Modelarea moleculară

1. Mecanica şi dinamica

Modelarea moleculară în forma sa cea mai simplă şi care conţine cele mai puţine

presupuneri este reprezentată de vizualizarea 3-D, vizualizare bazată pe informaţii structurale

indirecte. Structurile modelate sunt foarte importante în înţelegerea şi stimularea gândirii. Cu

toate că a apărut un număr tot mai mare de metode din ce în ce mai sofisticate pentru

elucidarea structurii macromoleculare, vor exista întotdeauna structuri ce nu vor putea fi

observate în mod direct. O structură instabilă sau tranzitorie este adeseori mult mai importantă

decât una cu o stabilitate de lungă durată. O mare parte din modelarea moleculară efectuată

este realizată în scopul testării înţelegerii proceselor fizice care stau la baza acesteia. Scopul

construirii unui model predictibil şi al testării sub observaţie directă a acestuia este de a spori

exactitatea procedurii construcţiei modelului.

Prima structura a ADN-ului 3-D construită de Crick şi Watson era în mare parte un

model care combina o serie de date disparate şi în unele cazuri o serie de date indirecte.

Succesul modelului dublu helix nu este datorat exactităţii sale ci este datorat faptului că a stat

la baza dezvoltării multor idei şi observaţii diferite care au format o imagine de ansamblu a

structurii ADN.

Modelările timpurii ale ADN-ului erau realizate prin folosirea modelelor fizice legate

prin bare metalice pentru a reprezenta legăturile dintre componentele atomice ale helixului.

Într-o etapă ulterioară kit-urile modelelor de ocupare spaţială au fost dezvoltate cu ajutorul

modelelor Corey- Pauling- Koltun, care erau folosite pe scară largă în construcţia helixului

ADN. Actual, tehnica computerizată este universal utilizată atât pentru construcţia cât şi

pentru analiza modelelor acizilor nucleici.

O condiţie prealabilă a modelării unei molecule este determinarea unui câmp de forţă. În

cazul unui model compact, câmpul de forţă are o bază fizică evidentă dar care de cele mai

multe ori este restricţionată în precizie şi rigiditate. Modelele computerizate sunt capabile să

utilizeze descrieri destul de complexe ale forţelor care acţionează asupra moleculei. Câmpul

de forţa empiric este definit ca fiind totalul tuturor componentelor energetice a tuturor

perechilor de atomi. Componentele energetice care determină unghiurile de legătură,

torsiunea diedrului, torsiunea necorespunzătoare, legatură de hidrogen, van der Waals şi

interacţiunea electrostatică sunt definite în general. Potenţialele reale ale energiei utilizate

într-o problemă de modelare individuală pot include doar un subset al acestor componente

energetice sau alte relaţii speciale aşa cum ar fi distanţa de restricţie, simetria de restricţie sau

componente mai puţin cunoscute care descriu hidrofobia, etc.

Dat fiind un câmp de forţă adecvată, există mai multe moduri în care acesta poate fi

utilizat. Mecanica moleculară constă în mare parte din mecanisme de căutare a unor căi de

acces spre formele cu un nivel de energie globală inferioară aşa cum este definit de către

câmpul de forţă. Au fost elaborate o varietate mare de diferiţi algoritmi. Toată mecanica

moleculară suferă de pe urma existenţei mai multor minime, în măsura în care numărul

minimelor care există cu energii peste minima globală este atât de mare astfel încât să fie

practic de nepătruns de nimic decât de moleculele de dimensiuni extrem de reduse.

Mecanica moleculară poate fi utilizată în corelaţie cu câmpul de forţă pentru a găsi

minima locală pentru structurile care au fost create prin alte mijloace, cum ar fi de exemplu

minimizarea energiei modelelor construite folosind parametri standard elicoidali. Acest tip de

utilizare va permite crearea unor structuri energetice rezonabile şi în acelaşi timp permite

compararea directă a diferitelor modele.

