النمذجة الجزيئية

يشمل النمذجة الجزيئية جميع الطرق، النظرية والحسابية، المستخدمة لنمذجة أو محاكاة سلوك الجزيئات . ^{[ 1 ]} تُستخدم هذه الطرق في مجالات الكيمياء الحاسوبية ، وتصميم الأدوية ، وعلم الأحياء الحاسوبي ، وعلوم المواد لدراسة الأنظمة الجزيئية بدءًا من الأنظمة الكيميائية الصغيرة وصولًا إلى الجزيئات البيولوجية الكبيرة وتجمعات المواد. يمكن إجراء أبسط الحسابات يدويًا، ولكن لا غنى عن استخدام الحواسيب لإجراء النمذجة الجزيئية لأي نظام ذي حجم معقول. السمة المشتركة لطرق النمذجة الجزيئية هي الوصف الذري للأنظمة الجزيئية. قد يشمل ذلك التعامل مع الذرات كأصغر وحدة فردية ( نهج الميكانيكا الجزيئية )، أو نمذجة البروتونات والنيوترونات بشكل صريح مع الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات والإلكترونات مع الفوتونات ( نهج الكيمياء الكمية ).

الميكانيكا الجزيئية هي أحد جوانب النمذجة الجزيئية، إذ تستخدم الميكانيكا الكلاسيكية ( الميكانيكا النيوتونية ) لوصف الأساس الفيزيائي للنماذج. تصف النماذج الجزيئية الذرات (النواة والإلكترونات مجتمعة) كشحنات نقطية ذات كتلة مرتبطة بها. تُوصف التفاعلات بين الذرات المتجاورة بتفاعلات شبيهة بالزنبرك (تمثل الروابط الكيميائية ) وقوى فان دير فالس . يُستخدم جهد لينارد-جونز عادةً لوصف الأخيرة. تُحسب التفاعلات الكهروستاتيكية بناءً على قانون كولوم . تُحدد إحداثيات الذرات في الفضاء الديكارتي أو في الإحداثيات الداخلية ، ويمكن أيضًا تحديد سرعات لها في المحاكاة الديناميكية. ترتبط سرعات الذرات بدرجة حرارة النظام، وهي كمية ماكروسكوبية. يُطلق على التعبير الرياضي الجماعي اسم دالة الجهد ، ويرتبط بالطاقة الداخلية للنظام (U)، وهي كمية ديناميكية حرارية تساوي مجموع طاقتي الوضع والحركة. تُسمى الطرق التي تقلل من طاقة الوضع طرق تقليل الطاقة (مثل الانحدار الأسرع والتدرج المترافق )، بينما تُسمى الطرق التي تُحاكي سلوك النظام مع انتشار الوقت الديناميكا الجزيئية .

${\displaystyle E=E_{\text{bonds}}+E_{\text{angle}}+E_{\text{dihedral}}+E_{\text{non-bonded}}\,}$

${\displaystyle E_{\text{non-bonded}}=E_{\text{electrostatic}}+E_{\text{van der Waals}}\,}$

تحسب هذه الدالة، التي تُعرف بدالة الجهد ، طاقة الوضع الجزيئية كمجموع حدود طاقة تصف انحراف أطوال الروابط وزواياها وزوايا الالتواء عن قيم التوازن، بالإضافة إلى حدود لأزواج الذرات غير المرتبطة التي تصف تفاعلات فان دير فالس والتفاعلات الكهروستاتيكية. تُسمى مجموعة المعاملات التي تتكون من أطوال الروابط وزواياها عند التوازن، وقيم الشحنة الجزئية، وثوابت القوة، ومعاملات فان دير فالس مجتمعةً بحقل القوة . تستخدم التطبيقات المختلفة للميكانيكا الجزيئية تعابير رياضية ومعاملات مختلفة لدالة الجهد . ^{[ 2 ]} طُوّرت حقول القوة الشائعة الاستخدام اليوم باستخدام النظرية الكيميائية، وبيانات مرجعية تجريبية، وحسابات كمومية متقدمة. تُستخدم طريقة تُسمى تقليل الطاقة لإيجاد مواضع التدرج الصفري لجميع الذرات، أي الحد الأدنى المحلي للطاقة. تُعد حالات الطاقة المنخفضة أكثر استقرارًا، ويتم دراستها بشكل شائع نظرًا لدورها في العمليات الكيميائية والبيولوجية. من ناحية أخرى، تحسب محاكاة الديناميكا الجزيئية سلوك النظام كدالة للزمن. وهي تتضمن حل قوانين نيوتن للحركة، وخاصة القانون الثاني.${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$يؤدي تكامل قوانين نيوتن للحركة، باستخدام خوارزميات تكامل مختلفة، إلى تحديد مسارات الذرات في المكان والزمان. تُعرَّف القوة المؤثرة على الذرة بأنها التدرج السالب لدالة طاقة الوضع. تُفيد طريقة تقليل الطاقة في الحصول على صورة ثابتة للمقارنة بين حالات الأنظمة المتشابهة، بينما توفر ديناميكيات الجزيئات معلومات حول العمليات الديناميكية مع تضمين تأثيرات درجة الحرارة بشكل جوهري.

يمكن نمذجة الجزيئات إما في الفراغ أو بوجود مذيب كالماء. تُعرف محاكاة الأنظمة في الفراغ بمحاكاة الطور الغازي ، بينما تُعرف تلك التي تتضمن وجود جزيئات المذيب بمحاكاة المذيب الصريح . في نوع آخر من المحاكاة، يُقدّر تأثير المذيب باستخدام صيغة رياضية تجريبية؛ وتُسمى هذه المحاكاة بمحاكاة الذوبان الضمني .

تُستخدم أساليب النمذجة الجزيئية بشكل روتيني لدراسة بنية وديناميكية وخصائص سطح وديناميكا حرارية الأنظمة غير العضوية والبيولوجية والبوليمرية. يتوفر اليوم عدد كبير من النماذج الجزيئية لحقل القوة في قواعد البيانات. ^{[ 4 ] [ 5 ]} تشمل أنواع النشاط البيولوجي التي دُرست باستخدام النمذجة الجزيئية طي البروتين ، والتحفيز الإنزيمي ، واستقرار البروتين، والتغيرات التركيبية المرتبطة بالوظيفة الجزيئية الحيوية، والتعرف الجزيئي على البروتينات والحمض النووي والمركبات الغشائية. ^{[ 6 ]}