आणविक यांत्रिकी

इस ईथेन अणु की बंधन खींचने वाली ऊर्जा को कम करने के लिए एक बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग किया जाता है।

आणविक यांत्रिकी मॉडल आणविक प्रणालियों के लिए शास्त्रीय यांत्रिकी का उपयोग करती है। बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन को मान्य माना जाता है और सभी प्रणालियों की संभावित ऊर्जा की गणना बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग करके परमाणु निर्देशांक के एक समारोह के रूप में की जाती है। आणविक यांत्रिकी का उपयोग छोटे से लेकर बड़े जैविक प्रणालियों या कई हजारों से लाखों परमाणुओं के साथ सामग्री संयोजनों के आकार और जटिलता के अणु प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है।

सभी-परमाणु आणविक यांत्रिकी विधियों में निम्नलिखित गुण हैं:

• प्रत्येक परमाणु को एक कण के रूप में अनुकरण किया जाता है
• प्रत्येक कण को ​​एक त्रिज्या (आमतौर पर वैन डेर वाल्स त्रिज्या), ध्रुवीकरण, और एक स्थिर शुद्ध आवेश (आमतौर पर क्वांटम गणना और/या प्रयोग से प्राप्त) सौंपा गया है।
• बॉन्डेड इंटरैक्शन को प्रयोगात्मक या गणना की गई बॉन्ड लंबाई के बराबर संतुलन दूरी के साथ स्प्रिंग्स के रूप में माना जाता है

इस विषय पर वेरिएंट संभव हो रहे हैं। उदाहरण के लिए, कई सिमुलेशन ने ऐतिहासिक रूप से एक यूनाइटेड-एटम प्रतिनिधित्व का उपयोग किया है जिसमें प्रत्येक टर्मिनल मिथाइल समूह या इंटरमीडिएट मेथिलीन पुल को एक कण माना जाता था, और बड़े प्रोटीन सिस्टम को आमतौर पर एक बीड मॉडल का उपयोग करके अनुकरण किया जाता है जो दो असाइन करता है। प्रति एमिनो एसिड चार कण।

कार्यात्मक रूप

आणविक यांत्रिकी निरंतर विलायक के साथ संभावित ऊर्जा कार्य।

निम्नलिखित कार्यात्मक अमूर्तता, जिसे रसायन विज्ञान में एक अंतर-परमाण्विक संभावित कार्य या बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) कहा जाता है, आणविक प्रणाली की संभावित ऊर्जा (ई) की व्यक्तिगत ऊर्जा शर्तों के योग के रूप में दी गई रचना में गणना करता है।

$\ E=E_{\text{covalent}}+E_{\text{noncovalent}}\,$ जहां सहसंयोजक और गैर-सहसंयोजक योगदान के घटक निम्नलिखित योगों द्वारा दिए गए हैं:

$\ E_{\text{covalent}}=E_{\text{bond}}+E_{\text{angle}}+E_{\text{dihedral}}$

$\ E_{\text{noncovalent}}=E_{\text{electrostatic}}+E_{\text{van der Waals}}$ प्रोटीन, या बल क्षेत्र की संभावित ऊर्जा, उपयोग किए जा रहे विशेष अनुकरण कार्यक्रम पर निर्भर करती है। आम तौर पर बंधन और कोण की शर्तों को हार्मोनिक थरथरानवाला के रूप में तैयार किया जाता है जो प्रयोग से प्राप्त संतुलन बंधन-लंबाई मूल्यों के आसपास केंद्रित होता है या सॉफ़्टवेयर के साथ किए गए इलेक्ट्रॉनिक संरचना की सैद्धांतिक गणना करता है जो गॉसियन (सॉफ़्टवेयर) जैसे प्रारंभिक प्रकार की गणना करता है। कंपन स्पेक्ट्रा के सटीक पुनरुत्पादन के लिए, कम्प्यूटेशनल लागत पर इसके बजाय मोर्स क्षमता का उपयोग किया जा सकता है। डायहेड्रल या टॉर्सनल शब्दों में आमतौर पर कई मिनिमा होते हैं और इस प्रकार उन्हें लयबद्ध दोलक के रूप में नहीं बनाया जा सकता है, हालांकि उनका विशिष्ट कार्यात्मक रूप कार्यान्वयन के साथ भिन्न होता है। शब्दों के इस वर्ग में अनुचित डायहेड्रल शब्द शामिल हो सकते हैं, जो आउट-ऑफ-प्लेन विचलन के लिए सुधार कारक के रूप में कार्य करते हैं (उदाहरण के लिए, उनका उपयोग बेंजीन रिंग प्लानर रखने के लिए किया जा सकता है, या संयुक्त-परमाणु प्रतिनिधित्व में टेट्राहेड्रल परमाणुओं की सही ज्यामिति और चिरालिटी ).

