuánticos de las interacciones entre los compuestos modelo y el agua. Además, CHARMM22 está parametrizado para el modelo de agua explícito TIP3P . Sin embargo, a menudo se utiliza con solventes implícitos . En 2006, se re-metrizó una versión especial de CHARMM22/CMAP para un uso consistente con el solvente implícito GBSW. [9]
El campo de fuerza CHARMM22 tiene la siguiente función de energía potencial: [7] [10]
Los términos de enlace, ángulo, diedro y no enlazado son similares a los que se encuentran en otros campos de fuerza como AMBER . El campo de fuerza CHARMM también incluye un término impropio que explica la flexión fuera del plano (que se aplica a cualquier conjunto de cuatro átomos que no estén enlazados sucesivamente), donde es la constante de fuerza y es el ángulo fuera del plano. El término de Urey-Bradley es un término cruzado que explica las interacciones no enlazadas 1,3 no explicadas por los términos de enlace y ángulo; es la constante de fuerza y es la distancia entre los átomos 1,3.
Para el ADN , el ARN y los lípidos , se utiliza CHARMM27 [11] . Algunos campos de fuerza se pueden combinar, por ejemplo CHARMM22 y CHARMM27 para la simulación de la unión proteína-ADN. También se pueden descargar parámetros para NAD+, azúcares, compuestos fluorados, etc. Estos números de versión de los campos de fuerza se refieren a la versión de CHARMM en la que aparecieron por primera vez, pero, por supuesto, se pueden utilizar con versiones posteriores del programa ejecutable CHARMM. Asimismo, estos campos de fuerza se pueden utilizar dentro de otros programas de dinámica molecular que los admitan.
En 2009, se introdujo un campo de fuerza general para moléculas similares a fármacos (CGenFF, por sus siglas en inglés). "Abarca una amplia gama de grupos químicos presentes en biomoléculas y moléculas similares a fármacos, incluida una gran cantidad de estructuras heterocíclicas". [12] El campo de fuerza general está diseñado para cubrir cualquier combinación de grupos químicos. Esto inevitablemente conlleva una disminución en la precisión para representar cualquier subclase particular de moléculas. En el sitio web de Mackerell se advierte repetidamente a los usuarios que no utilicen los parámetros CGenFF para moléculas para las que ya existen campos de fuerza especializados (como se mencionó anteriormente para proteínas, ácidos nucleicos, etc.).
CHARMM también incluye campos de fuerza polarizables utilizando dos enfoques. Uno se basa en el modelo de carga fluctuante (FQ), también denominado modelo de equilibrio de carga (CHEQ). [13] [14] El otro se basa en el modelo de oscilador de dispersión o de capa de Drude . [15] [16]
Los parámetros de todos estos campos de fuerza se pueden descargar de forma gratuita desde el sitio web de Mackerell. [17]
El programa CHARMM permite generar y analizar una amplia gama de simulaciones moleculares. Los tipos de simulación más básicos son la minimización de una estructura dada y la producción de series de una trayectoria de dinámica molecular. Las funciones más avanzadas incluyen la perturbación de energía libre (FEP), la estimación de entropía cuasi-armónica, el análisis de correlación y los métodos combinados de mecánica cuántica y mecánica cuántica - mecánica molecular ( QM/MM ).
CHARMM es uno de los programas más antiguos para dinámica molecular. Ha acumulado muchas características, algunas de las cuales se duplican bajo varias palabras clave con ligeras variantes. Este es un resultado inevitable de las muchas perspectivas y grupos que trabajan en CHARMM en todo el mundo. El archivo de registro de cambios y el código fuente de CHARMM son buenos lugares para buscar los nombres y las afiliaciones de los principales desarrolladores. La participación y coordinación del grupo de Charles L. Brooks III en la Universidad de Michigan es destacada.
Alrededor de 1969, hubo un interés considerable en desarrollar funciones de energía potencial para moléculas pequeñas. CHARMM se originó en el grupo de Martin Karplus en Harvard. Karplus y su entonces estudiante de posgrado Bruce Gelin decidieron que había llegado el momento de desarrollar un programa que permitiera tomar una secuencia de aminoácidos dada y un conjunto de coordenadas (por ejemplo, de la estructura de rayos X) y usar esta información para calcular la energía del sistema como una función de las posiciones atómicas. Karplus ha reconocido la importancia de los principales aportes en el desarrollo del programa (en ese momento sin nombre), incluyendo:
En la década de 1980, finalmente apareció un artículo y CHARMM hizo su debut público. Para entonces, el programa de Gelin ya había sido reestructurado considerablemente. Para la publicación, Bob Bruccoleri ideó el nombre HARMM (HARvard Macromolecular Mechanics), pero parecía inapropiado. Así que añadieron una C de Química. Karplus dijo: " A veces me pregunto si la sugerencia original de Bruccoleri habría servido como advertencia útil para los científicos inexpertos que trabajan con el programa " . [18] CHARMM ha seguido creciendo y la última versión del programa ejecutable se realizó en 2015 como CHARMM40b2.
La sintaxis general para utilizar el programa es:
charmm -i filename.inp -o filename.out
![{\displaystyle {\begin{aligned}V=&\sum _{enlaces}k_{b}(b-b_{0})^{2}+\sum _{ángulos}k_{\theta }(\theta -\theta _{0})^{2}+\sum _{dihedrals}k_{\phi }[1+cos(n\phi -\delta )]\\&+\sum _{impropios}k_{\omega }(\omega -\omega _{0})^{2}+\sum _{Urey-Bradley}k_{u}(u-u_{0})^{2}\\&+\sum _{no enlazado}\left(\epsilon _{ij}\left[\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{12}-2\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{6}\right]+{\frac {q_{i}q_{j}}{\epsilon _{r}r_{ij}}}\right)\end{alineado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/09e5c019fc57d6f6cffe178ae7ff7ef4b27d81de)
charmm– El nombre del programa (o script que ejecuta el programa) en el sistema informático que se está utilizando.filename.inp– Un archivo de texto que contiene los comandos CHARMM. Comienza cargando las topologías moleculares (arriba) y el campo de fuerza (par). Luego se cargan las coordenadas cartesianas de las estructuras moleculares (por ejemplo, desde archivos PDB). Luego se pueden modificar las moléculas (agregar hidrógenos, cambiar la estructura secundaria). La sección de cálculo puede incluir minimización de energía, producción de dinámica y herramientas de análisis como correlaciones de movimiento y energía.filename.out– El archivo de registro de la ejecución de CHARMM, que contiene los comandos repetidos y varias cantidades de salida de comandos. El nivel de impresión de salida se puede aumentar o disminuir en general, y los procedimientos como la minimización y la dinámica tienen especificaciones de frecuencia de impresión. Los valores de temperatura, presión de energía, etc. se emiten a esa frecuencia.Docking@Home , organizado por la Universidad de Delaware, uno de los proyectos que utilizan una plataforma de código abierto para la computación distribuida , BOINC , utilizó CHARMM para analizar los detalles atómicos de las interacciones proteína-ligando en términos de simulaciones y minimizaciones de dinámica molecular (MD).
World Community Grid , patrocinado por IBM, ejecutó un proyecto llamado The Clean Energy Project [19] que también utilizó CHARMM en su primera fase que ya se completó.
{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )