CÓMO HACER MODELOS COMPUTACIONALES DE MOLÉCULAS? (Introducción al Modelado Molecular)

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Diego Macías Maldonado
hace 8 años
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1 CÓMO HACER MODELOS COMPUTACIONALES DE MOLÉCULAS? (Introducción al Modelado Molecular) Silvano J. SFERCO INTEC (CONICET-UNL) y FBCB, UNL Ciclo: Modelado Molecular y Software Libre FIQ, UNL, 20 agosto 2008

2 Qué significa hacer un modelo de una molécula? Poder decir como están unidos los átomos conectividad Configuración de la molécula Poder entender y predecir su forma tridimensional Distancias de enlace, ángulos de enlace, ángulos diedros, etc Conformación de la molécula

3 Modelo mecánico de bolas y palitos Ejemplo: Estructura del ADN por J.Watson y F.Crick La interesante historia del descubrimiento de la estructura del ADN: La Doble Hélice, James D. Watson Editorial Alianza, 2000

4 Algunas representaciones del ADN, algo mas modernas: hyperchem

5 Programa: HyperChem Desarrollado por HYPERCUBE, Inc. Última versión: Ventajas: Excelente interfase gráfica Muy bueno para docencia Permite construir moléculas Visualiza y calcula estructuras y propiedades Desventajas: Hay que pagar para usarlo Sólo para Windows No muy bueno en cálculos para investigación VMD

6 Programa: VMD (Visual Molecular Dynamics) Desarrollado por Theoretical and Computational Biophysics Group University of Illinois at Urbana-Champaign Última versión: Ventajas: Excelente interfase gráfica Muy bueno para enseñanza e investigación Gratis, tanto para Linux como para Windows Apropiado para macromoléculas y Dinámica Molecular Desventajas: Básicamente visualizador No muy bueno para moléculas pequeñas

7 Para linux, existe un programa que se llama: GABEDIT: ( Diferencia de densidades (Abdulrahman Allouche) Construye y visualiza moléculas Interfase con buenos programas cuánticos

8 Para visualizar es necesario tener un archivo con las coordenadas de los átomos (en un formato que nuestro programa visualizador entienda) (Extracto del archivo de coordenadas del ADN mostrado antes, en formato PDB) ATOM 485 C5M T ATOM 486 C4 T ATOM 487 O4 T ATOM 488 N3 T ATOM 489 C2 T ATOM 490 O2 T ATOM 491 C3* T ATOM 492 C2* T ATOM 493 O3* T CONECT CONECT 2 1 CONECT 3 1 CONECT CONECT CONECT 0 5 CONECT 0 5 CONECT CONECT 0 6 CONECT CONECT

9 Pero, de dónde sacamos el archivo de coordenadas de la molécula? Bases de datos experimentales: difracción de rayos X, difracción de neutrones, NMR, etc Moléculas pequeñas: Cambridge Structural Database (CSD) ( Problema: hay que pagar para usarla Sin embargo, tienen un muy buen programa gratis! para visualizar estructuras cristalinas Mercury:

10 The CSD does not store: * Polypeptides and polysaccharides having more than 24 units. (Protein Data Bank ) * Oligonucleotides. (Nucleic Acids Data Bank * Inorganic structures, (Inorganic Crystal Structure Database ) * Metals and Alloys, (CRYSTMET

11 Base de Datos alternativa: Crystallography Open Database (COD) ( Gratis, pero no tan completa.

12 Si no hay información experimental de la estructura, podemos hacer un modelo teórico a partir de los átomos que forman la molécula Mecánica Cuántica: Sistema: núcleos y electrones interactuando con la interacción de Coulomb Mecánica Clásica: Sistema: iones puntuales interactuando a través de interacciones efectivas (Campo de Fuerzas)

13 Mecánica Cuántica Ejemplo: etanol Hyperchem

14 Mecánica Cuántica Teoría que habría que usar!! Solución numérica (la precisión la elijo yo) Los cálculos son a posiciones fijas de los núcleos Cálculos a T = 0K Para moléculas grandes, computacionalmente muy costoso.

15 Mecánica Cuántica Permite calcular: Orbitales Moleculares, y con éstos, la Densidad de Carga o sea, la distribución espacial de los electrones (permite la identificación de los enlaces químicos) Distribución en energías de los electrones o sea, las energías de los orbitales moleculares (permite entender transiciones en espectroscopía uv-vis) Energía Total mínima estructura estable (permite entender y comparar estructuras moleculares)

16 Energía: vista como un paisaje, en función de las coordenadas atómicas

18 Tipos de cálculos posibles: Single Point: coordenadas de los núcleos fijas Calcula Energía Total y otras propiedades de la molécula Energía Total = cte Geometry Optimization (o Energy Minimization): Algoritmo numérico que modifica las coordenadas de lo núcleos, hasta encontrar el mínimo local mas cercano de Energía Total. Energía Total: cambia hasta tomar el valor del mínimo local mas cercano

19 Single Point y Geometry Optimization se usan tanto en cálculos cuánticos (Quantum Mechanics, QM), como en cálculos clásicos (Molecular Mechanics, MM) Energía Total es constante, o disminuye hasta el valor del mínimo local mas cercano. Es decir, no sirven para saltar barreras de potencial

