Modelado molecular

El Modelado molecular es un término general que engloba métodos teóricos y técnicas computacionales para modelar o imitar el comportamiento de moléculas. Las técnicas son utilizadas en los campos de la Química computacional, Biología computacional y Ciencia de materiales para el estudio de sistemas moleculares que abarcan desde pequeños sistemas químicos a grandes moléculas biológicas y disposiciones materiales. Los cálculos más simples pueden ser realizados a mano, pero inevitablemente se requieren computadoras para realizar el modelado molecular de cualquier sistema medianamente complicado. La característica particular de las técnicas de modelado es la descripción a nivel atómico de los sistemas moleculares; el menor nivel de información es por átomos individuales (o un pequeño grupo de átomos). Esto es lo contrario a la Química cuántica (también conocida como "cálculos de estructura electrónicos) donde los electrones son considerados explícitamente. El beneficio del modelado molecular es que reduce la complejidad del sistema, permitiendo que muchas más partículas (átomos) sean considerados durante las simulaciones.

La Mecánica molecular es una parte del modelado molecular, ya que implica el uso de mecánica clásica/mecánica newtoniana para describir las bases físicas tras los modelos. Los modelos moleculares describen normalmente átomos (núcleos y electrones en conjunto) como cargas puntuales con una masa asociada. Las interacciones entre los átomos vecinos son descriptas por interacciones tipo "resortes" (representando enlaces químicos) y Fuerzas de van der Waals. El Potencial de Lennard-Jones es mayormente usado para describir las Fuerzas de van der Waals. Las interacciones electrostáticas son calculadas en base a 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 al realizar simulaciones dinámicas. Las velocidades atómicas están relacionadas a la temperatura del sistema, una cantidad macroscópica. La expresión matemática completa se conoce como una Función potencial y está relacionada a la energía interna del sistema (U - Entropía), una cantidad termodinámica igual a la suma de las energías potencial y cinética. Los métodos que minimizan la energía potencial, son conocidos como técnicas de disminución energética (como, steepest descent y Gradiente conjugado), mientras que los métodos que recrean el comportamiento del sistema con el correr del tiempo son conocidos como Dinámica molecular.

E = E_bonds + E_angle + E_dihedral + E_{non − bonded}

E_{non − bonded} = E_{electrostatic} + E_vanderWaals

Esta función, llamada Función potencial, calcula la energía potencial molecular como una suma de cantidades de energía que describen la desviación del largo de los enlaces, los ángulos de enlace y los ángulos de torsión fuera de los valores de equilibrio, más cantidades para los pares de átomos no enlazados, ayudando a describir las interacciones de van der Waals y las electrostáticas. El conjunto de parámetros que incluye las distancias de enlace equilibradas, los ángulos de enlace, valores de carga parciales, constantes de fuerza y parámetros de van der Waals; son conocidos de manera conjunta como un campo de fuerza. Distintas aplicaciones de la mecánica molecular usa expresiones matemáticas que difieren ligeramente y, por ende, distintas constantes para la Función potencial. Los campos de fuerza de uso corriente en la actualidad han sido desarrollados usando cálculos cuánticos de alto nivel y/o ajustándose a los valores experimentales. La técnica conocida como Disminución Energética es usada para encontrar posiciones de "gradiente cero" para todos los átomos; en otras palabras, un mínimo local de energía. Estados de menor energía son más estables y son comunmente investigados por su función en los procesos químicos y biológicos. Una simulación de Dinámica molecular, por otro lado, calcula el comportamiento de un sistema en función del tiempo. Esto implica resolver las leyes de Newton de movimiento, principalmente la segunda ley, F = ma. La Integración de las leyes de Newton del movimiento, usando diferentes algoritmos de integración, conduce las trayectorias atómicas en el espacio y el tiempo. La fuerza de un átomo es definida como el gradiente negativo de la función potencial de energía. La técnica de disminución de energía es útil para obtener una imagen estática para comparar entre los estados de sistemas similares, mientras que la dinámica molecular provee información sobre los procesos dinámicos con el agregado intrínseco de los efectos de la temperatura.

Las moléculas pueden ser modeladas indistintamente en el vacío o en presencia de un solvente como el agua. Las simulaciones de sistemas en vacío son definidas como simulaciones de "fase gaseosa", mientras aquellos que incluyen la presencia de moléculas de solvente son definidas como simulaciones de "solvente explícito". En cualquier otro tipo de simulación, el efecto del solvente es estimado usando una expresión matemática empírica; estas son conocidas como simulaciones de "solvencia implícita".

Los métodos de modelado molecular son usados rutinariamente en la actualidad para investigar la estructura, dinámica y termodinámica de sistemas inorgánicos, biológicos y poliméricos. Los tipos de actividad biológica que han sido investigados usando modelado molecular incluyen Doblado proteínico, Catálisis de Enzimas, estabilidad de proteínas, cambios conformacionales asociados con la Función biomolecular, y reconocimiento molecular de proteínas, ADN, y complejos de membranas.

Conocimientos adicionales recomendados

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Software popular para modelado molecular

• Millsian
• BALLView
• Cerius2
• InsightII
• Sybyl
• MOE
• Ghemical
• MMTK
• Agile Molecule
• Molsoft ICM
• Oscail X
• PyMOL
• VMD
• SPARTAN
• GROMOS
• GAUSSIAN
• Sirius
• NOCH

Véase también

• Cheminformatics
• Química computacional
• Campo de fuerza (química)
• Dinámica molecular
• Gráfico molecular
• Mecánica molecular
• Modelo molecular
• Método Monte Carlo
• Software para modelado de mecánica molecular

Enlaces externos

• Centro para Modelado Molecular del Instituto de Salud Nacional (NIH) (Agencia del Gobierno de USA) (inglés)
• Simulación Molecular (inglés)
• The eCheminfo Red y Comunidad de Práctica en Informática y Modelado

Referencias

• A. R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, 2001, ISBN 0-582-38210-6
• D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, 1996, ISBN 0-12-267370-0
• D. C. Rapaport, The Art of Molecular Dynamics Simulation, 2004, ISBN 0-521-82586-7
• R. J. Sadus, Molecular Simulation of Fluids: Theory, Algorithms and Object-Orientation, 2002, ISBN 0-444-51082-6