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Molecular Modeling: Kraftfelder und Molekülmechanik

Einführung in die Molekül-Mechanik

Bei einer quantenchemischen Beschreibung von Molekülen bewegen sich die Elektronen in Orbitalen, wo sie durch die Kerne angezogen werden. Die quantenmechanische Beschreibung hat den Begriff der chemischen Bindung nicht nötig. Im Gleichgewicht von attraktiven und repulsiven Energie-Komponenten wird eine günstige Anordnung der Elektronen für ruhende Kerne (Born-Oppenheimer-Näherung) ermittelt. Durch die Optimierung der Molekülstruktur wird eine Gleichgewichtsstruktur gesucht, bei der die Kräfte zwischen den Atomen verschwinden, d.h. der Gradient der Totalenergie des Moleküls nach den Kern-Koordinaten wird zum Null-Vektor.

Bei einer Beschreibung mittels der Molekül-Mechanik betrachtet man das Molekül aus den Atomen aufgebaut. Die Bewegung der Atome (Punktmassen) wird mit der klassischen Mechanik (Newton) beschrieben. Dabei wird der Zusammenhalt der Atome durch Bindungen beschrieben. Diese prinzipielle Zusammengehörigkeit der Atome wird während der Optimierung, entsprechend der Bindungsinformation, beibehalten. Zu jeder Bindung (abhängig von der Art der Atome und dem Typ der Bindung) gehört ein, als Parameter definierter, Gleichgewichtsabstand und eine Kraftkonstante. Beide Parameter sind in einer Potenzialfunktion zusammengefügt, wo beispielsweise die Abstandsabhängigkeit dieses zwischenatomaren Potenzials (vgl. Morse-Potenzial-Funktion) beschrieben wird.

Betrachtet man ein Molekül (bestehend aus N Atomen), das durch seine (3N-6) inneren Koordinaten (Strukturfreiheitsgrade) beschrieben wird, so sind neben den Bindungslängen auch Bindungswinkel- und Torsionswinkel-Abhängigkeiten als Potenzialfunktionen bereitzustellen. Für die paarweisen Wechselwirkungen zwischen den nicht gebundenen Atomen werden weitere Potenzialfunktionen integriert.

Ausgehend von einer Startstruktur des Moleküls wird, ganz analog zur Quantenmechanik, die 3D-Struktur eines Moleküls gesucht, die die niedrigste Energie hat. Da der entsprechende Rechenaufwand ganz erheblich geringer ist, können so auch beträchtlich größere Moleküle (z.B. Bio-Moleküle), mit bis zu einigen Tausend Atomen, optimiert werden.

Die Güte der Ergebnisse wird durch die verwendeten Parameter und Potenzialfunktionen (Kraftfeld) limitiert; die Ergebnisse sind so gut, wie das Kraftfeld in dem jeweiligen Molekül die Wechselwirkungen zwischen den Atomen beschreibt. Molekülmechanische Methoden sind in "Molecular Modeling"-Verfahren weit verbreitet.

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