Potencial de fuerza media

Al examinar un sistema computacionalmente, uno puede estar interesado en saber cómo cambia la energía libre en función de alguna coordenada intermolecular o intramolecular (como la distancia entre dos átomos o un ángulo de torsión). La superficie de energía libre a lo largo de la coordenada elegida se denomina potencial de fuerza media (PMF). Si el sistema de interés está en un solvente, entonces el PMF también incorpora los efectos del solvente. ^[1]

Descripción general

El PMF se puede obtener en Monte Carlo o en simulaciones de dinámica molecular para examinar cómo cambia la energía de un sistema en función de algún parámetro de coordenadas de reacción específico. Por ejemplo, puede examinar cómo cambia la energía del sistema en función de la distancia entre dos residuos, o cuando una proteína atraviesa una bicapa lipídica. Puede ser una coordenada geométrica o una coordenada energética (solvente) más general. A menudo, las simulaciones PMF se utilizan junto con el muestreo general , porque normalmente la simulación PMF no logrará muestrear adecuadamente el espacio del sistema a medida que avanza. ^[2]

Descripción matemática

El potencial de fuerza media ^[3] de un sistema con N partículas es, por construcción, el potencial que da la fuerza promedio sobre todas las configuraciones de todas las n+1...N partículas que actúan sobre una partícula j en cualquier configuración fija que se mantiene fija. un conjunto de partículas 1...n

${\displaystyle -\nabla _{j}w^{(n)}\,=\,{\frac {\int e^{-\beta V}(-\nabla _{j}V)dq_{n+1}\dots dq_{N}}{\int e^{-\beta V}dq_{n+1}\dots dq_{N}}},~j=1,2,\dots ,n}$

Arriba está la fuerza promediada, es decir, la "fuerza media" sobre la partícula j . Y es el llamado potencial de fuerza media. Porque , es el trabajo promedio necesario para llevar las dos partículas desde una separación infinita hasta una distancia . También está relacionado con la función de distribución radial del sistema, por: ^[4] ${\displaystyle -\nabla _{j}w^{(n)}}$ ${\displaystyle w^{(n)}}$ ${\displaystyle n=2}$ ${\displaystyle w^{(2)}(r)}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle g(r)}$

${\displaystyle g(r)=e^{-\beta w^{(2)}(r)}}$

Solicitud

El potencial de fuerza media generalmente se aplica en el método de inversión de Boltzmann como una primera estimación del potencial de interacción de pares efectivo que debería reproducir la función de distribución radial correcta en una simulación mesoscópica. ^[5] Lemkul et al. han utilizado simulaciones de dinámica molecular dirigida para calcular el potencial de la fuerza media para evaluar la estabilidad de las protofibrillas amiloides de la enfermedad de Alzheimer. ^[6] Gosai et al. También han utilizado simulaciones de muestreo generales para mostrar que el potencial de fuerza media disminuye entre la trombina y su aptámero (un complejo proteína-ligando) bajo el efecto de campos eléctricos. ^[7] ${\displaystyle w^{(2)}}$

Ver también

• Potencial estadístico
• Perturbación de energía libre
• Superficie de energía potencial

Referencias

1. Leach, Dr. Andrew (30 de enero de 2001). Modelado molecular: principios y aplicaciones (2 ed.). Harlow: Prentice Hall. ISBN 9780582382107.
2. AR Leach, Modelado molecular: principios y aplicaciones , 2001, ISBN 0-582-38210-6 
3. Kirkwood, John G. (mayo de 1935). "Mecánica estadística de mezclas de fluidos". La Revista de Física Química . 3 (5): 300–313. Código Bib : 1935JChPh...3..300K. doi : 10.1063/1.1749657.
4. Ver Lixiviación, sección 11.7.
5. Reith, Dirk; Pütz, Mathías; Müller-Plathe, Florian (octubre de 2003). "Derivar potenciales de mesoescala efectivos a partir de simulaciones atomísticas". Revista de Química Computacional . 24 (13): 1624-1636. arXiv : cond-mat/0211454 . doi :10.1002/jcc.10307. PMID  12926006. S2CID  1933490.
6. Lemkul, Justin A.; Bevan, David R. (4 de febrero de 2010). "Evaluación de la estabilidad de las protofibrillas amiloides de Alzheimer mediante dinámica molecular". La Revista de Química Física B. 114 (4): 1652-1660. doi : 10.1021/jp9110794. PMID  20055378.
7. Gosai, Agnivo; Mamá, Xiao; Balasubramanian, Ganesh; Shrotriya, Pranav (22 de noviembre de 2016). "Unión/desunión controlada por estímulo eléctrico del complejo trombina-aptámero humano". Informes científicos . 6 (1): 37449. Código bibliográfico : 2016NatSR...637449G. doi :10.1038/srep37449. PMC 5118750 . PMID  27874042. 

Otras lecturas

• McQuarrie, DA Mecánica estadística.
• Chandler, D. (1987). Introducción a la mecánica estadística moderna. Prensa de la Universidad de Oxford.

enlaces externos

• Potencial de fuerza media