Свободная энергия возмущения

Возмущение свободной энергии ( FEP )-это метод, основанный на статистической механике , который используется в вычислительной химии для вычисления различий в свободной энергии от молекулярной динамики или Metropolis Monte Carlo моделирования .

Метод FEP был введен Робертом В. Званцигом в 1954 году. Согласно методу свободной энергии возмущения, разница в свободной энергии для перехода от состояния A в состояние B получена из следующего уравнения, известного как уравнение Цванзига :

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

Там, где t - температура , K _B является постоянной Больцманной , а угловые кронштейны обозначают среднее значение по моделированию для состояния a . На практике кто -то запускает нормальное моделирование для состояния A энергия для состояния B. , но каждый раз, когда принимается новая конфигурация, также вычисляется Разница между состояниями A и B может находиться в задействованных типах атомов, и в этом случае полученное Δ F предназначено для «мутации» одной молекулы на другую, или это может быть разницей в геометрии, и в этом случае можно получить свободную энергию Карту вдоль одного или нескольких координат реакции . Эта карта свободной энергии также известна как потенциал средней силы (PMF).

Расчеты о возмущении свободной энергии сходится только, если разница между двумя состояниями достаточно мала; Поэтому обычно необходимо разделить возмущение на серию меньших «окон», которые вычисляются независимо. Поскольку нет необходимости в постоянной связи между симуляцией для одного окна и следующим, процесс может быть тривиально параллелизован путем запуска каждого окна на другом процессоре, в том, что известно как « смущающая параллельная » установка.

Приложение

Расчеты FEP были использованы для изучения энергетики связывания хозяина -геста, прогнозов PKA , эффектов растворителя на реакции и ферментативных реакций. Другими применениями являются виртуальный скрининг лигандов при обнаружении лекарств , в мутагенеза Silico исследованиях и созревание аффинности антител. Для изучения реакций часто необходимо включать квантово-механическое (QM) представление реакционного центра, поскольку молекулярной механики (MM), силы используемые для моделирования FEP, не могут обрабатывать разбитые связи. Гибридный метод, который имеет преимущества расчетов как QM, так и MM, называется QM/MM .

Отбор проб зонтика -это еще одна методика расчета свободной энергии, которая обычно используется для расчета изменений в свободной энергии, связанных с изменением координат «положения», в отличие от «химических» координат, хотя выборка зонтика также может использоваться для химической трансформации, когда они могут использовать химическую трансформацию «Химическое» координата рассматривается как динамическая переменная (как в случае подхода к динамике лямбда Конга и Брукса). Альтернативой возмущению свободной энергии для вычислительных потенциалов средней силы в химическом пространстве является термодинамическая интеграция . Другая альтернатива, которая, вероятно, более эффективна, - это метод принятия Беннетта . Существуют адаптация к FEP, которые пытаются распределить изменения свободной энергии на подразделы химической структуры.

Программное обеспечение

Было разработано несколько программных пакетов, чтобы помочь выполнить расчеты FEP. Ниже приведен короткий список некоторых из наиболее распространенных программ:

• Flare Fep
• FEP+
• ЯНТАРЬ
• Босс
• Чармм
• Десмонд
• Громаки
• Макромодель
• Молярный
• Намд
• Тинкер
• Q.
• Что

Смотрите также

• Термодинамическая интеграция
• Зонтик выборки