مکانیک مولکولی چیست؟

سایت ویستاژن امروز به توضیح مکانیک مولکولی پرداخته است.

مکانیک مولکولی(MD) چیست؟

شبیه سازی دینامیک مولکولی علمی می باشد که به مطالعه و ترکیب علوم زیستی، شیمی و روش ها و الگوریتم های متنوع رایانه ای ـ ریاضیاتی می پردازد و این روش جهت طراحی پیشرفته دارو، واکسن، آنتی بادی، پروتئین و پپتید و یا سایر ماکرو و میکرومولکول های اجرام عفونی و غیر عفونی و مواد استفاده می شود.

به تعریف ساده تر می توان گفت: مکانیک مولکولی یک تکنیک شبیه سازی کامپیوتری می باشد که بر روی تحرکات و فعالیت های فیزیکی اتم ها و مولکول ها مطالعه می کند. در این روش به اتم ها و مولکول ها مجازند که برای یک دوره زمانی ثابت و معین باهم ارتباط یا میانکنش داشته باشند تا یک دیدگاه کلی درباره ی تکامل دینامیک سیستم ارائه بدهد.

بیشترین و رایج ترین نسخه موجود در این روش، مسیر حرکت اتم ها و مولکول ها از طریق حل عددی معادلات حرکت نیوتن می باشد و برای یک سیستمی که دارای ذراتی هستند که با هم میانکنش می کنند و در این سیستم نیروهای بین ذرات و انرژی های بالقوه آنها اغلب بااستفاده از پتانسیل های اتمی یا میدان های نیروی مکانیک مولکولی ارزیابی یا محاسبه می شود.

این روش در اواخر دهه 1950 در زمینه فیزیک نظری ایجاد گردید و پیشرفت و توسعه چشمگیری بوجود آورد، اما امروزه در زمینه فیزیک شیمیایی، علوم مواد و مدل سازی مولکول های زیستی کاربرد وسیعی دارد. یک شبیه سازی دینامیک مولکولی نیاز به تعیین یک تابع قوی، یا روابطی که از طریق آن ذرات موجود در شبیه سازی باهم ارتباط داشته باشند، تعریف می شود. در دروس شیمی و زیست شناسی این امر معمولا به عنوان یک میدان نیرو و در درس فیزیک مواد به عنوان پتانسیل میان اتمی شناخته و به حساب می آید. پتانسیل ها میتواندد در بسیاری از سطوح دقت فیزیکی معین کنند، مانند آنهایی که بیشتر در شیمی کاربرد دارند که  براساس مکانیک مولکولی بوده و رفتار مکانیک کلاسیک میانکنش ذره را انجام می دهند که میتواند تغییرات ساختاری و کنفورماسیونی را باز تولید یا از خود نشان دهند، اما اغلب نمیتواند واکنش های شیمیایی را باز تولید کند و به همین دلیل در برخی موارد این روش آسیب زننده می باشد.

روش انجام

بطور کلی سیستم های مولکولی به صورت عمومی شامل تعداد زیادی از ذرات اتم ها و مولکولها می باشند که امکان مقرر کردن ویژگی سیستم های پیچیده به طور تحلیلی را امکان پذیر نمیکند. مسئله شبیه سازی دینامیک مولکولی با به کار بردن روش محاسباتی انجام می گردد. به این صورت که دینامیک مولکولی روابط بین ساختار مولکولها، حرکت مولکولها، توابع مولکولی را با یک روش منظم چندگانه بررسی و مطالعه میکند. با در نظر داشتن تعداد مشخصی ذره و حل عددی معادله حرکت برای آنها، محاسبه مسیرهای حرکت در گام های مختلف زمانی و همچنین محاسبه کردن سرعت و مکان ذره در هر گام، میتوان خواص ماکروسکوپی و ضریب نفوذ، گرانروی، ضریب هدایتی حرارتی هر سیستمی را مشخص کرد؛ زیرا خواص میکروسکوپی برای مواد غیر قابل رویت می باشد و با چشم نمیتوان دید،پس می توان گفت: دینامیک مولکولی با میسر کردن مطالعه بر روی مواردی که انجام آنها در آزمایشگاه مشکل یا غیر ممکن است را نیز فراهم می آورد. به عبارت دیگر شبیه سازی رایانه ای این امکان را به ما میدهد که به عنوان یک روش مفید در جهت پیشگویی رفتار خاص ماکرومولکولها در شرایط مختلف استفاده شود و به طوری که یک سیستم با امکان برهمکنش های بین مولکولی می تواند خواص توده مورد مورد نظر را بطور دقیق پیش بینی کند.

