Wann sind Vielteilcheneffekte signifikant?

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Anonim

NUS-Computerchemiker haben eine Methode entwickelt, mit der sich schnell identifizieren lässt, welche Wechselwirkungen zwischen Molekülgruppen oder zwischen Teilen eines sehr großen Moleküls klein sind und ignoriert werden können. Dies ermöglicht es, die Wechselwirkungen zwischen Molekülen effizienter und genauer zu berechnen.

Vielteilcheneffekte, die sich auf das kollektive Verhalten einer großen Zahl von miteinander wechselwirkenden Bestandteilen beziehen, sind für eine genaue Beschreibung der Struktur und Dynamik großer chemischer Systeme, wie eines Proteinmoleküls, oder zur Beschreibung der Eigenschaften von polaren polaren Lösungsmitteln erforderlich. In den meisten Fällen werden diese Effekte jedoch einfach ignoriert, da es eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Bestandteilen gibt, und es ist normalerweise nicht offensichtlich, welche davon eine signifikante Wirkung haben würde. Wenn die Mehrkörpereffekte ignoriert werden, müssen in der Regel Annäherungen vorgenommen werden, um sie zu berücksichtigen. Auf der anderen Seite erfordert die Berechnung aller möglichen Vielteilchenwechselwirkungen in großen chemischen Systemen eine große Menge an Rechenressourcen.

Ein Team um Prof. Ryan BETTENS vom Department of Chemistry, NUS, hat eine allgemeine Methode entwickelt, mit der schnell eine kleine Gruppe von Trimer- (Dreikörper-) und Tetramer- (Vierkörper-) Wechselwirkungen identifiziert werden kann, die für die überwiegende Mehrheit verantwortlich sind höhere Körperwirkungen in großen chemischen Systemen. Dies wird erreicht, indem schnell und genau die maximal mögliche Wechselwirkung bestimmt wird, die jedes einzelne Trimer und Tetramer für die gesamte Wechselwirkung eingehen kann. Wenn die maximal mögliche Wechselwirkung für ein Trimer oder Tetramer zu klein ist, um einen signifikanten Beitrag zur gesamten Wechselwirkungsenergie in einem großen System zu leisten, wird es ignoriert. Auf diese Weise kann die Anzahl der erforderlichen Berechnungen um einige Größenordnungen reduziert werden und trotzdem hochgenaue Ergebnisse liefern.

Bei der Berechnung von Vielteilcheneffekten fanden die Forscher zwei Hauptursachen für signifikante Vielteilchenwechselwirkungen. Erstens breitet sich die Mehrkörperinduktion in nicht verzweigenden Pfaden aus. Dies bedeutet, dass die Interaktionen zwischen den Körpern nacheinander kettenartig ablaufen. Zweitens, lineare Anordnungen von Körpern fördern die Ausrichtung der molekularen Polarität (Ladungsdipol), die Vielkörperwechselwirkungen verstärkt. Infolgedessen neigen Moleküle dazu, kompakte und ausgedehnte lineare Anordnungen zu haben. Kompakte Anordnungen werden wegen der vielen kurzen, nicht verzweigenden Wege, die die Körper verbinden, bevorzugt. Erweiterte lineare Anordnungen sind ebenfalls bevorzugt, da sie die Dipolausrichtung begünstigen.

Prof. Bettens sagte: "Diese Studie liefert eine gründliche Erklärung dafür, wie kooperative Effekte (synergistische Wechselwirkungen) eine erhöhte Stabilität in Helices bewirken, was sie zu einer der häufigsten Strukturen in Biomolekülen macht. Diese Helices fördern nicht nur die lineare Dipolausrichtung, sondern ihre Kettenreaktion. eine ähnliche Struktur ist konsistent mit der Art und Weise, wie sich die Vielkörperinduktion ausbreitet. "

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