Corse grained models Flashcards
Perché gli elettroni sono obbligatoriamente da trattare quantisticamente?
A temperatura ambiente kT è dell’ordine di 25 meV, mentre il gap di energia tra lo stato fondamentale ed il primo eccitato è solitamente molto maggiore, ad esempio nell’atomo di idrogeno è 10.2 eV.
Quindi a temperatura ambiente l’energia dell’elettrone è per forza vista come quantizzata e quindi il suo trattamento deve essere quantistico.
Quando un nucleo può essere trattato come come classico e quando serve una trattazione quantistica?
Per vibrazioni del nucleo che avvengono lungo il legame, specialmente se coinvolgono atomi leggeri come l’H, le frequenze di vibrazione sono alte e corrispondono ad un’energia maggiore di kT a temperatura ambiente e quindi come per gli elettroni è necessaria una trattazione quantistica.
Tuttavia per moti roto-traslazionali e vibrazioni più lente l’’energia è raggiungibile per eccitazione termica, in questo caso i nuclei possono essere trattati classicamente.
Nel campo di forza come vengono inclusi i legami ad H e le interazioni idrofobiche?
I legami ad H sono riprodotti implicitmente da i termini di non legame nell’espressione per l’energia, se vengono introdotte le molecole d’acqua esplicitamente anche l’interazione idrofobica è inclusa nei termini di non legame.
Vedi slide 15 Corse grained mdels I
Perché i campi di forze, seppure aggiornati negli anni, falliscono a descrivere adeguatamente la denaturazione della proteina?
A causa della scarsa accuratezza con cui sono descritti i legami ad H.
Infatti se la prima curva è la più distante a causa di una sovrastima delle energie di legame ad H*.
Gli aggiornamenti sono stati fatti semplicemente modificando le cariche parziali sugli atomi, ma queste sono mantenute fisse nella simulazione. Per questo non viene considerato l’effetto di polarizzabilità che causa la modifica delle cariche parziali se altre si avvicinano.
*: perché la parametrizzazione fu basata su proteine facilmente cristallizzabili
- Cos’è un campo di forza reattivo e come si può usare per modellare il trasferimento di carica durante l’evoluzione di un sistema (come nel caso della polarizzabilità degli atomi)?
- Quali sono le principali problematiche ad esso legato?
- Un campo di forze reattivo è simile ad uno empirico, tuttavia si aggiunge come grado di libertà la carica elettronica e ad ogni time-step si aggiornano le cariche parziali sugli atomi.
- Il trasferimento di carica si basa sull’equalizzazione del potenziale elettrochimico ad ogni step in modo che sia omogeneo nell spazio, questo comporta che possano avvenire trasferimenti frazionari di carica. Inoltre il trasferimento avviene in maniera praticamente istantanea e come conseguenza il tempo di vita di eventuali radicali è essenzialmente nullo
Cos’è il metodo misto QM/MM e quali sono i suoi pro e contro?
Si basa sull’utilizzo di metodi QM per alcuni punti specifici (includendo quindi gli elettroni in questi) e MM per il resto.
Pro:
* Si risparimia sul costo computazionale trattando il sito reattivo con metodi QM e il resto dell’ambiente con metodi MM.
* Le zone trattate con QM non necessitano di parametrizzazione e sono trattati esattamente (risolvendo ad esempio il problema dei legami ad H).
Contro:
* Il vantaggio dei metodi QM è solo spaziale, temporalmente si richiede l’uso di un time-step inferiore per campionare i processi QM e di conseguenza si richiede un tempo di simulazione maggiore.
* Problemi di interfaccia tra QM e MM, ad esempio spesso è richiesto l’inserimento di atomi fittizi per prevenire lo “sbordamento” degli elettroni nelle zone MM.
Che tipi di coerenze si devono assicurare nei metodi multiscala?
- Coerenza meccanica: indipendentemente dalla risoluzione il sistema deve avere PES equivalenti e quindi essere soggetto alle stesse forze. Questa viene assicurata in maniera che il campo di forze fitti la PES valutata con QM.
- Coerenza dinamica: l’evoluzione del sistema deve essere la stessa per diverse risoluzioni.
- L’esplorazione dello spazio delle fasi e i valori degli medio degli osservabili devono essere gli stessi per diverse risoluzioni.
A cosa corrisponde l’operazione di coarse graining?
Quali sono i vantaggi del coarse graining?
