Language
Country/Area
No result found
Магия воды: как смоделировать тайну воды с помощью вычислительной химии?
Вода, как одно из важнейших веществ на Земле, обладает уникальными физическими и химическими свойствами, необходимыми для существования жизни. С момента появления вычислительной химии ученые работали над использованием математических моделей для моделирования поведения воды. Эти модели не только предсказывают физические свойства воды, но и дают представление о том, как вода реагирует в различных средах, а также о ее роли в живых организмах.
«Свойства воды тесно связаны с ее молекулярной структурой, которую можно моделировать и предсказывать с помощью методов вычислительной химии».
Модели воды в вычислительной химии в основном используются для моделирования агрегатов молекул воды, жидкой воды и водных растворов. Эти модели основаны на квантовой механике, молекулярной механике, экспериментальных данных или комбинации этих методов. Чтобы имитировать специфические свойства молекул воды, исследователи разработали несколько типов моделей, которые в целом можно классифицировать тремя способами: (i) по количеству точек взаимодействия, называемых «сайтами», (ii) жесткие или гибкие, и ( iii) включает ли модель эффекты поляризации.
При моделировании воды распространенным подходом является использование явной модели растворителя, то есть модели, основанной на конкретных молекулах. В качестве альтернативы этим явным моделям доступны неявные модели растворителя, которые используют модель континуума для описания поведения воды. Примером этой области является модель растворителя COSMO или модель поляризуемого континуума (PCM), или даже некоторые модели смешанных растворителей.
Простая модель воды
Жесткая модель считается самой простой моделью для воды и основана на не связанных взаимодействиях. В этих моделях взаимодействие связей регулируется неявно посредством глобальных ограничений. Электростатические взаимодействия моделируются на основе закона Кулона, а силы отталкивания и дисперсии описываются с использованием потенциалов Леннарда-Джонса. Эти потенциальные модели, такие как TIP3P (переносимый трехточечный молекулярный потенциал) и TIP4P, представлены как:
E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
Где kC — электростатическая постоянная, qi и qj — парциальные заряды относительно заряда электрона, а rij — расстояние между двумя атомами. Во многих моделях воды термин Леннарда-Джонса применяется только к взаимодействиям между атомами кислорода. Геометрические параметры различных моделей воды, такие как расстояние ОН и угол HOH, различаются в зависимости от модели.
Двух- и трехмерные модели
Двухсайтовая модель основана на известной трехсайтовой модели SPC и способна предсказывать диэлектрические свойства воды с использованием теории молекулярной жидкости с ренормализацией сайтов. Трехмерная модель соответствует трем атомам молекулы воды, каждый из которых имеет заряд. Трехмерная модель эффективна с вычислительной точки зрения и широко используется во многих моделях молекулярной динамики.«Обычно используемые трехмерные модели, такие как TIP3P, хорошо подходят для расчета удельной теплоемкости».
Например, модель SPC/E добавляет поляризационную поправку к функции потенциальной энергии, делая результирующую плотность воды и константу диффузии лучше, чем модель SPC. Модель TIP3P широко используется в силовом поле CHARMM, и в исходную модель внесены небольшие изменения, чтобы сделать ее более подходящей для моделирования биологических молекул. Гибкие и жесткие модели
Гибкая модель воды SPC — это репараметризованная трехмерная модель воды. В отличие от жесткой модели SPC, гибкая модель может правильно описывать плотность и диэлектрическую проницаемость воды в молекулярно-динамических симуляциях. Эта модель реализована в нескольких вычислительных программах, таких как MDynaMix и Abalone.
Модели воды более высокого порядка
Четырехпозиционная модель улучшает распределение заряда молекул воды путем добавления фиктивного атома рядом с атомом кислорода трехпозиционной модели. Самая ранняя такая модель восходит к модели Бернала–Фаулера 1933 года. Хотя модель имела историческое значение, она не очень хорошо воспроизводила основные свойства воды.
Модель TIP4P широко используется в программном обеспечении вычислительной химии и играет ключевую роль в моделировании биомолекулярных систем, в то время как новые модели воды, такие как модель OPC, могут более точно описывать электрические свойства воды.
Разработка пяти- и шестипозиционных моделей
Хотя пятибитная модель имеет высокую вычислительную стоимость, в последние годы она постепенно совершенствуется с появлением модели TIP5P. Пятибитная модель лучше воспроизводит геометрию димера воды и способна точно фиксировать экспериментальные данные. Шестибитная модель включает в себя все особенности предыдущих моделей и разработана специально для изучения систем воды и льда.
«В вычислительной химии моделирование воды — это не только техническая задача, но и ключ к пониманию механизмов жизни».
Вычислительные затраты и перспективы на будущее
Вычислительная стоимость модели воды увеличивается с увеличением количества участков. При моделировании молекулярной динамики с увеличением числа участков увеличивается и число межатомных расстояний, которые необходимо рассчитать. Однако разработка этих моделей — это не просто математическое повествование, а микрокосм того, как вода на самом деле ведет себя в природе. Сможем ли мы по мере развития технологий в ближайшем будущем найти модели, которые раскроют еще больше тайн воды?
