El modelado molecular abarca todos los métodos, teóricos y computacionales, utilizados para modelar o imitar el comportamiento de las moléculas . [1] Los métodos se utilizan en los campos de la química computacional , el diseño de fármacos , la biología computacional y la ciencia de materiales para estudiar sistemas moleculares que van desde pequeños sistemas químicos hasta grandes moléculas biológicas y conjuntos de materiales. Los cálculos más simples se pueden realizar a mano, pero inevitablemente se requieren computadoras para realizar modelos moleculares de cualquier sistema de tamaño razonable. La característica común de los métodos de modelado molecular es la descripción a nivel atomístico de los sistemas moleculares. Esto puede incluir tratar los átomos como la unidad individual más pequeña (un enfoque de mecánica molecular ), o modelar explícitamente protones y neutrones con sus quarks, antiquarks y gluones y electrones con sus fotones (un enfoque de química cuántica ).
La mecánica molecular es un aspecto del modelado molecular, ya que implica el uso de la mecánica clásica ( mecánica newtoniana ) para describir la base física detrás de los modelos. Los modelos moleculares suelen describir los átomos (núcleo y electrones en conjunto) como cargas puntuales con una masa asociada. Las interacciones entre átomos vecinos se describen mediante interacciones tipo resorte (que representan enlaces químicos ) y fuerzas de Van der Waals . El potencial de Lennard-Jones se utiliza comúnmente para describir este último. Las interacciones electrostáticas se calculan según la ley de Coulomb . A los átomos se les asignan coordenadas en el espacio cartesiano o en coordenadas internas , y también se les pueden asignar velocidades en simulaciones dinámicas. Las velocidades atómicas están relacionadas con la temperatura del sistema, una cantidad macroscópica. La expresión matemática colectiva se denomina función potencial y está relacionada con la energía interna del sistema (U), una cantidad termodinámica igual a la suma de las energías potencial y cinética. Los métodos que minimizan la energía potencial se denominan métodos de minimización de energía (p. ej., descenso más pronunciado y gradiente conjugado ), mientras que los métodos que modelan el comportamiento del sistema con la propagación del tiempo se denominan dinámica molecular .
Esta función, denominada función potencial , calcula la energía potencial molecular como una suma de términos de energía que describen la desviación de las longitudes de enlace, los ángulos de enlace y los ángulos de torsión de los valores de equilibrio, más términos para pares de átomos no enlazados que describen van der Waals y las interacciones electrostáticas. El conjunto de parámetros que consta de longitudes de enlace en equilibrio, ángulos de enlace, valores de carga parcial, constantes de fuerza y parámetros de van der Waals se denominan colectivamente campo de fuerza . Diferentes implementaciones de la mecánica molecular utilizan diferentes expresiones matemáticas y diferentes parámetros para la función potencial . [2] Los campos de fuerza comunes que se utilizan 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, en otras palabras, un mínimo de energía local. Los estados de menor energía son más estables y comúnmente se investigan debido a su papel en los procesos químicos y biológicos. Por otro lado, una simulación de dinámica molecular calcula el comportamiento de un sistema en función del tiempo. Implica resolver las leyes del movimiento de Newton, principalmente la segunda ley . La integración de las leyes del movimiento de Newton, utilizando diferentes algoritmos de integración, conduce a 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 es útil para obtener una imagen estática para comparar estados de sistemas similares, mientras que la dinámica molecular proporciona información sobre los procesos dinámicos con la inclusión intrínseca de los efectos de la temperatura.
Las moléculas se pueden modelar al vacío o en presencia de un disolvente como el agua. Las simulaciones de sistemas en vacío se denominan simulaciones en fase gaseosa , mientras que aquellas que incluyen la presencia de moléculas de disolvente se denominan simulaciones de disolvente explícitas . En otro tipo de simulación, el efecto del disolvente se estima mediante una expresión matemática empírica; estas se denominan simulaciones de resolución implícita .
La mayoría de los campos de fuerza dependen de la distancia, lo que constituye la expresión más conveniente para estas coordenadas cartesianas. Sin embargo, la naturaleza comparativamente rígida de los enlaces que se producen entre átomos específicos y, en esencia, define lo que se entiende por la designación molécula , hace que un sistema de coordenadas internas sea la representación más lógica. En algunos campos, la representación IC (longitud del enlace, ángulo entre enlaces y ángulo de torsión del enlace como se muestra en la figura) se denomina representación de matriz Z o ángulo de torsión. Desafortunadamente, los movimientos continuos en el espacio cartesiano a menudo requieren ramas angulares discontinuas en coordenadas internas, lo que hace relativamente difícil trabajar con campos de fuerza en la representación de coordenadas internas y, a la inversa, un simple desplazamiento de un átomo en el espacio cartesiano puede no ser una trayectoria en línea recta debido a a las prohibiciones de los bonos interconectados. Por lo tanto, es muy común que los programas de optimización computacional cambien de una representación a otra durante sus iteraciones. Esto puede dominar el tiempo de cálculo del potencial en sí y, en moléculas de cadena larga, introducir una inexactitud numérica acumulativa. Si bien todos los algoritmos de conversión producen resultados matemáticamente idénticos, difieren en velocidad y precisión numérica. [3] Actualmente, la conversión de torsión a cartesiana más rápida y precisa es el método del marco de referencia de extensión natural (NERF). [3]
Los métodos de modelado molecular se utilizan habitualmente para investigar la estructura, la dinámica, las propiedades de la superficie y la termodinámica de sistemas inorgánicos, biológicos y poliméricos. Hoy en día, en las bases de datos se encuentran disponibles un gran número de modelos moleculares de campos de fuerza. [4] [5] Los tipos de actividad biológica que se han investigado utilizando modelos moleculares incluyen el plegamiento de proteínas , la catálisis enzimática , la estabilidad de las proteínas, los cambios conformacionales asociados con la función biomolecular y el reconocimiento molecular de proteínas, ADN y complejos de membrana. [6]