Il coarse graining consiste nel sostituire i gradi di libertà originari (posizioni atomi) con dei nuovi d.o.f. che sono in numero inferiori a quelli originari, questo corrisponde a ragruppare un insieme di atomi come un unico insieme detto bead.
Vantaggi:
* Diminuendo il numero di gradi di libertà il costo computazionale diminuisce e si può studiare il sistema per un tempo più lungo.
* Gli elementi che sono responsabili per movimenti più rapidi sono eliminati e questo permette una scelta di un time-step più alto, implicando un’integrazione delle equazioni del moto più rapide.
* Eliminando d.o.f. deprivo la PES di minimi locali e quindi permetto che venga “sprecato” minor tempo in questi punti, il che porta ad un’esplorazione più efficiente dello spazio delle configurazioni.
Vedi slide 32-33 CG II
Esempio: le nuove coordinate possono essere i centri di massa di un insieme di atomi.
Com’è definita una variabile collettiva?
Come si scrive in funzione delle variabili collettive il profilo di energia libera?
Che cos’è il potenziale di forza media?
Una variabile collettiva è una combinazione delle variabili interne del sistema.
Vedi slide 1 CG II
Il passaggio al CG si svolge mediando il profilo dell’energia e proiettando il sistema in uno spazio configurazionale di dimensione inferiore, eliminando alcuni gradi di libertà. Sebbene questo comporti un’aumento della velocità con cui viene esplorato lo spazio configurazionale, questo può essere un problema se si vuole esplorare con accuratezza il profilo. Come si può risolvere questo problema?
E’ possibile reintrodurre i d.o.f. eliminati manualmente attraverso la dinamica di Langevin, ovvero si aggiunge all’equazione del moto un termine di forza stocastica che aggiunge energia al sistema ed un termine dissipativo che toglie energia al sistema. Questi due termini sono legati da una condizione di equilibrio che altro non è che un’espressione del teorema di fluttuazione-dissipazione.
Il coefficiente di dissipazione può essere valutato sia partendo dai gradi di libertà eliminati (bottom-up), sia eseguendo un fit se si conosce il tempo di smorzamento del sistema (top-down).
Per un regime di alta dissipazione si recupera la dinamica browniana.
Vedi slide 3 CG II per espressioni nel dettaglio.
E’ possibile effettuare un mapping da un modello atomistico di una proteina ad uno CG single-bead?
Nel CG single-bead ad ogni amminoacido è fatto corrispondere un bead.
Quindi i gradi di libertà, che nel modello atomistico erano gli angoli ψ e φ, adesso diventano gli angoli α e θ che sono rispettivamente l’angolo diedro tra 4 beads consecutivi e l’angolo formato da 3 beads consecuitivi.
Il mapping è possibile soltanto quando si sceglie come centro dei beads il Cα di ciascun amminoacido. Il mapping tuttavia non è lineare, e la mappa di Ramachandra viene trasformata in una mappa con un codominio ridotto, il che risulta in punti ravvicinati in essa.
Cosa si intende per shape based models?
La posizione dei beads è scelta nelle posizioni di massima densità atomica. I beads ereditano la massa e carica totale dei loro componenti.
Cosa si intende per residue based modelng?
Si costruisce il moedllo in base ai suoi componenti strutturali.
Es.: il più semplice è quello di singolo bead per amminoacido
Quali sono alcune possibili scelte delle coordinate dei beads nei modelli residue based?
Alcune scelte possibili sono il centro geometrico oppure il centro di massa del gruppo di atomi incluso nel bead. Tuttavia questi non riproducono in modo ottimale la flessibilità delle catene laterali degli amminoacidi. Tuttavia a causa del fatto che la catena laterale può essere molto flessibile, l’individuazione di un centro di massa fisso può non essere rappresentativa.
Una scelta alternativa può essere quella di scegliere alcuni atomi come rappresentativi delle posizioni dei beads. Ad esempio il Cα di ciascun amminoacido.
Perché la scelta della posizione del Cα come centro del bead è vantaggiosa nel residue-based modeling?
Essendo che il piano peptidico è regido, lo è anche la lunghezza tra i vari Cα*. Quindi scegliendoli come centri dei beads, la loro distanza non gioca alcun ruolo come coordinata interna del sistema.
Le uniche vere variabili interne sono l’angolo tra tre atomi consecutivi θ e quello diedro tra 4 atomi consecutivi φ.
* aldilà del fatto che la distanza varia tra conformazione CIS e TRANS, ma sappiamo che la TRANS è prevalente e quindi è considerabile fissa a tutti gli effetti.
