Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

Posgrado → Química Teórica y Computacional ↓


Simulación de dinámica molecular


Las simulaciones de dinámica molecular (DM) son herramientas computacionales utilizadas para estudiar los movimientos físicos de átomos y moléculas. Es un tipo de simulación esencial en química teórica y computacional porque ayuda a los científicos a comprender el comportamiento de los sistemas moleculares.

Introducción a la dinámica molecular

En el núcleo de las simulaciones de DM está el concepto de resolver las ecuaciones de movimiento de Newton para un sistema de partículas interactuantes. Al hacerlo, los investigadores pueden predecir cómo un sistema molecular particular evoluciona con el tiempo. Los principios de DM implican calcular las fuerzas entre las partículas en el sistema y luego integrar estas fuerzas para predecir nuevas posiciones y velocidades a lo largo del tiempo.

F = ma # Segunda ley de Newton del movimiento # F representa la fuerza # m representa la masa # a representa la aceleración

En las simulaciones de DM, las leyes de la física clásica se aplican a moléculas y átomos. Esto nos permite ver la trayectoria de cada partícula y, por lo tanto, comprender cómo interactúan a nivel microscópico, lo que se puede extender para comprender las propiedades macroscópicas.

Principios de la dinámica molecular

A continuación se presentan los pasos básicos involucrados en la simulación de dinámica molecular:

  1. Inicialización: Definir condiciones iniciales, incluyendo las posiciones y velocidades de todas las partículas. A menudo, las velocidades iniciales se especifican de acuerdo con la distribución de Maxwell–Boltzmann.
  2. Cálculo de fuerzas: Calcular las fuerzas entre partículas. Esto generalmente implica calcular la energía potencial del sistema y su gradiente.
  3. Integración: Actualizar la posición y la velocidad de las partículas integrando las ecuaciones de movimiento de Newton a lo largo del tiempo usando pasos de tiempo.
  4. Propiedades termodinámicas: Calcular las propiedades del sistema tales como energía, temperatura y presión. Estas propiedades brindan información sobre el comportamiento del sistema molecular bajo estudio.
  5. Análisis: A partir de los datos de la simulación recopilada, analizar las trayectorias para obtener información sobre la estructura molecular, la dinámica y las interacciones.

A continuación una representación visual simplificada de un ciclo de simulación de dinámica molecular:

Inicio Cálculo de Fuerza integrar Análisis

Las direcciones de las flechas en la figura indican dependencias entre los pasos de simulación.

Campo de fuerzas

En la dinámica molecular, el término "campo de fuerzas" se refiere a un conjunto de ecuaciones y parámetros para estimar las fuerzas entre átomos en un sistema molecular y, por lo tanto, proporcionar una superficie de energía potencial computacional. Los campos de fuerzas son importantes porque determinan la precisión y fiabilidad de la simulación.

Una ecuación típica de campo de fuerzas incluye los siguientes términos:

E_total = E_enlazado + E_no-enlazado

Dónde:

  • E_enlazado: Energía resultante del estiramiento de enlaces, flexión de ángulos y energía torsional.
  • E_no-enlazado: Energía resultante de las fuerzas de van der Waals e interacciones electrostáticas.

Veamos los componentes individuales:

E_enlazado = E_enlaces + E_ángulos + E_torsiones
E_no-enlazado = E_vdW + E_electrostático

Con estas ecuaciones, las simulaciones de DM pueden calcular la energía total de un sistema y posteriormente obtener fuerzas para la integración.

Ejemplos y aplicaciones

Las simulaciones de DM se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en química, biología y ciencias de materiales. Aquí algunos ejemplos:

  • Plegamiento de proteínas: Comprender cómo las proteínas adoptan su estructura 3D funcional a partir de su secuencia de aminoácidos. La DM ayuda a visualizar las rutas de plegamiento y los paisajes energéticos.
  • Diseño de fármacos: Las simulaciones de DM pueden predecir cómo un fármaco interactúa con su proteína objetivo a nivel atómico, ayudando a optimizar la eficacia y afinidad del fármaco.
  • Propiedades de materiales: Al simular grandes grupos de átomos a lo largo del tiempo, la DM ayuda a estudiar las propiedades estructurales y mecánicas de los materiales a escala nanométrica.
  • Dinámica de membranas: Comprender el comportamiento y las propiedades de las membranas biológicas es importante en biología celular, y la DM proporciona información sobre la fluidez de la membrana e interacciones con proteínas.

Un ejemplo textual de una configuración de simulación de DM simple podría verse así:

# Pseudo-código para ciclo de simulación de DM
inicializar_posiciones()
inicializar_velocidades()
para paso_de_tiempo en simulación:
    calcular_fuerzas()
    integrar_movimiento()
    guardar_trayectoria()
    si paso_de_tiempo % intervalo_de_salida == 0:
        calcular_propiedades_termodinámicas()
        registrar_propiedades()

Representación visual de la dinámica molecular

La visualización es un componente clave para analizar y comunicar resultados en DM. Las trayectorias atómicas se pueden visualizar utilizando varias herramientas de software, lo que permite a los científicos observar movimientos moleculares, rotaciones e interacciones a lo largo del tiempo.

Imagine una representación visual de moléculas de agua interactuando en una caja bajo simulación de DM:

En esta simple caja, los círculos azules representan moléculas individuales de agua moviéndose e interactuando a través de la simulación de DM.

Desafíos y limitaciones

La dinámica molecular presenta desafíos específicos:

  • Limitaciones de escala de tiempo: debido a las restricciones computacionales, las simulaciones a menudo cubren el rango de sub-microsegundos a microsegundos, mientras que muchos procesos biológicos ocurren en escalas de tiempo más largas.
  • Precisión de campos de fuerza: La fiabilidad de una simulación depende en gran medida de la precisión del campo de fuerza utilizado. Parámetros incorrectos pueden llevar a un comportamiento físico poco realista.
  • Recursos computacionales: Las simulaciones de DM requieren un poder computacional considerable, especialmente para simulaciones que involucran grandes sistemas o que necesitan ejecutarse en una escala de tiempo realista.

A pesar de estas limitaciones, los avances continuos en algoritmos, poder computacional y desarrollo de campos de fuerza están abordando estos problemas y ampliando el alcance y la capacidad de las simulaciones de DM.

Conclusión

Las simulaciones de dinámica molecular desempeñan un papel indispensable en la química teórica y computacional moderna. A través de avances en computación y algoritmos, la DM avanza en nuestra comprensión de los procesos moleculares, proporcionando ideas atómicas detalladas que son cruciales para la investigación en muchos campos científicos.

Al simular con precisión el comportamiento de las moléculas, la DM realiza contribuciones significativas al desarrollo de fármacos, el descubrimiento de nuevos materiales y nuestra comprensión fundamental de los sistemas biológicos. La mejora continua de las tecnologías y metodologías de DM promete aún más ideas y aplicaciones profundas en el futuro.


Posgrado → 5.1


U
username
0%
completado en Posgrado

← Anterior (5)
Química Teórica y Computacional
Siguiente (5.1.1) →
Force fields and energy minimization

Comentarios 



Simulación de dinámica molecular

https://www.chemistryelite.com/g/5.1?ceal=es