دانلود مقالات ISI درباره شبیه سازی دینامیک مولکولی + ترجمه فارسی

شبیه سازی دینامیک مولکولی یکی از مهمترین ابزارها، جهت بررسی اساس فیزیکی ساختار و عملکرد ماکرومولکول های زیستی می باشد. دینامیک مولکولی شکلی از شبیه سازی کامپیوتری است که در ان اتم ها و مولکول ها اجازه دارند برای یک دوره از زمان تحت قوانین شناخته شده فیزیک باهم برهم کنش کنند و چشم اندازی از حرکت اتم ها بدهند. از آنجائیکه سیستمهای مولکولی عموما شامل تعداد زیادی از ذرات هستند امکان پذیر نیست که ویژگی های سیستم های پیچیده را بطور تحلیلی بدست آوریم. شبیه سازی دینامیک مولکولی این مسئله را با بکار بردن روش محاسباتی حل می‌کند. این روش یک واسطه بین تجربیات آزمایشگاهی و نظریه ایجاد می‌کند و به عنوان یک آزمایش مجازی در نظر گرفته می‌شود. دینامیک مولکولی روابط بین ساختار مولکول ها، حرکت مولکول هاو توابع مولکولی را بررسی می‌کند. دینامیک مولکولی یک روش منظم چندگانه ‌است. قوانین و نظریه‌های آن از ریاضیات، فیزیک و شیمی بدست می‌آید و الگوریتم‌هایی را از علم رایانه و نظریه اطلاعات بکار می‌برد. دینامیک مولکولی ابتدا در فیزیک نظری در دهه ۱۹۵۰ استفاده شد. اما امروزه بیشتر در علم مواد و زیست مولکول بکار می‌رود. قبل از اینکه امکان شبیه سازی دینامیک مولکولی با رایانه‌ها بوجود بیاید عده‌ای کار سخت آزمایش کردن آن بوسیله مدلهای فیزیکی مانند کره‌های ماکروسکوپیک را متعهد شدند. ایده این بود که آن ها را مرتب کنند تا ویژگی های مایع را تکرار کند. برای آغاز یک شبیه سازی دینامیک ملکولی ابتدا باید یک ساختار اولیه که نقطه شروع یا ساختار سیستم در زمان t=0 است برای سیستم انتخاب نمود. در اغلب شبیه سازی‌های دینامیک ملکولی ماکروملکول های زیستی، ساختاری که با روش‌های کریستالوگرافی یا طیف نگاری رزونانس مغناطیسی هسته مشخص شده است به عنوان ساختار اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مواردی که با یکی از این دو روش ساختار ماکروملکول تعیین نشده باشد می‌توان از ساختارهای مدل سازی شده به روش‌های تئوری استفاده کرد. انتخاب ساختار اولیه سیستم از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و باید مورد دقت و توجه قرار گیرد زیرا این انتخاب می‌تواند کیفیت فرآیند شبیه سازی را تحت تأثیر قرار دهد. قبل از شروع شبیه سازی فرآیند کمینه کردن انرژی ساختار انجام می‌گیرد تا میانکنش های واندروالسی که در وضعیت‌های نامناسب از نظر انرژی قرار دارند حذف شوند و به ساختار و محیط اجازه داده شود میانکنش های مناسب مثل پیوندهای الکترواستاتیک را با یکدیگر برقرار سازند. قبل از کمینه سازی انرژی سیستم ملکول‌های آب به پروتئین افزوده می‌شود و به اصطلاح ملکول در محیط آبی قرار می‌گیرد و حل می‌گردد. این مجموعه ملکول و حلال در داخل جعبه‌ای قرار گرفته و برای فرآیند کمینه سازی انرژی آماده می‌شوند. سرعت‌های اولیه در دمای پایین برای هر یک از اتم‌های سیستم معین می‌شود (به صورت تصادفی) و از معادلات حرکت نیوتون استفاده می‌شود تا سیستم حرکت خود را در بعد زمان شروع کند. در این مرحله از شبیه سازی دینامیک ملکولی شروع می‌شود و در طی فرآیند افزایش دما همان‌طور که بیان شد سرعت اولیه برای هر اتم در دمای پایین تعیین می‌شود و به طور متوالی سرعت‌های جدید در دمای بالاتری برای اتم‌ها تعیین می‌گردد و شبیه سازی ادامه می‌یابد و این روند ادامه دارد تا سیستم به دمای مورد نظر برسد. شبیه سازی در این مرحله در شرایط NVT انجام می‌گیرد. پس از اینکه دمای سیستم به مقدار مورد نظر رسید، شبیه سازی در شرایط NPT ادامه می‌یابد و در طی این مرحله رفتار سیستم از نظر شکل ساختار، فشار، دما و انرژی کنترل می‌گردد. نقطه تعادل سیستم زمانی است که رفتار سیستم نسبت به زمان پایداری قابل قبولی را نشان دهد. پس از به تعادل رسیدن سیستم که تغییرات انرژی کل سیستم در طی زمان می‌تواند آن را تایید کند مرحله تولید یا ایجاد ساختار در طی زمان مورد نظر آغاز می‌گردد. این زمان از چند صد پیکو ثانیه تا چندین نانو ثانیه یا بیشتر می‌تواند متغیر باشد. در طی زمان تولید خواص ترمودینامیکی، خواص ساختاری و غیره را می‌توان محاسبه کرد. هنگامی‌که یک شبیه سازی دینامیک ملکولی برای یک ماکرو مولکول انجام می‌گیرد، ساختارهای ایجاد شده و سرعت‌ها حفظ می‌شود و این اطلاعات برای تحلیل مورد استفاده قرار می‌گیرد. خواص وابسته به زمان را می‌توان با نمودار نمایش داد به طوری که یکی از محورها زمان شبیه سازی و محور دیگر کمیت مورد مطالعه را به خود اختصاص می‌دهد. ساختار میانگین را همچنین می‌توان محاسبه نمود و با ساختار تجربی مقایسه کرد. شبیه سازی دینامیک ملکولی می‌تواند به فهم تغییرات ساختاری، انعطاف پذیری نواحی مختلف ملکول در سطح اتمی کمک کند. در شبیه سازی دینامیک مولکولی نیروهایی که اتم‌ها به هم وارد می‌کنند با استفاده از یک مدل میدان نیرو تخمین زده می‌شود و سپس حرکت اتم‌ها بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک نیوتونی شبیه سازی می‌شود. این روش شبیه سازی جزئیات زیادی از وقایع مولکولی به دست میدهد، اما تحلیل داده ها به نوبه خود چالش‌های جدیدی را مطرح می کند. مطالعه سازوکار عمل پروتئین‌ها نیازمند روشهای ریاضی است که به شکل مناسبی همبستگی‌ها و هماهنگی‌های حرکتی‌ اتم‌ها را نشان بدهند. دو روش مهمی که تا به حال به این منظور مورد استفاده قرار گرفته‌اند عبارتند از: نقشه‌های همبستگی‌های تقاطعی پویا (DCCM) و تحلیل حرکت‌های اصلی (ED) تحلیل DCCM ضرایب همبستگی تصویر جا بجایی های زوج اتم‌ها در یک امتداد را به دست می‌دهد. بعضی از کمیت‌هایی که به طور معمول در یک شبیه سازی محاسبه می‌گردد عبارتند از: میانگین انرژی، تفاوت ریشه میانگین مربعات بین دوساختار، نوسانات ریشه میانگین مربعات.