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Potencial Lennard-Jones O potencial de Lennard-Jones é um modelo simplificado que ainda descreve as características essenciais das interações entre átomos e moléculas simples: Duas partículas interagindo repelem-se a uma distância muito próxima, atraem-se a uma distância moderada e não interagem a uma distância infinita. Onde r é a distância entre duas partículas interagindo, ε é a profundidade do poço potencial, σ é a distância na qual a energia potencial partícula-partícula V é zero. O potencial de Lennard-Jones tem seu mínimo a uma distância de r= rm=21/6σ onde a energia potencial tem o valor V= - ϵ. O valor de σ é a distância na qual a energia potencial entre as partículas é zero, ou seja, quando a força atrativa e a força repulsiva se cancelam. O valor de σ depende da natureza das partículas e pode ser ajustado para reproduzir dados experimentais ou teóricos Poço Quanto maior o valor de ϵ, maior é a intensidade da interação entre as partículas, tanto na atração quanto na repulsão. Isso significa que as partículas tendem a se agrupar mais e a se afastar mais rapidamente quando se aproximam demais. Quanto maior o valor de ϵ, maior é a energia necessária para separar as partículas que estão no mínimo do potencial, ou seja, na distância rm=21/6σ. Isso afeta a temperatura de fusão e de ebulição da substância, que são maiores para maiores valores de ϵ. Quanto maior o valor de ϵ, maior é a variação da energia potencial em função da distância. Isso afeta a distribuição radial das partículas, que é uma medida da probabilidade de encontrar uma partícula a uma certa distância de outra. Para maiores valores de ϵ, a distribuição radial apresenta picos mais altos e vales mais profundos, indicando uma estrutura mais ordenada. Gráfico O gráfico mostra que o potencial tem um mínimo em uma distância de rm=21/6σ, onde σ é a distância na qual o potencial é zero e ϵ é a profundidade do poço de potencial. Nessa distância, as partículas estão em equilíbrio, pois a força atrativa e a força repulsiva se cancelam. Se as partículas se afastam mais do que rm, elas sentem uma força atrativa que tende a aproximá-las. Se elas se aproximam mais do que rm, elas sentem uma força repulsiva que tende a afastá-las. O gráfico também mostra que o potencial tende a zero quando a distância entre as partículas aumenta muito, pois a interação entre elas se torna desprezível. Por outro
lado, o potencial tende ao infinito quando a distância entre as partículas diminui muito, pois a repulsão entre as nuvens eletrônicas se torna muito forte. O gráfico de potencial de Lennard-Jones para estudar as propriedades de uma substância modelada por esse potencial, como a energia interna, a pressão, a temperatura, a densidade e a estrutura. Coulomb A energia potencial elétrica, ou energia potencial eletrostática, é a energia potencial que resulta da interação conservativa de Coulomb e está associada à configuração de um conjunto particular de cargas pontuais dentro de um sistema definido. Um objeto pode ter energia potencial elétrica em virtude de dois elementos principais: sua própria carga elétrica e sua posição relativa a outros objetos eletricamente carregados. Gráfico O potencial de Coulomb é inversamente proporcional à distância, ou seja, quanto maior a distância, menor o potencial. O potencial de Coulomb pode ser positivo ou negativo, dependendo do sinal das cargas. Se as cargas tiverem sinais iguais, o potencial é positivo, pois há uma força repulsiva entre elas. Se as cargas tiverem sinais opostos, o potencial é negativo, pois há uma força atrativa entre elas. O potencial de Coulomb tende a zero quando a distância tende ao infinito, pois a interação entre as cargas se torna desprezível. O potencial de Coulomb tende ao infinito quando a distância tende a zero, pois a repulsão ou atração entre as cargas se torna muito intensa. Gráfico de Ramachandran Um gráfico de Ramachandran é uma forma de visualizar as regiões energeticamente permitidas para os ângulos diedrais da cadeia principal ψ contra φ dos resíduos de aminoácidos na estrutura proteica Observe a distribuição dos pontos no gráfico, que representam os resíduos de aminoácidos. Os pontos nas regiões mais densas são chamados de regiões favorecidas, pois correspondem aos ângulos mais comuns e estáveis nas estruturas proteicas. Os pontos nas regiões menos densas são chamados de regiões permitidas, pois correspondem aos ângulos menos comuns, mas ainda possíveis. Os pontos nas regiões vazias são chamados de regiões proibidas,
