Techniklexikon

Simulation, molekulare

Biophysik, Untersuchung möglicher Konformationsänderungen (Konformation) von molekularen Modellsystemen mit Mitteln der molekularen Mechanik. Das Modellsystem besteht aus Punktmassen bzw. ausgedehnten Körpern, welche Atome oder Atomgruppen darstellen. Stereochemische Information über Bindungslängen, Bindungswinkel usw. (innere Koordinaten) fliesst mathematisch als Nebenbedingung in das Modell ein. Eine geeignet parametrisierte Funktion der Atomkoordinaten dient zur Berechnung der Konformationsenergie.

Die Simulation der Konformationsänderung geschieht mit Hilfe der Molekulardynamik oder der Monte-Carlo-Methode. Im ersten Fall werden die Newtonschen Bewegungsgleichungen numerisch integriert, um eine Trajektorie des Systems in der Raumzeit zu berechnen. Bei der Monte-Carlo-Methode wird ein Ensemble von Konfigurationen des Systems durch zufällige Konformationsfluktuationen generiert, wobei die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen Konformationen der thermodynamischen Verteilung der Energieunterschiede entsprechen. Beide Simulationsmethoden sind nach dem Satz von Liouville (Liouville-Gleichung) äquivalent; d.h. dass thermodynamische Mittelwerte über die Trajektorie und über das Ensemble im Grenzwert gleich sind. (Ergodenhypothese)

Im einfachsten Fall der Simulation wird nur die Konformation mit der niedrigsten Energie berechnet. Dazu werden unterschiedliche Optimierungsverfahren angewandt, z.B. der genetische Algorithmus.