Molekülmechanik

Molekülmechanik beschreibt die Struktur und Bewegung von Molekülen und molekularen Systemen mithilfe der klassischen Mechanik. Anstelle einer detaillierten Berechnung elektronischer Strukturen werden Atome als Massepunkte behandelt und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte durch ein Kraftfeld beschrieben. Ziel ist es, Geometrien, Dynamik und thermodynamische Eigenschaften des Systems zu verstehen und vorherzusagen.

Ein Kraftfeld umfasst typischerweise Beiträge für Bindungs-, Winkel- und Torsionskräfte sowie Nichtbindungskräfte wie van der Waals und Coulomb. Die Gesamtenergie U eines Systems ist die Summe dieser Beiträge. Die Kräfte ergeben sich als negative Ableitung von U nach den Koordinaten, und die Bewegung der Atome folgt Newtons Gesetzen.

Die wichtigsten computergestützten Methoden der Molekülmechanik sind Molekulardynamik (MD) und Monte-Carlo-Sampling. MD simuliert die zeitliche Entwicklung, indem die Gleichungen von Newton numerisch integriert werden. Typische Zeitschritte liegen im Bereich von femtosekunden. Anwendungen verwenden oft Randbedingungen wie NVT oder NPT. Zur Stabilisierung werden Verfahren wie SHAKE eingesetzt, um bestimmte Bindungen zu fixieren.

Die Parameter eines Kraftfelds werden durch Parameterisierung gewonnen, basierend auf experimentellen Daten und Quantenberechnungen. Bekannte Kraftfelder sind AMBER, CHARMM, OPLS und GROMOS; es gibt biomolekulare wie auch allgemeine Versionen. Zusätzlich gibt es polariserte Kraftfelder oder reaktive Kraftfelder für bestimmte Systeme.

Anwendungen der Molekülmechanik umfassen die Vorhersage von Proteinstrukturen, das Verständnis biomolekularer Prozesse, die Materialforschung, die Wirkstoffentwicklung sowie Lösungsmittel- und Oberflächenstudien. Sie dient der konformen Charakterisierung, der Berechnung von Freien Energien und der Abschätzung thermodynamischer Eigenschaften.

Zu den Einschränkungen zählt, dass elektronische Umstrukturierungen in der Regel nicht explizit berücksichtigt werden. Die Genauigkeit hängt stark vom gewählten Kraftfeld und dessen Parametrierung ab. Zeitliche und räumliche Skalen begrenzen MD-Simulationen; fortgeschrittene Ansätze wie QM/MM, polarisierbare Kraftfelder und coarse-grained Modelle erweitern den Anwendungsbereich.