Definição de caixa e solvente A caixa é o espaço tridimensional que contém o sistema molecular. Ela pode ter diferentes formas geométricas, como cúbica, ortorrômbica, triclínica, etc. A caixa define as condições de contorno periódicas, ou seja, se uma molécula sai de um lado da caixa, ela entra pelo lado oposto. Isso evita a formação de superfícies e simula um sistema infinito. A caixa deve ter um tamanho adequado para evitar interações espúrias entre as moléculas e suas imagens periódicas. O solvente é o meio no qual o sistema molecular está imerso. Ele pode ser um líquido, como água, etanol, hexano, etc., ou um gás, como ar, hélio, argônio, etc. O solvente influencia as propriedades termodinâmicas e cinéticas do sistema, bem como as interações entre as moléculas. O solvente deve ser escolhido de acordo com o tipo de sistema que se quer estudar e as condições experimentais que se quer reproduzir. Adicionar íons A adição de íons na dinâmica molecular com o GROMACS tem como objetivo neutralizar a carga total do sistema e/ou reproduzir a concentração de íons do solvente real. Por exemplo, se a molécula de interesse tem uma carga líquida positiva ou negativa, é necessário adicionar íons de carga oposta para que o sistema fique eletricamente neutro. Isso evita efeitos indesejados devido a um campo elétrico externo. Além disso, se o solvente é uma solução aquosa com uma determinada concentração de íons, como o soro fisiológico ou o tampão fosfato, é preciso adicionar os mesmos íons na simulação para que as propriedades do solvente sejam similares às do ambiente biológico. Energia de minimização A minimização de energia é um processo que visa encontrar um conjunto de coordenadas que minimizam a energia potencial do sistema molecular. Isso é feito para eliminar maus contatos entre os átomos, relaxar as distorções nas ligações químicas e nos ângulos entre ligações, e preparar o sistema para as simulações de dinâmica molecular. A minimização de energia é realizada com o programa GROMACS, que usa as informações de derivadas parciais emitidas durante a dinâmica molecular para percorrer a superfície de potencial na direção em que a energia diminui Equilibração A equilibração é uma etapa da dinâmica molecular que visa preparar o sistema para a produção, ou seja, a simulação que irá gerar os dados de interesse. A equilibração consiste em submeter o sistema a condições termodinâmicas específicas, como temperatura, pressão e volume, e verificar se ele atinge um estado estacionário, ou seja, um estado em que as propriedades macroscópicas não variam significativamente ao longo do tempo. A equilibração é importante para evitar artefatos e erros nas simulações de produção, como superaquecimento, colapso da caixa, instabilidades numéricas, etc. Produção MD A produção MD é a etapa final da simulação de dinâmica molecular com o GROMACS, na qual o sistema molecular é submetido às condições termodinâmicas desejadas e os dados de interesse são coletados. A produção MD é realizada após a
equilibração do sistema, que visa estabilizar a temperatura e a densidade do sistema nas condições alvo. A produção MD requer um arquivo GRO resultante da equilibração, que contém as coordenadas e as velocidades dos átomos do sistema. Análise A análise é uma etapa da dinâmica molecular com o GROMACS que visa extrair informações relevantes dos arquivos gerados pela simulação. A análise pode envolver o cálculo de propriedades estruturais, dinâmicas e termodinâmicas do sistema molecular, como distâncias, ângulos, dihedros, raios de giração, fatores de estrutura, energias, temperaturas, pressões, densidades, difusões, correlações, espectros, etc. Campo de força O campo de força são modelos matemáticos que representam as interações entre os átomos em um sistema molecular. Eles variam em termos de precisão, complexidade e abrangência, dependendo do tipo de sistema e das propriedades que se quer estudar. A escolha do campo de força deve levar em conta esses fatores e a disponibilidade dos parâmetros adequados para o sistema molecular. A escolha do campo de força depende do tipo de sistema que se quer simular e das propriedades que se quer investigar. É importante escolher um campo de força que seja compatível com o sistema molecular e que tenha parâmetros validados por dados experimentais ou teóricos. CHARMM: é um campo de força desenvolvido para sistemas biológicos, como proteínas, ácidos nucleicos, lipídios e carboidratos. Ele usa uma função de potencial que inclui termos de ligação, ângulo, diedro, Van der Waals e Coulomb. Ele também possui parâmetros para interações específicas, como pontes de hidrogênio, interações iônicas e interações hidrofóbicas. Ele é adequado para estudar a estrutura, a dinâmica e as funções das biomoléculas. GROMOS: é um campo de força baseado em princípios físicos e químicos para sistemas biomoleculares. Ele usa uma função de potencial que inclui termos de ligação, ângulo, diedro, Van der Waals e Coulomb. Ele também possui parâmetros para interações específicas, como pontes de hidrogênio e interações iônicas. Ele é adequado para estudar o comportamento termodinâmico e cinético das biomoléculas. AMBER: é um campo de força empírico para sistemas biomoleculares. Ele usa uma função de potencial que inclui termos de ligação, ângulo, diedro, Van der Waals e Coulomb. Ele também possui parâmetros para interações específicas, como pontes de hidrogênio e interações iônicas. Ele é adequado para estudar a estrutura, a dinâmica e as funções das biomoléculas.
