Molekulska dinamika

Molekulska dinamika (MD) je oblik računarske simulacije, gde atomi i molekuli mogu da interaguju u određenom vremenskom intervalu, pokoravajući se poznatim zakonima fizike. Molekulski sistemi se generalno sastoje od velikog broja čestica, stoga je nemoguće analitički pronaći osobine tako složenih sistema. Molekulska dinamika prevazilazi ovaj problem koristeći numeričke metode. Čineći vezu između laboratorijskih eksperimenata i teorije, možemo je posmatrati kao virtuelni eksperiment.

Iako je Bolcman (engl. Ludwig Boltzmann) još u 19. veku objasnio da se materija sastoji od interagujućih čestica koje se kreću, većina ljudi i dalje molekule smatra rigidnim. Ričard Fejman (engl. Richard Feynman) je 1963. rekao: „Sve što živa bića rade, možemo shvatiti kao igranje i skakutanje atoma“.^[1] Jedno od razjašnjenja koje je molekulska dinamika načinila, je razvitak svesti da su molekuli, kao što su proteini i DNK, pokretni sistemi. ^[2] Molekulska dinamika objašnjava vezu između molekulske strukture, njihove funkcije i kretanja molekula.

MD je multidisciplinarnog karaktera. Bazira se na primeni matematičkih algoritama i informacione teorije (disciplina primenjene matematike). Nastala je u okviru teorijske fizike 1950. godine, dok se danas uglavnom primenjuje u nauci materijala i u radu sa biomolekulima.

Pre nego što je omogućena računarska simulacija molekulske dinamike, ovaj zadatak je rešavan primenom fizičkih modela, kao što je makroskopska sfera. Ideja je bila da se molekuli slože tako da približno opisuju osobine tečnosti. 1962. Džon Dezmond Bernal (engl. John Desmond Bernal) je rekao: ”...uzeo sam nekoliko gumenih lopti, sabio ih tako da je međusobno rastojanje iznosilo od 2,75 inča do 4 inča. Pokušao sam to da uradim što smirenije, radeći u svojoj kancelariji, ali na svakih pet minuta bio sam prekidan tako da nisam uspeo da zapamtim šta sam pre toga radio”.^[3] Na sreću, danas kompjuteri čuvaju informacije o vezama tokom simulacije.

Molekulska dinamika je specijalna disciplina molekulskog modeliranja i računarske simulacije, bazirana na statističkoj mehanici. Glavni razlog korišćenja MD metode je taj što je prosečan statistički ansambl jednak prosečnom vremenu sistema, poznato kao ergodska hipoteza. MD je takođe označena kao “statistička mehanika brojeva” i “Laplasova vizija Njutnove mehanike” predviđanja budućnosti pomoću animacije, omogućava pogled na kretanje atoma unutar molekula. Sa druge strane, duža MD simulacija je matematički loše uslovljena. Načinjene greške u numeričkoj integraciji mogu biti minimizirane odgovarajućim odabirom algoritama i parametara, ali ne mogu biti potpuno uklonjene. Postojeće potencijalne funkcije su u mnogim slučajevima nedovoljno tačne za prikaz dinamike molekulskih sistema. Kako god, MD omogućava uvid u precizno vreme i prostorni raspored unutar faznog prostora, prostora unutar koga su moguća sva stanja sistema.

1. ↑ Feynman, Richard (1963). "Lectures on Physics" 1: 3-6.
2. ↑ Agarwal, Pratul K (2006). "Enzymes: An integrated view of structure, dynamics and function ". Microbial Cell Factories 5 (2).
3. ↑ Bernal, J.D. (1964). "The Bakerian lecture, 1962: The structure of liquids". Proc. R. Soc. 280: 299-322.