روش تجربی مهم آشکارسازی ساختارهای مولکولی ماکرومولکولها، تاباندن اشعه X به پروتئین های کریستال شده می باشد. این روش باعث تحولی بزرگ در رشته بیولوژی ساختاری شده است، اما در بهترین حالت، کریستالوگرافی اشعه ایکس تنها یک عکس فوری و ثابت از یک حالت عملکردی کامل را به ما نشان می دهد که در بعضی مواقع آنچنان درست به نظر نمیرسد.

مراحل انجام کار

در نتیجه چهارمورد اولیه و اساسی در مورد مدلهایی که باید برای دینامیک مولکولی شبیه سازی استفاده شود و کاربرد دارد شامل موارد زیر می باشد:

1) رزولوشن مدل 2) تشریح میانکنش بین اتم ها 3) ساخت کانفیگوریشن ها 4) تعیین شرایط مرزی.

در ارتباط با شبیه سازی کلاسیک دینامیک مولکولی، عملکرد پتانسیل انرژی معمولا مسلط بر میدان نیرو می باشد و به صورت میانکنش بین اتم ها تعیین می شود و در این صورت می باشد که حالت پیوندی بین اتم ها به وسیله اتصال کووالان یعنی پیوند، زوایا، پیچش و حالت های غیر متصل را می باشد. مقدارهای میدان نیرو به طور معمول برای تولید داده ها از محاسبات سطح بالا و آزمایشات مناسب استفاده می شود. اغلب برای بیشتر مولکولهای زیستی مانند پروتئین، DNA ، لیپیدها و قندها، تعداد اندکی از واحدهای ساختمانی می تواند مورد کاربرد قرار بگیرد  و تنها فقط یک بار تنظیم و محاسبه در مورد آنها کافی و میسر می باشد.

