Meccanica molecolare

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La meccanica molecolare è quella branca delle chimica computazionale che si prefigge lo scopo di descrivere le molecole (solitamente molecole di dimensione medio-grande) tramite le leggi della fisica classica, individuando così una serie di caratteristiche delle molecole che possono essere assimilabili alle leggi della fisica classica nonostante si stia parlando di oggetti quantomeccanici. Il vantaggio di tale tecnica consiste nell'evitare un formalismo complesso e dispendioso come quello della meccanica quantistica e permette così di trattare con facilità e senza costi computazionali eccessivi molecole grandi come polimeri e proteine, o molecole per cui una trattazione quantomeccanica è troppo complessa. La meccanica molecolare trova la propria estrinsecazione nel Force field o campo di forze, ossia un potenziale che descrive le caratteristiche energetiche che la molecola genera attorno a sé: in questo modo è possibile valutare le proprietà reattive della molecola in esame rispetto ad un particolare ambiente, in una certa conformazione, o rispetto ad un'altra molecola.

L'immediata estensione della meccanica molecolare è la dinamica molecolare, ovvero l'utilizzo del Force field al fine di valutare il comportamento dinamico di una molecola.

Formulazione dell'energia[modifica | modifica sorgente]

Applicando il campo di forze è possibile calcolare l'energia potenziale di una data molecola che possiede una certa conformazione considerando la somma di singoli contributi energetici dati dal legame chimico covalente e da interazioni non di legame. Quindi l'energia E risulta data dalla somma

\ E = E_{covalente} + E_{noncovalente}

dove i singoli contributi energetici sono dati rispettivamente dalle somme

\ E_{covalente} = E_{str} + E_{bend} + E_{tors}

e

\ E_{noncovalente} = E_{el} + E_{vdW}

Il procedimento adottato per eseguire i calcoli dipende dal tipo di programma utilizzato per effettuare la simulazione. I termini E_{str} e E_{bend}, ovvero le energie di stretching e bending del legame chimico, sono generalmente ricavati utilizzando l'espansione in serie di Taylor del potenziale armonico sulla base di lunghezze di legame di equilibrio ricavate da calcoli basati su dati sperimentali o su metodi ab initio. L'uso del potenziale di Morse, che descrive in modo corretto lo stiramento all'infinito del legame, permette la riproduzione accurata degli spettri vibrazionali ma di contro ha elevati costi computazionali. Il termine E_{tors}, ovvero l'energia di torsione attorno ad un legame per formare un nuovo angolo diedro, possiede tipicamente minimi multipli e quindi non può essere determinato utilizzando il modello dell'oscillatore armonico. Questo termine viene normalmente calcolato utilizzando l'espansione in serie di Fourier della funzione periodica \sum_{n=1}^n V_n cos(n \omega), dove \omega è l'angolo diedro formato e n la periodicità (n=1 360°, n=2 180°, e così via).

I termini energetici non di legame richiedono un maggiore costo computazionale per il loro calcolo, coinvolgendo contemporaneamente più atomi rispetto al legame chimico. Il termine legato all'energia elettrostatica, E_{el}, viene calcolato utilizzando il potenziale di Coulomb. E_{vdW}, ovvero il termine legato alle Forze di Van der Waals, viene invece calcolato utilizzando comunemente il potenziale di Lennard-Jones; vengono utilizzati anche il potenziale di Buckingham-Hill, più accurato di quello di Lennard-Jones, e il potenziale di Morse (particolarmente adatto per piccoli sistemi).

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • U. Burkert and N.L. Allinger, Molecular Mechanics, 1982, ISBN 0-8412-0885-9.
  • Vernon G. S. Box, The Molecular Mechanics of Quantized Valence Bonds, J. Mol. Model., 3, 124, 1997
  • Vernon G. S. Box, The anomeric effect of monosaccharides and their derivatives. Insights from the new QVBMM molecular mechanics force field, Heterocycles, 48, 2389, 1998
  • Vernon G. S. Box, Stereo-electronic effects in polynucleotides and their double helices, J. Mol. Struct., 689, 33-41, 2004
  • O. Becker, A.D. MacKerell, Jr., B. Roux and M. Watanabe, Editors, Computational Biochemistry and Biophysics, Marcel Dekker Inc., New York, 2001, ISBN 0-8247-0455-X.
  • MacKerell, A.D., Jr., Empirical Force Fields for Biological Macromolecules: Overview and Issues, Journal of Computational Chemistry, 25: 1584-1604, 2004
  • Schlick, T. Molecular Modeling and Simulation: An Interdisciplinary Guide. Springer-Verlag, New York, NY: 2002. ISBN 0-387-95404-X.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]