पूर्ण रूप से गणना करने के लिए गैर-बंधित शर्तें बहुत अधिक कम्प्यूटेशनल रूप से महंगी हैं, क्योंकि एक विशिष्ट परमाणु अपने कुछ पड़ोसियों से ही जुड़ा होता है, लेकिन अणु में हर दूसरे परमाणु के साथ संपर्क करता है। सौभाग्य से वैन डेर वाल्स बल की अवधि तेजी से गिरती है। इसे आम तौर पर 6-12 लेनार्ड-जोन्स क्षमता का उपयोग करके तैयार किया जाता है, जिसका अर्थ है कि आकर्षक बल आर के रूप में दूरी के साथ गिर जाते हैं।⁻⁶ और प्रतिकारक बल r के रूप में⁻¹², जहाँ r दो परमाणुओं के बीच की दूरी को दर्शाता है। प्रतिकारक भाग आर⁻¹² हालांकि अभौतिक है, क्योंकि प्रतिकर्षण तेजी से बढ़ता है। लेनार्ड-जोन्स 6–12 क्षमता द्वारा वैन डेर वाल्स बलों का विवरण अशुद्धि का परिचय देता है, जो कम दूरी पर महत्वपूर्ण हो जाता है। आम तौर पर एक कटऑफ त्रिज्या का उपयोग गणना को गति देने के लिए किया जाता है ताकि परमाणु जोड़े जो कि कटऑफ से अधिक दूरी पर हैं, शून्य की वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन ऊर्जा हो।

इलेक्ट्रोस्टैटिक शब्द अच्छी तरह से गणना करने के लिए कुख्यात हैं क्योंकि वे दूरी के साथ तेजी से नहीं गिरते हैं, और लंबी दूरी की इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन अक्सर अध्ययन के तहत सिस्टम की महत्वपूर्ण विशेषताएं होती हैं (विशेष रूप से प्रोटीन के लिए)। मूल कार्यात्मक रूप कूलम्ब का नियम है, जो केवल r के रूप में गिरता है^-1. इस समस्या का समाधान करने के लिए कई प्रकार के तरीकों का उपयोग किया जाता है, सबसे सरल एक कटऑफ त्रिज्या है जो वैन डेर वाल्स शर्तों के लिए उपयोग किया जाता है। हालाँकि, यह अंदर के परमाणुओं और त्रिज्या के बाहर के परमाणुओं के बीच एक तीव्र विच्छिन्नता का परिचय देता है। स्विचिंग या स्केलिंग फ़ंक्शन जो स्पष्ट इलेक्ट्रोस्टैटिक ऊर्जा को संशोधित करते हैं, कुछ अधिक सटीक तरीके हैं जो गणना की गई ऊर्जा को बाहरी और आंतरिक कटऑफ रेडी पर 0 से 1 तक सुचारू रूप से बदलते स्केलिंग कारक से गुणा करते हैं। अन्य अधिक परिष्कृत लेकिन कम्प्यूटेशनल रूप से गहन विधियाँ हैं इवाल्ड योग#पार्टिकल मेश इवाल्ड (पीएमई) विधि (पीएमई) और फास्ट मल्टीपोल विधि।