کاربرد های مکانیک مولکولی

دینامیک مولکولی در طراحی واکسن، آنتی بادی و پروتئین ها، لیپیدهای ایمونولوژنیک

طراحی و مهندسی پیشرفته واکسن، کیتهای تشخیصی، آنتی بادی و بررسی پروتئین های اجرام بیماری زا جهت ایمن سازی و یا از نظر آلرژنیستی با استفاده از علم ایمونوانفورماتیک و ایمنولوژی محاسبه ای می باشد که در یکی از حوزه هایی است که هم اکنون در قلمرو علم ایمنولوژی را متحول ساخته و راهکارها و چشم اندازهای جدید و قوی به محققین این زمینه که به بررسی پدیده های سلولی و مولکولی حین پاسخ ایمنی عرضه داشته است، داده است. تائید و اعتبار سنجی در مورد میانکنش های بین مولکولی پیش از داکینگ آنها یعنی به عبارتی می توان داکینگ را به صورت پروتئین ـ پروتئین برای نمونه گیرنده شبه تول با فلاژل باکتری یا بصورت پپتید ـ پروتئین که در اصطلاح به اپی توپ با آنتی بادی، MHC یا گیرنده سلول B و T در حالت متصل و غیر متصل می باشد، نام برد که این موارد مهم کاربردهای دینامیک مولکولی در علم ایمونوانفورماتیک می باشد و بدین ترتیب سطح واکنش گر مولکولی، بسیار متغیر و آمینواسیدهای کلیدی در تماس با آن می باشند و به طرق دیگر اپی توپ های متصل شونده و انرژی ترمودینامیک را می توان بعداز مدلسازی در انسان و حیوانات دقیق تر و با جزئیات بیشتری مطالعه و پژوهش کرد. ساختار شیار متصل شونده آنتی بادی و MHC، انعطاف پذیری فضایی بسیار زیادی دارد و ازاین جهت که به پپتیدهای متنوعی می تواند اتصال پیدا کنند و همچنان نحوه حرکت دامنه های پذیرنده در هنگام شناخت و تنظیم ایمنی، بررسی دقیق ساختار و حرکت فضایی پپتیدهای اپی توپیک یا ایمونوژنیک، ارزیابی پروتئین های ایمونوژنیک مورد نظر از اجسام پاتوژن و بهینه سازی ساختارهای مدل سازی شده آنتی بادی معمولی و ساده و نوترکیب همچنین مطالعه بر روی نحوه عملکرد وحرکت لوپ ها در هنگام شناسایی و مشخص کردن  و نوع اتصال آنتی ژن ها و بررسی کامل ساختار نهایی و جدید سازه های پلی توپی بعد از طراحی واکسن و سازه های ایمونولوژیک انجام می گردد کخ با کمک بررسی تاثیر دما بر پایداری پروتئین و حلالیت آن، تاثیر جهش ها بر عملکرد پروتئین و افزایش یا کاهش ایمنوژنیستی و میانکنش آنهارا بر عهده دارد که این موارد گفته شده را میتوان برای استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی در حوزه های مرتبط با واکسن، کیت و آنتی بادی استفاده نمود.

تفاوت بین دینامیک مولکولی و مکانیک کوانتومی

 

مکانیک کوانتومی با حل معادلات مکانیکی کوانتومی که موقعیت ها و انرژی الکترون های اطراف را توصیف می کند که عبارتند از خواص اتم ها، مولکول ها، خوشه ها، سطوح، مواد جامد بلوری و مواد جامد بی نظم را مورد بررسی قرار می دهد. مکانیک کوانتومی قادر است به محاسبه انرژی کل مولکول ها با مسافت های مختلف بین اتم ها می باشد. اما این نوع محاسبات هنوز حالت های لرزشی را برای بسیاری از مولکول ها بهمراه دارد و بسیار وقت گیر می باشد.

در مبحث شیمی، مکانیک مولکولی از ابزارهایی برای محاسبه اشکال و خصوصیات مولکولها است.(پیشتر درموردش گفته شده) هسته ها به عنوان تقریب جرم و پیوند به عنوان چشمه تقریب می شوند. چشمه ها می توانند خاصیت چرخشی داشته باشند، مکانیک مولکولی نیمه تجربی می باشد.

کاربرد دینامیک در طراحی دارو

دینامیک مولکولی و مکانیکی سیستم ها و در حوزه زیست شناختی کاربرد بسیار وسیعی در زمینه طراحی دارو دارد که در کشور ایران و سایر کشورها پیشرفت وسیعی دارد. امروزه طراحی دارو و بهینه سازی ساختار به طور گسترده ای بر علم کموانفورماتیک متمرکز می باشد. این حوزه از علم شامل مواردی می باشد که عبارتند از: استفاده از کامپیوتر و روش های محاسباتی جهت حل مسائل و محاسبات مرتبط با علم شیمی که در برگیرنده چندین شاخه مهم از جمله غربالگری مجازی، جستجوی فارماکوفور، کیوسار می باشد یا به صورت دیگر ارتباط کمی با عملکرد ـ ساختار، طراحی دنوو یا کشف قطعه ای ترکیب رهبری کننده و روش های ترکیبی دارد که در این زمینه پیشرفتهای زیادی قابل مشاهده می باشد. شبیه سازی دینامیک مولکولی یکی از ارکان اصلی در طراحی های نوین دارو می باشد که با این سیستم میتوان به این حوزه دسترسی فراوانی پیدا کرد وباعث توسعه فراوانی در این زمینه شد.

گردآورنده: سرکار خانم پریناز زارع

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

1 × دو =