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Molecular Modelling

Das Kraftfeld in der Molekülmechanik

Bei der Berechnung von Kraftfeldern in der Molekülmechanik werden alle Bindungen, Winkel und Torsionen berechnet und ihre Energien addiert. Hinzu kommt der Beitrag der nicht kovalenten Wechselwirkungen. Die Wechselwirkungen zwischen den Atomen, die nicht kovalent gebunden sind, werden über das Coulomb-Potenzial für elektrostatische Wechselwirkungen und das Lennard-Jones-Potenzial für van-der-Waals-Wechselwirkungen beschrieben.

Abb.1

In der Praxis wird zunächst jede einzelne Bindung im Molekül klassifiziert. Die Festlegung des Atomtyps ist eine wichtige Größe für die Berechnung, besonders in Bezug auf die Hybridisierungsstruktur. Ein Kohlenstoff-Atom im sp3-Hybrid ist ein Tetraeder, während ein sp2-Kohlenstoff trigonal und ein sp-Kohlenstoff linear ist. Kraftfelder sind allerdings mehr oder weniger detailliert im Hinblick auf die Atomtypen, die unterschieden werden. Im AMBER-Kraftfeld ist das C-Atom, das an der Verbindung eines Fünferringes zu einem Sechserring liegt (z.B. beim Tryptophan) ein anderer Atomtyp als ein C-Atom am isolierten Fünferring (Histidin) oder Sechserring (Benzol). Ein eher allgemeines Kraftfeld würde alle drei Beispiele als sp2-Kohlenstoff klassifizieren.

Ein einfaches Beispiel einer Klassifizierung: für das Molekül Butan (C4H10) hieße das

  • drei C-C-Bindungen + 10 C-H-Bindungen
  • zwei C-C-C-Winkel, 14 C-C-H-Winkel, 8 H-C-H-Winkel
  • ein C-C-C-C dihedraler Winkel, 10 C-C-C-H dihedrale Winkel, 16 H-C-C-H dihedrale Winkel

Die "United-Atom"-Näherung zur Vereinfachung der Berechungen

Für große Biomoleküle hat sich in der Praxis die "United-Atom"-Näherung bewährt (z.B. in GROMOS), bei der Wasserstoff-Atome nicht berücksichtigt und bestimmte Gruppen (z.B. Methyl-Gruppen, Methylen-Gruppen u.a.) als ein Atom zusammengefasst werden.

Literatur:

  • GROMOS wurde entwickelt von: H.J. Berendsen (Groningen) und W.F. van Gunsteren (ETH Zürich)
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