20 Para saltar barreras de potencial hay que prender la temperatura T 0K Cálculos clásicos (MM): Dinámica Molecular (Molecular Dynamics, MD) Monte Carlo (MC) Cálculos cuánticos (QM): Dinámica Molecular (Car-Parrinello Molecular Dynamics, CPMD) Monte Carlo (Quantum Monte Carlo, QMC)

21 Cálculos clásicos: Dinámica Molecular y Monte Carlo, basados en algún Campo de Fuerzas Campo de Fuerzas: interacciones efectivas entre los átomos: Para moléculas orgánicas pequeñas: MM2, MM3, MM4 Force Field Allinger's MM Res Lab:

22 Dinámica Molecular: resuelve las ecuaciones de Newton para cada átomo en función del tiempo Monte Carlo: cambia las coordenadas atómicas al azar Si se buscan estructuras estables: minimización de energías al final Buenos métodos para calcular valores medios: Ej, valores de propiedades termodinámicas MD, rt-htert

23 También se pueden calcular los modos normales de vibración de una molécula (relacionados con el espectro vibracional o espectro IR de la molécula) Ejemplo: molécula de benceno

24 Ciencia de Materiales computacional propiedades del bulk Superficies Adsorción de moléculas, etc nanoparticulas Sólidos cristalinos - Superficies

25 Gran número de átomos: es necesario hacer modelos! Modelos usuales: Periódico (cristalino): celda primitiva, Con condiciones periódicas de contorno. (Métodos de la Física del Estado Sólido) Local (cluster): trozo del material. Equivale a una molécula (métodos de química cuántica) Hay que elegir la aproximación computacional apropiada: Density Functional Theory (DFT) Quantum Chemistry (QC) Methods

26 Periódico versus Local El material está bastante bien representado El material está pobremente representado

27 Modelo periódico Ideal para propiedades de volúmen del sólido Se pueden simular superficies (slabs) Se pueden simular defectos (superceldas) Se aprovecha la artillería numérica desarrollada para sólidos cristalinos

28 Modelo periódico Ejemplos de propiedades extendidas (o no locales) Energías de chemisorción. Constantes elásticas Efectos de recubrimiento Interacciones de largo alcance Efectos colectivos Propiedades del espacio k: patrones de difracción Espectroscopía de banda de valencia

29 Modelo periódico Existen códigos de cálculo muy eficientes: WIEN2K: FP-(L)APW+lo method ( VASP: Vienna ab-initio Simulation Package ( CPMD: Car-Parrinello Molecular Dynamics ( QUANTUM EXPRESSO: Plane Waves and Pseudopotential DFT code ( DACAPO: ab-initio pseudopotential code ( GAUSSIAN: ( CRYSTAL: (

30 Modelo periódico Ventajas: Muy buen control sobre el modelo. Eficiencia computacional Desventajas: Sólo aplicable con Density Functional Theory (DFT) Tratamiento difícil de efectos magnéticos Aplicable, en principio, sólo para el estado fundamental (T = 0K y no para estados excitados)

31 Modelo Local o de Clusters Adecuado para propiedades locales de sistemas extendidos Algunos ejemplos: Geometría de especies adsorbidas. Espectros XPS e IR de especies adsorbidas. Transiciones d d Transiciones espectroscópicas de defectos (centros F). Acoplamientos magnéticos

32 Modelo Local o de Clusters Ventajas: Fenómenos interpretados en términos químicos Buena predicción de propiedades locales Permite el uso de los métodos mas sofisticados de Química Cuántica (post Hartree-Fock) Desventajas: Efectos de bordes (se resuelve con embedding method) Convergencia respecto del tamaño del cluster Representación limitada de bandas anchas de energías

33 Aproximación computacional: Hartree-Fock Ab-initio (bases gaussianas) Semiempíricos Density Functional Theory all electron o pseudopotenciales Métodos post Hartree-Fock Configuration Interaction (CI) Møller-Plesset Perturbation Theory (MP2) Coupled Cluster (CC) Multi Configurational SCF (MCSCF) Métodos QM/MM

34 Muy buenos links en la wikipedia: Quantum Chemistry Computer Programs: ( Semi-empirical Quantum Chemistry Methods: ( Computational chemical methods in solid state physics: ( Computational_chemical_methods_in_solid_state_physics) Density Functional Theory Programs: ( Density_functional_theory#Software_supporting_DFT) Software for Molecular Mechanics modeling: Software_for_molecular_mechanics_modeling

35 Windows o linux? Docencia: hay buenos programas en Windows y en linux Investigación: prácticamente todos en linux (excepto el Gaussian, que corre tanto en Windows como en linux)

36 Windows o linux? El armado de moléculas, así como casi todos los cálculos cuánticos se pueden hacer en linux utilizando el programa GABEDIT ( o Los cálculos de Dinámica Molecular se pueden realizar con: GROMACS: ( NAMD: ( o Los cálculos de Monte Carlo se pueden realizar con: TINKER: (

37 LiveCDs The LiveCD List: LiveCDs para Modelado Molecular: VigyaanCD: LiveCD del curso Modelado Molecular FBCB, UNL (Gabedit, PyMOL, Tinker, VMD, XmGrace, SPDBV) Gracias a Fernando Chekirdimian!! Pueden copiarlo si quieren!

38 Una copia en pdf de esta charla está a disposición de ustedes Muchas Gracias!

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