प्रत्येक ऊर्जा अवधि के कार्यात्मक रूप के अलावा, एक उपयोगी ऊर्जा फ़ंक्शन को बल स्थिरांक, वैन डेर वाल्स मल्टीप्लायरों और अन्य स्थिर शर्तों के लिए पैरामीटर निर्दिष्ट किया जाना चाहिए। ये शब्द, संतुलन बंधन, कोण, और डायहेड्रल मान, आंशिक आवेश मान, परमाणु द्रव्यमान और त्रिज्या, और ऊर्जा कार्य परिभाषाओं के साथ सामूहिक रूप से एक बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) कहलाते हैं। प्राचलीकरण आमतौर पर प्रयोगात्मक मूल्यों और सैद्धांतिक गणना परिणामों के साथ समझौते के माध्यम से किया जाता है। पिछले MM4 संस्करण में नॉर्मन एल. एलींगर के बल क्षेत्र की गणना 0.35 kcal/mol की rms त्रुटि के साथ हाइड्रोकार्बन के गठन की ऊष्मा, 24 सेमी की rms त्रुटि के साथ कंपन स्पेक्ट्रा के लिए की जाती है^-1, 2.2 की rms त्रुटि के साथ घूर्णी अवरोध°, सी-सी बांड लंबाई 0.004 ए के भीतर और सी-सी-सी कोण 1 के भीतर°. बाद में MM4 संस्करणों में एलिफैटिक एमाइन जैसे हेटेरोएटम्स के साथ यौगिक भी शामिल हैं। प्रत्येक बल क्षेत्र को आंतरिक रूप से सुसंगत होने के लिए पैरामीटरकृत किया जाता है, लेकिन पैरामीटर आमतौर पर एक बल क्षेत्र से दूसरे में स्थानांतरित नहीं होते हैं।

आवेदन के क्षेत्र

आणविक यांत्रिकी का मुख्य उपयोग आणविक गतिकी के क्षेत्र में है। यह प्रत्येक कण पर कार्यरत बलों की गणना करने के लिए बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग करता है और कणों की गतिशीलता को मॉडल करने और ट्रैजेक्टोरियों की भविष्यवाणी करने के लिए एक उपयुक्त इंटीग्रेटर है। पर्याप्त नमूनाकरण और एर्गोडिक परिकल्पना के अधीन, आणविक गतिकी प्रक्षेपवक्र का उपयोग किसी प्रणाली के थर्मोडायनामिक मापदंडों का अनुमान लगाने या गतिज गुणों की जांच करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि प्रतिक्रिया दर और तंत्र।

आणविक यांत्रिकी का एक अन्य अनुप्रयोग ऊर्जा न्यूनीकरण है, जिससे बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग अनुकूलन (गणित) मानदंड के रूप में किया जाता है। स्थानीय ऊर्जा न्यूनतम की आणविक संरचना को खोजने के लिए यह विधि उपयुक्त एल्गोरिदम (जैसे ग्रेडियेंट वंश) का उपयोग करती है। ये मिनीमा अणु (चुने हुए बल क्षेत्र में) के स्थिर कन्फर्मर्स के अनुरूप होते हैं और आणविक गति को इन स्थिर कन्फर्मर्स के बीच चारों ओर कंपन और अंतर्संबंध के रूप में तैयार किया जा सकता है। वैश्विक ऊर्जा न्यूनतम (और अन्य कम ऊर्जा वाले राज्यों) को खोजने के लिए वैश्विक ऊर्जा अनुकूलन के साथ संयुक्त स्थानीय ऊर्जा न्यूनीकरण विधियों को खोजना आम है। परिमित तापमान पर, अणु अपना अधिकांश समय इन निम्न-स्थित अवस्थाओं में व्यतीत करता है, जो इस प्रकार आणविक गुणों पर हावी हो जाता है। तैयार किए हुयी धातु पे पानी चढाने की कला, मेट्रोपोलिस-हेस्टिंग्स एल्गोरिथम और अन्य मोंटे कार्लो विधियों का उपयोग करके या असतत या निरंतर अनुकूलन के विभिन्न नियतात्मक तरीकों का उपयोग करके वैश्विक अनुकूलन को पूरा किया जा सकता है। जबकि बल क्षेत्र गिब्स मुक्त ऊर्जा के केवल तापीय धारिता घटक का प्रतिनिधित्व करता है (और केवल इस घटक को ऊर्जा न्यूनीकरण के दौरान शामिल किया जाता है), अतिरिक्त तरीकों के उपयोग के माध्यम से एन्ट्रापी घटक को शामिल करना संभव है, जैसे सामान्य मोड विश्लेषण।

बाध्यकारी स्थिरांक की गणना के लिए आणविक यांत्रिकी संभावित ऊर्जा कार्यों का उपयोग किया गया है, प्रोटीन तह कैनेटीक्स, प्रोटोनेशन संतुलन, डॉकिंग (आणविक), और प्रोटीन डिजाइन के लिए।

