QM/MM (original) (raw)

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The hybrid QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics) approach is a molecular simulation method that combines the strengths of ab initio QM calculations (accuracy) and MM (speed) approaches, thus allowing for the study of chemical processes in solution and in proteins. The QM/MM approach was introduced in the 1976 paper of Warshel and Levitt. They, along with Martin Karplus, won the 2013 Nobel Prize in Chemistry for "the development of multiscale models for complex chemical systems".

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dbo:abstract QM/MM metody jsou metody molekulového modelování, které v sobě kombinují sílu kvantově mechanických výpočtů spolu s efektivností molekulárně mechanických simulací. Počátky vývoje QM/MM sahají do 70. let 20. století. Autory jsou Michael Levitt a Arieh Warshel, nositelé Nobelovy ceny za chemii v roce 2013. Základní koncepce metody tkví v tom, že studovaný systém rozdělíme na dvě části, přičemž vnitřní část (primární subsystém) je popsána na vysoké úrovni kvantové teorie (QM) a jeho okolí pomocí molekulové mechaniky (MM). Metody kvantové mechaniky jsou založeny na řešení Schrodingerovy rovnice a jsou velmi výpočetně náročné. Metody se dále dělí na ab initio a semiempirické metody. Kvantově mechanické metody jsou velmi přesné, co se týče popisu systému a jejich velkou výhodou je, že se dají použít ke studiu reaktivity. Díky jejich náročnosti je jejich použití značně limitováno (malé molekuly). Naproti tomu metody molekulové mechaniky využívají velké množství aproximací a staví na klasické Newtonově mechanice. Molekulová mechanika se hodí k popisu energie a geometrie velkých systémů (biopolymery), ztrácíme ale informaci o elektronech, tudíž nelze studovat chemické reakce. Při tvorbě QM/MM modelu systému musíme vzít do úvahy 3. kritéria: 1. velikost QM systému a MM okolí a reprezentace interakcí mezi nimi 2. úroveň teorie QM (ab initio, semiempirické metody) 3. robustní sampling konformačního prostoru (cs) The hybrid QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics) approach is a molecular simulation method that combines the strengths of ab initio QM calculations (accuracy) and MM (speed) approaches, thus allowing for the study of chemical processes in solution and in proteins. The QM/MM approach was introduced in the 1976 paper of Warshel and Levitt. They, along with Martin Karplus, won the 2013 Nobel Prize in Chemistry for "the development of multiscale models for complex chemical systems". (en) QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) 法は、正確な量子力学的手法 (QM) と高速な分子力学法 (MM) の各々の長所を組み合わせた計算化学の手法である。本手法によって、溶液やタンパク質における化学過程のような、大規模な系の取り扱いが可能になった。QM/MM法は1976年にウォーシェルとレビットの論文中で初めて発表された。ウォーシェルとレビットはカープラスと共に、「複雑な化学系のためのマルチスケールモデルの開発」という受賞理由で、2013年にノーベル化学賞を受賞した。 QM/MM法の大きな長所は効率が良いことである。ほとんどの素朴な分子力学法 (MM) の計算コストはO(N2) に比例する（ここでNは系の原子数を表す）。これは主に静電相互作用の項によるものである。 しかし、カットオフ半径、 周期系におけるペアリストの更新、粒子メッシュエバルト (PME) 法といった各手法を導入することで、計算量はO(N) からO(N2) 程度に削減できる。 換言すると、系の原子数を倍にしても、その計算時間は2倍から4倍程度に収まることを意味する。 一方で、単純な第一原理計算の計算コストはO(N3) に比例し、更に大きい場合もある（制限ハートリー＝フォック計算はO(N2.7)にスケールするとされてきた）。ここで、Nは基底関数の数を表し、 各原子は最低でも電子数個の基底関数を必要とする。 上述の計算量の限界を克服するため、関心のある小規模な部分系 (酵素の活性部位など) のみを量子力学的手法 (QM)により取り扱い、周囲を古典的に取り扱う。 (ja)
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