|
|
|
O simulare a dinamicii moleculare are in general trei perioade distincte:
incalzirea, simularea si racirea. Pentru a masura proprietatile sistemului molecular la echilibru perioada de simulare se imparte in perioada de atingere a echilibrului si perioada de colectare de date.
Pentru a incepe o simulare de dinamica
moleculara este necesara o configuratie initiala a
sistemului molecular. Aceasta trebuie sa fie o structura
moleculara optimizata cu un criteriu de convergenta adecvat:
pentru temperatura camerei se efectueaza o minimizare folosind o valoare
mica a gradientului 
; pentru temperaturi mai mici gradientul trebuie sa fie
si mai mic. Daca molecula, sau anumiti atomi sunt supusi la
tensiuni mari, in timpul simularii se incearca o eliberare a acestora
chiar din primii pasi, conducand la o explozie" a moleculei, sau la o distorsiune a structurii sale.
De cele mai multe ori in cazul simularilor efectuate pe biomolecule, structurile de plecare sunt cele obtinute prin difractia de raze X sau NMR furnizate de bancile de date precum Brookhaven Protein Databank (http: www.resb.org/pdb).
Urmeaza un proces de atribuire a unor
valori pentru vitezele atomilor care sa corespunda temperaturii de
plecare; acestea sunt obtinute printr-o distributie Gaussiana a
vitezelor, provenita de la un generator de numere aleatorii, tocmai pentru
a evita introducerea unor miscari corelate inca de la inceputul
simularii. Aceste viteze sunt ajustate (scalate) pentru fiecare atom
astfel incat energia cinetica totala sa fie egala cu 
, unde k este constanta lui Boltzmann, iar T este temperatura
initiala; dupa 100 - 300 de pasi de simulare (intervale de
timp), distributia vitezelor devine o distributie Boltzmann.
Dupa aceasta initializare urmeaza incalzirea pana la temperatura de simulare; aceasta incalzire trebuie facuta lent, cu pasi mici, pentru a permite sistemului sa se apropie de echilibru in timpul fiecarei trepte de incalzire, astfel incat sa atinga rapid starea de echilibrul la atingerea temperaturii de simulare.
Atingerea starii de echilibru este necesara pentru a evita introducerea vreunui artefact in timpul etapei de incalzire si a asigura faptul ca traiectoria simulata va conduce la proprietatile starii de echilibru.
Perioada necesara stabilirii echilibrului depinde atat de proprietatile dorite cat si de natura sistemului molecular. Sunt unele proprietati care necesita perioade in jur de 100 ps, in timp ce altele devin stabile dupa 10 - 20 ps.
In timpul acestei perioade sunt corectate si vitezele atomilor, care in perioada de incalzire nu simuleaza in mod necesar miscarea reala a sistemului molecular, vitezele fiind date de o distributie arbitrara a valorilor corespunzatoare unei anumite temperaturi si fortelor care actioneaza asupra atomilor intr-o structura partial minimizata energetic. Pentru generarea unor viteze caracteristice echilibrului la temperatura dorita, in aceasta etapa, atomii sunt lasati sa interactioneze intre ei prin intermediul ecuatiilor de miscare.
Pentru o simulare izoterma, vitezele
sunt scalate cu factorul 
, dat de ecuatia (III.6), in fiecare pas 
al simularii.
Pentru a stabili daca sistemul a atins starea de echilibru, se monitorizeaza fluctuatiile anumitor proprietati cum ar fi temperatura, energia potentiala, energia totala, numarul de legaturi de hidrogen sau frecventa de aparitie a anumitor conformeri; atingerea echilibrului este indicata de constanta in timp a acestor proprietati, atata timp cat nu au loc schimbari conformationale majore.
O grija deosebita trebuie avuta in cazul simularilor in solutie, cand apar fluctuatii chiar dupa zeci de picosecunde. Astfel solventul poate prezenta zone "fierbinti", cu un continut ridicat in energie, atingerea starii de echilibru pentru un sistem molecular complex, cum ar fi cel al unei proteine solvatate, fiind insotita de schimbarea conformatiei acesteia. Pentru a evita astfel de situatii este necesara o echilibrare initiala numai a moleculelor de apa (prin selectarea lor), ceea ce conduce la o relaxare a acestora, lasand neschimbata structura proteinei. Numai dupa aceea se echilibreaza intreg sistemul.
O alta situatie intalnita in special in cazul moleculelor mici de solvent, cum ar fi cele de apa, este aceea a cresterii temperaturii solventului in timp ce temperatura solutului scade. Aceasta se intampla datorita achizitiei de catre moleculele mici a unor cantitati mari de energie sub forma de energie de translatie si rotatie, in timp ce o macromolecula retine cea mai mare parte a energiei cinetice sub forma numeroaselor moduri de vibratie. Desi semnalata, o astfel de problema nu a putut fi solutionata in cadrul dinamicii moleculare.
Dupa atingerea echilibrului traiectoria poate fi stabila pe durata a mii de
intervale , ceea ce permite achizitia de date sub forma de
instantanee video (snapshots) sau fisiere de date privind conformatia (lungimi de legatura,
unghiuri de valenta si unghiuri diedre) sau
proprietati moleculare ce pot fi utilizate in calcule termodinamice.
Astfel, calculele dinamicii moleculare din pachetul de programe HyperChem mediaza si salveaza automat intr-un fisier cu extensia .csv urmatoarele valori:
Energia cinetica (EC)
Energia potentiala (EP)
Energia totala (ET)
Temperatura (T)
Orice coordonata interna definita si denumita prin selectie: lungime
de legatura, unghi de valenta, unghi diedru
Abaterea medie patratica DX (RMS-ul abaterilor):
(III.7)
unde X poate fi EC, EP, ET,T, sau orice coordonata interna, n numarul
inregistrarilor,iar 
si 
reprezinta mediile marimi X si 
.
In general cu cat perioada de simulare este mai mare, cu atat datele privind proprietatile moleculare vor fi mai de incredere.
Se poate face medierea rezultatelor obtinute prin simulari repetate asupra aceluiasi sistem molecular, folosind conditii initiale diferite (durata etapelor), sau schimband vitezele si distributia lor. Schimbarea distributiei se poate face prin modificarea numarului si a marimii pasilor de incalzire, in timp ce schimbarea directiilor vitezelor initiale se face prin modificarea coordonatele atomilor in urma rotirii moleculei in sistemul de coordonate molecular.
Racirea lenta a sistemului molecular urmeaza etapei de incalzire si de atingere a starii de echilibru la temperatura aleasa pentru simulare, avand rolul de a indeparta tensiuni datorita incalzirii; acest proces este asemanator celui folosit pentru indepartare tensiunilor din sticla incalzita la o temperatura ridicata in timpul prelucrarii. Se foloseste in special cand se fac simulari la temperaturi inalte, de exemplu 600 K, urmate de racirea lenta la 300 K
Acest proces fie conduce starile conformationale de energie inalta catre conformatii stabile, fie ca prin depasirea barierelor de energie potentiala forteaza molecula sa treaca intr-o conformatie de energie mai coborata decat cea care s-ar obtine doar prin optimizarea geometriei prin mecanica moleculara.
