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Molecular Modelling

Molekülmechanik (Kraftfeld oder force field-Berechnungen)

Große Moleküle und Molekülkomplexe lassen sich nicht mit den extrem aufwändigen quantenmechanischen Rechenverfahren untersuchen. Hier werden daher Modellingverfahren verwendet, die von vereinfachenden Annahmen ausgehen und die Bewegung der Elektronen eines Moleküls vernachlässigen.

Definition
Bei der Molekülmechanik werden Atome im Molekül durch deformierbare Kugeln dargestellt, die über Federkräfte miteinander verbunden sind. Den Atomen werden unterschiedliche van-der-Waals-Radien zugeordnet, ebenso wie bestimmte Arten von Bindungen über Bindungslänge und Bindungsstärke (Kraftkonstante), Bindungs- und Torsionswinkel im Molekül definiert sind. So lassen sich Aussagen über die Geometrie und die relative Energie einer Substanz machen.

Das Kraftfeld definiert in diesem Zusammenhang eine Gruppe von Parametern, die für diese Energiefunktion notwendig ist. Der einfachste Fall eines Kraftfelds beschreibt die Summe aller intra- und intermolekularen Kräfte in einem Molekül. Ausgehend von Referenzwerten werden alle Abweichungen von Bindungslängen und -winkeln, von Rotationswinkeln und von Interaktionen nicht kovalent gebundener Atome des Moleküls addiert. Zu den nicht kovalenten Interaktionen (non-bonding interactions) gehören die van-der-Waals-Interaktionen, die anziehend (London-Dispersionskräfte) bzw. abstoßend (im Nahbereich, da Atome nicht überlappen können) sein können, und die Coulombschen Interaktionen, die zwischen allen geladenen Teilchen (Dipole eingeschlossen) wirken.

E = E (Bindungslänge) + E (Bindungswinkel) + E (Torsion) + E (nichtkovalent)

Neben diesen vier Basiskomponenten eines Kraftfelds kommen bei komplizierteren Systemen weitere Parameter hinzu.

Abb.1

Bindungslänge

Abb.2

Bindungswinkel

Abb.3

Torsionswinkel

Abb.4

Nicht-gebundene Interaktion

Die Kraftfeldparameter selbst ergeben sich aus quantenchemischen Berechnungen und aus empirischen Daten (z.B. aus thermodynamischen Messungen oder auch Kristallstrukturen). Für Biomoleküle werden häufig das AMBER- und das CHARMM-Kraftfeld verwendet, die besonders geeignet sind zur Beschreibung von Amino- und Nucleinsäuren.

Für welche Anwendungen ist diese Methode ungeeignet?

Alle chemischen Bindungen werden unter klassisch-mechanischen Gesichtspunkten beschrieben, d.h. dass Elektronen in diesem Modell nicht berücksichtigt werden und nur die Position des Atomkernes für die Darstellung relevant ist. Delokalisierte Bindungen, Ionisierungspotenziale, Elektronenaffinitäten oder angeregte Zustände lassen sich so ebenso wenig berechnen wie dynamische Vorgänge, z. B. die Bildung oder Auflösung von Bindungen im Molekül. Es handelt sich hier also um eine sehr stark parametrisierte und statische Methode zur Beschreibung eines Moleküls.

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