Возмущение свободной энергии

Возмущение свободной энергии ( FEP ) — ​​это метод, основанный на статистической механике , который используется в вычислительной химии для расчета свободной энергии разностей на основе молекулярной динамики или моделирования Metropolis Monte Carlo .

Метод FEP был представлен Робертом Цванцигом в 1954 году. Согласно методу возмущения свободной энергии, разность свободной энергии для перехода из состояния A в состояние B получается из следующего уравнения, известного как уравнение Цванцига :

$\Delta F(\mathbf {A} \to \mathbf {B} )=F_{\mathbf {B} }-F_{\mathbf {A} }=-k_{\text{B}}T\ln \left\langle \exp \left(-{\frac {E_{\text{B}}-E_{\mathbf {A} }}{k_{\text{B}}T}}\right)\right\rangle _{\mathbf {A} },$

где T — температура , k _B — постоянная Больцмана , а угловые скобки обозначают среднее значение за прогон моделирования для A. состояния На практике выполняется обычное моделирование для состояния A энергия для состояния B. , но каждый раз, когда принимается новая конфигурация, также вычисляется Разница между состояниями A и B может заключаться в типах задействованных атомов, и в этом случае полученное Δ F предназначено для «мутации» одной молекулы в другую, или это может быть различие в геометрии, и в этом случае получается состояние свободной энергии. сопоставить одну или несколько координат реакции . Эта карта свободной энергии также известна как потенциал средней силы (PMF).

Расчеты возмущений свободной энергии сходятся должным образом только тогда, когда разница между двумя состояниями достаточно мала; поэтому обычно необходимо разделить возмущение на ряд меньших «окен», которые вычисляются независимо. Поскольку нет необходимости в постоянной связи между симуляцией одного окна и другого, процесс можно тривиально распараллелить, запуская каждое окно на другом процессоре, что известно как « затруднительно параллельная » установка.

Приложение

Расчеты FEP использовались для изучения энергетики связывания хозяин-гость, pKa прогнозирования , влияния растворителя на реакции и ферментативных реакций. Другими приложениями являются виртуальный скрининг лигандов при открытии лекарств , кремниевого мутагенеза . исследованиях и созревание аффинности антител. Для изучения реакций часто необходимо использовать квантово-механическое (КМ) представление реакционного центра, поскольку молекулярной механики (ММ) силовые поля , используемые для моделирования FEP, не могут справиться с разрывом связей. Гибридный метод, обладающий преимуществами расчетов QM и MM, называется QM/MM .

Зонтичный отбор проб — это еще один метод расчета свободной энергии, который обычно используется для расчета изменения свободной энергии, связанного с изменением координат «положения», а не «химических» координат, хотя зонтичный отбор проб также может использоваться для химического превращения, когда «Химическая» координата рассматривается как динамическая переменная (как в случае подхода Конга и Брукса, основанного на лямбда-динамике). Альтернативой возмущению свободной энергии для вычисления потенциалов средней силы в химическом пространстве является термодинамическая интеграция . Другой альтернативой, которая, вероятно, более эффективна, является метод коэффициента приемки Беннета . Существуют модификации FEP, которые пытаются распределить изменения свободной энергии по частям химической структуры.

Программное обеспечение

Для выполнения расчетов FEP было разработано несколько пакетов программного обеспечения. Ниже приведен краткий список некоторых наиболее распространенных программ:

• Вспышка ФЭП
• ФЭП+
• ЯНТАРЬ
• БОСС
• ШАРМ
• Десмонд
• ГРОМАКС
• Макромодель
• мельник
• НАМД
• Тинкер
• вопрос
• ЧТО

См. также

• Термодинамическая интеграция
• Зонтичный отбор проб