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A magia da água: como simular o mistério da água com química computacional?
A água, como uma das substâncias mais importantes da Terra, tem propriedades físicas e químicas únicas e é essencial para a existência da vida. Desde o surgimento da química computacional, os cientistas têm trabalhado para usar modelos matemáticos para simular o comportamento da água. Esses modelos não apenas preveem as propriedades físicas da água, mas também fornecem insights sobre como a água reage em diferentes ambientes e seu papel nos organismos vivos.
"As propriedades da água estão intimamente relacionadas à sua estrutura molecular, que pode ser simulada e prevista usando métodos de química computacional."
Modelos de água em química computacional são usados principalmente para simular agregados de moléculas de água, água líquida e soluções aquosas. Esses modelos são baseados na mecânica quântica, mecânica molecular, dados experimentais ou uma combinação desses métodos. Para imitar as propriedades específicas das moléculas de água, os pesquisadores desenvolveram vários tipos de modelos, que geralmente podem ser categorizados de três maneiras: (i) o número de pontos de interação, chamados de “sítios”, (ii) o rígido ou flexível e ( iii) se o modelo inclui efeitos de polarização.
Na simulação da água, uma abordagem comum é usar um modelo de solvente explícito, ou seja, um modelo baseado em moléculas específicas. Como alternativa a esses modelos explícitos, estão disponíveis modelos de solventes implícitos, que usam um modelo contínuo para tratar o comportamento da água. Um exemplo dessa área inclui o modelo de solvente COSMO ou o modelo de contínuo polarizável (PCM), ou mesmo alguns modelos de solvente misto.
Modelo de água simples
O modelo rígido é considerado o modelo mais simples para água e depende de interações não ligadas. Nesses modelos, as interações de vínculos são tratadas implicitamente por meio de restrições globais. As interações eletrostáticas são modeladas com base na lei de Coulomb, enquanto as forças de repulsão e dispersão são descritas usando potenciais de Lennard-Jones. Esses modelos potenciais, como TIP3P (Potencial Molecular de Três Pontos Transferível) e TIP4P, são representados como:
E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
Onde kC é a constante eletrostática, qi e qj são as cargas parciais relativas à carga do elétron, e rij é a distância entre os dois átomos. Em muitos modelos de água, o termo Lennard-Jones se aplica apenas às interações entre átomos de oxigênio. Os parâmetros geométricos de vários modelos de água, como distância OH e ângulo HOH, variam de acordo com o modelo.
Modelos bidimensionais e tridimensionais
O modelo de dois sítios é baseado no conhecido modelo SPC de três sítios e é capaz de prever as propriedades dielétricas da água usando a teoria do fluido molecular renormalizado por sítio. O modelo tridimensional corresponde aos três átomos da molécula de água, com cada sítio tendo uma carga. O modelo tridimensional é computacionalmente eficiente e é amplamente utilizado em muitas simulações de dinâmica molecular.“Os modelos tridimensionais comumente usados, como o TIP3P, têm um bom desempenho no cálculo do desempenho térmico específico.”
Por exemplo, o modelo SPC/E adiciona uma correção de polarização à função de energia potencial, tornando a densidade da água resultante e a constante de difusão melhores que o modelo SPC. O modelo TIP3P é amplamente utilizado no campo de força CHARMM, e pequenas modificações são feitas no modelo original para torná-lo mais adequado para a simulação de moléculas biológicas.
Modelos flexíveis vs. rígidosO modelo de água SPC flexível é um modelo de água tridimensional reparametrizado. Diferentemente do modelo SPC rígido, o modelo flexível pode descrever corretamente a densidade e a constante dielétrica da água em simulações de dinâmica molecular. Este modelo é implementado em vários programas computacionais, como MDynaMix e Abalone.
Modelos de água de ordem superior
O modelo de quatro sítios melhora a distribuição de carga das moléculas de água adicionando um átomo fictício próximo ao átomo de oxigênio do modelo de três sítios. O modelo mais antigo desse tipo pode ser rastreado até o modelo Bernal–Fowler em 1933. Embora o modelo tenha sido historicamente importante, ele não reproduziu muito bem as principais propriedades da água.
O modelo TIP4P é amplamente utilizado em software de química computacional e desempenha um papel fundamental na simulação de sistemas biomoleculares, enquanto novos modelos de água, como o modelo OPC, podem descrever com mais precisão as propriedades elétricas da água.
O desenvolvimento dos modelos de cinco e seis posições
Embora o modelo de cinco bits tenha um alto custo computacional, ele tem progredido gradualmente nos últimos anos com a introdução do modelo TIP5P. O modelo de cinco bits reproduz melhor a geometria do dímero de água e é capaz de capturar com precisão os dados experimentais. O modelo de seis bits incorpora todos os recursos de modelos anteriores aos dados e foi projetado especificamente para estudar sistemas de água e gelo.
"Na química computacional, a simulação da água não é apenas um desafio técnico, mas também uma chave para entender o funcionamento da vida."
Custos computacionais e perspectivas futuras
O custo computacional do modelo hídrico aumenta com o número de locais. Para simulações de dinâmica molecular, à medida que o número de locais aumenta, o número de distâncias interatômicas que precisam ser calculadas também aumenta. No entanto, o desenvolvimento desses modelos não é apenas uma narrativa matemática, mas um microcosmo de como a água realmente se comporta na natureza. À medida que a tecnologia avança, seremos capazes de encontrar modelos que revelem mais mistérios da água num futuro próximo?
