La perturbación de energía libre ( FEP ) es un método basado en la mecánica estadística que se utiliza en química computacional para calcular las diferencias de energía libre de la dinámica molecular o las simulaciones de Metropolis Monte Carlo .
El método FEP fue introducido por Robert W. Zwanzig en 1954. [1] Según el método de perturbación de energía libre, la diferencia de energía libre para pasar del estado A al estado B se obtiene de la siguiente ecuación, conocida como ecuación de Zwanzig :
donde T es la temperatura , k B es la constante de Boltzmann , y los soportes triangulares indican una media de más de una simulación de gestión para el estado A . En la práctica, se ejecuta una simulación normal para el estado A , pero cada vez que se acepta una nueva configuración, también se calcula la energía para el estado B. La diferencia entre los estados A y B puede estar en los tipos de átomos involucrados, en cuyo caso el Δ F obtenido es por "mutar" una molécula en otra, o puede ser una diferencia de geometría, en cuyo caso se obtiene un mapa de energía libre. a lo largo de una o más coordenadas de reacción . Este mapa de energía libre también se conoce como potencial de fuerza media o PMF.
Los cálculos de perturbación de energía libre solo convergen adecuadamente cuando la diferencia entre los dos estados es lo suficientemente pequeña; por lo tanto, generalmente es necesario dividir una perturbación en una serie de "ventanas" más pequeñas, que se calculan de forma independiente. Dado que no hay necesidad de una comunicación constante entre la simulación para una ventana y la siguiente, el proceso se puede paralelizar trivialmente ejecutando cada ventana en una CPU diferente, en lo que se conoce como una configuración " embarazosamente paralela ".
Solicitud
Los cálculos de FEP se han utilizado para estudiar la energía de unión huésped-huésped, las predicciones de pKa , los efectos de los disolventes en las reacciones y las reacciones enzimáticas. Otras aplicaciones son el cribado virtual de ligandos en el descubrimiento de fármacos , así como para estudios de mutagénesis in silico . [2] Para el estudio de reacciones, a menudo es necesario involucrar una representación de la mecánica cuántica (QM) del centro de reacción porque los campos de fuerza de la mecánica molecular (MM) utilizados para las simulaciones de FEP no pueden manejar la ruptura de enlaces. Un método híbrido que tiene las ventajas de los cálculos de QM y MM se llama QM / MM .
El muestreo de paraguas es otra técnica de cálculo de energía libre que se utiliza normalmente para calcular el cambio de energía libre asociado con un cambio en las coordenadas de "posición" en contraposición a las coordenadas "químicas", aunque el muestreo de paraguas también se puede utilizar para una transformación química cuando el La coordenada "química" se trata como una variable dinámica (como en el caso del enfoque de dinámica Lambda de Kong y Brooks). Una alternativa a la perturbación de energía libre para calcular los potenciales de fuerza media en el espacio químico es la integración termodinámica . Otra alternativa, que probablemente sea más eficiente, es el método del índice de aceptación de Bennett . Existen adaptaciones a FEP que intentan distribuir los cambios de energía libre a subsecciones de la estructura química. [3]
Software
Se han desarrollado varios paquetes de software para ayudar a realizar cálculos de FEP. A continuación se muestra una breve lista de algunos de los programas más comunes:
Ver también
Referencias
- ^ Zwanzig, RWJ Chem. Phys. 1954, 22, 1420-1426. doi : 10.1063 / 1.1740409
- ^ Jespers, Willem; Åqvist, Johan; Gutiérrez-de-Terán, Hugo (2021), Ballante, Flavio (ed.), "Cálculos de energía libre para predicción de unión proteína-ligando" , Interacciones proteína-ligando y diseño de fármacos , Methods in Molecular Biology, Nueva York, NY: Springer EE. UU., Págs. 203–226, doi : 10.1007 / 978-1-0716-1209-5_12 , ISBN 978-1-0716-1209-5, consultado el 30 de marzo de 2021
- ^ Irwin, BWJ, J. Chem. Computación teórica. 2018, 14, 6, 3218-3227. doi : 10.1021 / acs.jctc.8b00027
- ^ "FEP + | Schrödinger" . www.schrodinger.com .
- ^ "El paquete de dinámica molecular ámbar" . ambermd.org .
- ^ http://laetro.usc.edu/software.html