Metoda Metropolis sau Monte Carlo este o abordare de căutare a unei configuraţii a

spaţiului care să fie în măsură să depăşească barierele energetice. Acest algoritm deplasează

structura de start în mod aleatoriu şi apoi compară energia noii stări a structurii cu energia

stării anterioare. În cazul în care noua energie obţinută este mai mică decât cea obţinută la

ultima deplasare aceasta este acceptată iar algoritmul merge la un alt ciclu. Dacă energia noii

stări este mai mare decât a celei obţinute într-o stare anterioară atunci ultima deplasare este

acceptată doar cu o anumită probabilitate.

Mişcarea (dinamica) moleculară newtoniană a fost dezvoltată ca o modalitate de

simulare a proprietăţilor moleculare. Structurile moleculare sunt tratate ca fiind grupări de

atomi care au masă şi viteză. Integrarea ecuaţiilor de mişcare ale lui Newton de-a lungul

timpului este folosită pentru a determina dimensiunea şi direcţia pasului următor. Perioada de

timp a integrării trebuie să fie extrem de mică tocmai pentru a evita instabilitatea generată de

vibraţia rapidă a moleculelor. Procesul de calcul a mişcării moleculare chiar şi pentru câteva

picosecunde este extrem de costisitor. Mişcarea newtoniana a fost adaptată de către

modelatori pentru a fi utilizată ca şi mecanism în căutarea spaţiului conformaţional pentru a

găsi structuri compatibile cu unele date experimentale externe. Utilizarea constantelor de forţă

şi potenţialelor „nenaturale” permit o creştere considerabilă în cercetarea vitezei.

Aplicabilitatea actuală a tehnicilor de modelare asupra perfecţionării structurilor care conţin

informaţii experimentale foarte detaliate, aşa cum sunt cristalografia sau rezonanţa magnetică

nucleară, produc rezulate extrem de bune.

E = Ʃ k(r – r0)2 energia de întindere

E = Ʃ k(θ – θa)2 legătura unghiulară

E = Ʃ k(1 + cos(nϕ – δ)) unghiul de torsiune

E = Ʃɛη[ (r’η/rη)12 – 2(r’η/rη)6] van der Waals

E = ƩQiQj/ɛηrη electrostatic

E = Ʃ(A/r’ad - B/r’ad)cosm(θA-H-D)legătura de hidrogen

Figura 16. Ecuaţiile câmpului de forţă utilizate în mod obişnuit pentru descrierea energiei

potenţiale ale unui sistem molecular.

Aplicabililitatea dinamicii şi mecanicii moleculare problemelor care au informaţii

limitate este mai greu de evaluat. Criteriile utilizate pentru a evalua reuşita sunt diferite în

funcţie de circumstanţe. Un studiu recent de modelare a substanţei carcinogene (+)anti-

benzo[a]piren-diol-epoxida (bpde) şi a enantiomerului non-carcinogen (-) BPDE, a fost testat

prin determinarea structurii sale cu ajutorul RMN. Benzo[a]piren este o substanţă chimică

conţinută de gazul de eşapament al maşinilor care în urma activării metabolice în ficat, poate

forma in vivo, legături covalente cu gruparea amino a guaninei din ADN. Mecanica

moleculară a utilizat pe scară largă prezenţa cercetărilor conformaţionale a celor două

amestecuri rezultate în urma combinării enantiomerilor (+) şi (-) dihidro-diol-epoxidă.

Concluzia rezultată în urma modelării este că cele două imagini în oglindă ale izomerilor vor

fi orientate în direcţii opuse de-a lungul concavităţii mici modelului ADN-B. Orientările

diferite ale amestecului BPDE cu ADN-ul rezultă din răspunsurile diferite ale enzimelor

responsabile pentru replicarea şi repararea ADN-ului. Rezultatele modelării pun în acord

structurile celor două amestecuri de izomeri derivaţi în urma analizei RMN.

Odată cu îmbunătăţirea tehnicilor de modelare moleculară este de aşteptat ca

previziunile cuantificabile mai exacte să devină mult mai frecvente.

Figura 17. Diagrama 3-D (pentru vizionarea paralelă) care prezintă trei puncte de vedere ale

structurii de (+)antibenzo[a]piren-diol-epoxida amestecul ADN preconizat de modelare.

(a) vizionarea normală a axei helixului, (b)vizionarea în jos a axei helixului, (c) vizionare

ortogonală spre (a).