पर्यावरण और समाधान

आणविक यांत्रिकी में, एक अणु या ब्याज के अणुओं के आसपास के वातावरण को परिभाषित करने के कई तरीके मौजूद हैं। एक प्रणाली को आसपास के वातावरण के बिना निर्वात (गैस-चरण सिमुलेशन कहा जाता है) में सिम्युलेटेड किया जा सकता है, लेकिन यह आमतौर पर अवांछनीय है क्योंकि यह आणविक ज्यामिति में विशेष रूप से आवेशित अणुओं में कलाकृतियों का परिचय देता है। भूतल आवेश जो आमतौर पर विलायक अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, इसके बजाय एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे आणविक अनुरूपता उत्पन्न होती है जो किसी अन्य वातावरण में मौजूद होने की संभावना नहीं है। किसी सिस्टम को सॉल्व करने का सबसे सटीक तरीका यह है कि सिमुलेशन बॉक्स में स्पष्ट पानी के अणुओं को ब्याज के अणुओं के साथ रखा जाए और पानी के अणुओं को दूसरे अणु (ओं) की तरह परस्पर क्रिया करने वाले कणों के रूप में माना जाए। विभिन्न प्रकार के जल मॉडल जटिलता के बढ़ते स्तर के साथ मौजूद हैं, पानी को एक साधारण कठोर क्षेत्र (एक संयुक्त-परमाणु मॉडल) के रूप में प्रस्तुत करते हैं, तीन अलग-अलग कणों के रूप में निश्चित बंधन कोणों के साथ, या यहां तक ​​​​कि चार या पांच अलग-अलग संपर्क केंद्रों के रूप में अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों के लिए खाते में ऑक्सीजन परमाणु पर। जैसे-जैसे पानी के मॉडल अधिक जटिल होते जाते हैं, संबंधित सिमुलेशन अधिक कम्प्यूटेशनल रूप से गहन होते जाते हैं। अंतर्निहित सॉल्वैंशन में एक समझौता विधि पाई गई है, जो स्पष्ट रूप से दर्शाए गए पानी के अणुओं को एक गणितीय अभिव्यक्ति के साथ बदल देती है जो पानी के अणुओं (या अन्य सॉल्वैंट्स जैसे लिपिड) के औसत व्यवहार को पुन: उत्पन्न करता है। यह विधि उन कलाकृतियों को रोकने के लिए उपयोगी है जो वैक्यूम सिमुलेशन से उत्पन्न होती हैं और थोक विलायक गुणों को अच्छी तरह से पुन: पेश करती हैं, लेकिन उन स्थितियों को पुन: उत्पन्न नहीं कर सकती हैं जिनमें व्यक्तिगत पानी के अणु एक विलेय के साथ विशिष्ट बातचीत करते हैं जो विलायक मॉडल द्वारा अच्छी तरह से कब्जा नहीं किया जाता है, जैसे कि पानी के अणु जो भाग हैं एक प्रोटीन के भीतर हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क का।

सॉफ्टवेयर पैकेज

Main article: Comparison of software for molecular mechanics modeling

यह एक सीमित सूची है; कई और पैकेज उपलब्ध हैं।

• Abalone
• ACEMD - GPU MD
• AMBER
• Ascalaph Designer
• BOSS
• CHARMM
• COSMOS
• CP2K
• Ghemical
• GROMACS
• GROMOS
• Internal Coordinate Mechanics (ICM)
• LAMMPS
• MacroModel
• MDynaMix
• Molecular Operating Environment (MOE)
• NAMD
• Q
• Q-Chem
• Spartan
• StruMM3D (STR3DI32)
• Tinker
• X-PLOR
• Yasara
• Zodiac

यह भी देखें

• Molecular graphics
• Molecular dynamics
• Molecule editor
• Force field (chemistry)
• Comparison of force field implementations
• Molecular design software
• Molecular modeling on GPU
• Comparison of software for molecular mechanics modeling
• List of software for Monte Carlo molecular modeling

संदर्भ

• Allinger NL, Burkert U (1982). Molecular Mechanics. An American Chemical Society Publication. ISBN 978-0-8412-0885-8.
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• मोलेकुलर
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• गाऊसी (सॉफ्टवेयर)
• ढतला हुआ वंश
• निहित समाधान
• पानी का मॉडल

बाहरी संबंध

• Molecular dynamics simulation methods revised
• Molecular mechanics - it is simple