Dinámica molecular clásica

 Bienvenido, 

Si lo que quieres es entender un poco mejor el proceso de dinámica molecular clásica orientado a biomoléculas... ¡Llegaste al lugar adecuado! Vamos a resumir los pasos y etapas involucradas en este proceso.

Comencemos con entender ¿Qué es la dinámica molecular clásica?

Te recomiendo ver el siguiente vídeo introductorio:

También puedes acceder al vídeo en: https://www.youtube.com/watch?v=bYyN_CyELeA

Ahora explicaremos el proceso paso por paso:

PREPARACIÓN DEL SISTEMA

1. Existen varios ensambles estadísticos que se pueden emplear en los sistemas. Wereszczynski y McCammon, 2012 los definen como una colección de varios microestados de un sistema macroscópico en equilibrio según lo determinado por las restricciones que operan en dicho sistema.  Frecuentemente las simulaciones en condiciones fisiológicas de los organismos vivos se llevan a cabo bajo condiciones de N, V, T, p y u constantes, y es por esa razón que se utilizan en el modelado biomolecular.

2. Elección del baróstato/termostato. Es la modificación del sistema durante la simulación, con el propósito de generar un conjunto estadístico a temperatura (termostato) y/o presión (baróstato) constante.

3. Elegir el campo de fuerza. El campo de fuerza es el conjunto de ecuaciones y parámetros  que se emplean para modelar la energía potencial de los átomos del sistema, por lo tanto, determinar el mejor para el sistema que deseas modelar es fundamental. Para biomoléculas, algunos de los más utilizados son: 

• AMBER (Assisted Model Building and Energy Refinement)
•  CHARMM (Chemistry at HARvard Molecular Mechanics)  GROMOS (GROningen MOlecular Simulation package) 
• OPLS (Optimized Potential for Liquid Simulations

4. Condiciones de frontera. Cuando se resuelven ecuaciones diferenciales, es importante establecer los límites de válidez de las soluciones, específicamente, en la frontera del sistema físico. En particular, cuando se hace simulación molecular clásica se usan condiciones de frontera periódicas para facilitar lo cálculos y evitar las interacciones con las paredes del complejo. 

5. Elegir el modelo de agua

SIMULACIÓN MOLECULAR

Se parte de la configuración inicial de la proteína tomando las posiciones en x,y,z de cada átomo. Generalmente se obtienen del archivo .pdb 

Después se asignan velocidades iniciales, cálculo de fuerzas y aceleraciones. 

Se evalua el modelo de energía potencial hasta encontrar el valor de mínima energía

Luego se utilizan las ecuaciones de movimiento de Newton para cálculo de velocidades y posiciones. Las fuerzas se calculan obteniendo la derivada del potencial con respecto al cambio en la posición del átomo. Después se calcula la aceleración dividiendo la fuerza entre  la masa. A partir de ello se calculan nuevas velocidades y posiciones en cada paso y se recalculan en un número máximo de ciclos. 

RESUMEN DE LAS ETAPAS EN SIMULACIÓN MOLECULAR

¡Excelente! Ya hemos resumido el proceso principal, nos vemos en el siguiente post para detallar cada etapa.  Te invito a que explores las referencias y puedas ampliar tu conocimiento.

REFERENCIAS

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• Gupta, S., & Varadwaj, P. K. (2018). A Brief overview on molecular dynamics simulation of biomolecular system: procedure, algorithms and applications. International
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• Lopes, P. E., Guvench, O., & MacKerell, A. D. (2015). Current status of protein force fields for molecular dynamics simulations. In Molecular modeling of proteins (pp. 47-71). Humana Press, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-1465-4_3 
• Roy, K., Kar, S., & Das, R. N. (2015). Understanding the basics of QSAR for applications in pharmaceutical sciences and risk assessment. Academic
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• Schneider, R., Sharma, A. R., & Rai, A. (2008). Introduction to Molecular Dynamics. In Computational Many-Particle Physics (pp. 3-40). Springer, Berlin, Heidelberg.
• Selzer, P.M., Marhöfer, R.J. and Rohwer, A., 2018. Applied bioinformatics. An introduction. Springer, Verlag, Berlin, Heidelberg, Germany, 260.
• UCSF Computer Graphics Laboratory. 2020. Introduction to Protein Data Bank Format. https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/docs/UsersGuide/tutorials/pdbintro.html
• Wereszczynski, J. and McCammon, J.A., 2012. Statistical mechanics and molecular dynamics in evaluating thermodynamic properties of biomolecular recognition. Quarterly reviews of biophysics, 45(1), p.1. https://doi.org/10.1017/S0033583511000096
• Widom, B. and Widom, B., 2002. Statistical mechanics: a concise introduction for chemists. Cambridge University Press. http://assets.cambridge.org/97805218/11194/excerpt/9780521811194_excerpt.pdf