Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://rnp-group.genebee.msu.su/pages/md.html Дата изменения: Mon Feb 18 16:25:41 2008 Дата индексирования: Mon Oct 1 19:38:53 2012 Кодировка: Windows-1251

Молекулярная динамика

Расчетные методы симуляции молекулярной динамики базируются на представлениях классической механики, движение атомов описывается в формализме уравнений Ньютона для системы N взаимодействующих частиц:
Каждый атом считается находящимся в силовом поле, создаваемом другими атомами, сила взаимодействия будет выражаться как производная функции потенциальной энергии.
При этом сам потенциал взаимодействия между атомами представляет собой некую модельную функцию, например, потенциал Леннарда-Джонса, потенциал Морзе, гармонический потенциал и т.д. На данный момент существует очень большое число различных силовых полей для расчета динамики молекул, их минимизации по энергии.
Для расчета динамики белка строится модель ячейки или "ящика" (box), в котором находится белок, необходимое количество молекул воды и ионы (Н2РО4-, Cl-, K+, Na+ и др.) в количестве, необходимом для соблюдения нужной концентрации компонентов и электронейтральности системы в целом. Таким образом, траектория белка рассчитывается для его состояния в растворе. Кроме того, следует учесть, что в процессе движения молекулы воды или ионов могут смещаться настолько, что будут покидать пределы "ящика". Для того, чтобы соблюдалось условие постоянства числа молекул, на ячейку накладывается периодическое граничное условие (periodic boundary condition, PBC), выражающееся в том, что любая покидающая ячейку молекула оказывается входящей в нее с противоположной стороны. Еще одно условие, накладываемое на систему, учитывает возможность удаления атомов, соединенных химической связью, на расстояние, превышающее длину связи. Здесь задействуется т.н. SHAKE алгоритм, запрещающий увеличение длины связи более чем в 1,5 раза.
Для системы записываются уравнения движения Ньютона в выбранном силовом поле, и решаются одновременно для всей системы через малые временные интервалы (0,001-0,005 пикосекунд). Координаты атомов и энергия, соответствующая этому состоянию, записываются через определенное число шагов в выходной файл. Зависимость координат системы от времени представляет собой траекторию системы. После начальных изменений система обычно приходит к некоторому равновесному состоянию. Проводя усреднение вдоль подобной равновесной траектории, можно получить информацию о многих макроскопических свойствах молекулы, наблюдаемых в экспериментах. Для анализа траектории молекулы применяют, в частности, анализ основных компонентов (principal component analysis, PCA), основанный на ковариационном анализе матрицы, описывающей траекторию системы.
Таким образом можно отдельно наблюдать выделенный компонент движения системы, что предоставляет нам дополнительную информацию для сравнения динамических свойств различных систем. Однако надо всегда помнить, что к результатам, полученным методами МД надо относиться с осторожностью, т.к. сам по себе метод имеет большое число допущений и ограничений. Поэтому необходимо обращаться к известным из экспериментов данным об объекте исследований и сравнивать с данными, полученными с помощью МД.
Вкратце рассмотрим допущения метода.
1. Уравнения движения - классико-механические. Использование уравнений Ньютона автоматически приводит нас к классическому описанию движения атомов. Для большинства атомов при нормальных температурах это так, однако есть и исключения. например, поведение атомов водорода как очень легких атомов уже при нормальных температурах имеет существенно квантово-механический характер. Например, при нормальной температуре протон может туннелировать сквозь потенциальный барьер, что, естественно, никоим образом не может быть описано в терминах классической механики.
2. Движение электронов не учитывается. В методах МД используются так называемые консервативные силовые поля, которые зависят только от положения атомов. Это означает, что движение электронов не рассматривается; предполагается, что электроны движутся бесконечно быстрее, чем происходит смена положения атомов. Это в действительности так для большинства случаев, однако, очевидно, что в таком случае мы не можем получить информацию о процессах переноса электронов или об электронно-возбужденных состояниях. 3. Силовое поле приблизительное. а) Все парные взаимодействия (не через химическую связь) описываются эффективным потенциалом атомных пар - аддитивной величиной, описывающей лишь усредненные взаимодействия. Не учитывается, например, возможность взаимодействия атомов за счет их поляризации, т.к. подобные взаимодействия неаддитивны. б) Радиус действия дальних сил (потенциалы Леннарда-Джонса, Колумба) укорочен.
Все эти допущения приводят к тому, что при расчете траектории молекулы и затем ее макроскопических свойств могут возникать довольно значительные отклонения от реальности.
Поэтому наиболее рациональным и перспективным в плане как детальности получаемой информации, так и ее корректности, представляется комбинация метода МД с экспериментальными методами, например с ядерным магнитным резонансом.