分子建模

分子建模涵盖了用于建模或模仿分子行为的所有理论和计算方法。该方法应用于计算化学、药物设计、计算生物学和材料科学等领域。研究从小型化学系统到大型生物分子和材料组装的分子系统。可以手动执行最简单的计算，但是不可避免地需要计算机来执行任何尺寸合理的系统的分子建模。分子建模方法的共同特征是分子系统的原子级描述。这可以包括治疗原子作为最小独立单元（一个分子力学的方法），或明确地与它的光子（一个建模质子和中子以其夸克，抗夸克和胶子和电子的量子化学方法）。

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分子力学是分子建模的一个方面，因为它涉及使用经典力学（牛顿力学）来描述模型背后的物理基础。分子模型通常将原子（原子核和电子）描述为具有相关质量的点电荷。相邻原子之间的相互作用通过类似于弹簧的相互作用（表示化学键）和范德华力来描述。在兰纳-琼斯势通常用来形容后者。静电相互作用是根据库仑定律计算的。在笛卡尔空间或内部坐标中为原子分配坐标，也可以在动力学模拟中为其分配速度。原子速度与系统温度（宏观量）有关。集体数学表达式称为势函数，并且与系统内部能量（U）相关，系统内部能量（U）等于势能和动能之和的热力学量。使势能最小化的方法称为能量最小化方法（例如，最速下降和共轭梯度），而随时间传播对系统行为进行建模的方法称为分子动力学。

分子可以在真空中或在溶剂（例如水）的存在下建模。真空中的系统模拟称为气相模拟，而包含溶剂分子存在的模拟称为显式溶剂模拟。在另一种类型的模拟中，使用经验数学表达式来估算溶剂的影响；这些被称为隐式溶剂化模拟。

大多数力场是与距离相关的，因此对于这些笛卡尔坐标最方便地表达。然而，在特定原子之间发生的键的相对刚性，并且本质上定义了名称分子的含义，使内部坐标系成为最合逻辑的表示。在某些领域、IC表示法（键长、键之间的角度以及键的扭曲角如图所示）称为Z矩阵或扭转角表示。不幸的是，笛卡尔空间中的连续运动通常需要内部坐标中不连续的角分支，这使得在内部坐标表示中使用力场相对困难，相反，由于在笛卡尔空间中原子的简单位移可能不是直线轨迹禁止相互关联的债券。因此，计算优化程序在其迭代过程中在表示之间来回翻转是非常普遍的。这可能会影响电势本身的计算时间，并且在长链分子中会引入累积的数字误差。尽管所有转换算法在数学上都产生相同的结果，但它们的速度和数值精度却有所不同。当前，最快到最精确的扭转到直角坐标的转换是自然扩展参考系（NERF）方法。

现在常规使用分子建模方法来研究无机，生物和聚合物系统的结构、动力学、表面性质和热力学。使用分子建模已研究的生物活性类型包括蛋白质折叠、酶催化、蛋白质稳定性，与生物分子功能相关的构象变化以及蛋白质，DNA和膜复合物的分子识别。