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Keywords:

  • Enzymkatalyse;
  • Molekülsimulationen;
  • QM/MM-Rechnungen;
  • Theoretische Chemie

Abstract

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Quantenmechanische/molekülmechanische (QM/MM-)Verfahren sind die Methode der Wahl für die theoretische Behandlung reaktiver oder anderer elektronischer Prozesse in Biomolekülen. Der Aufsatz diskutiert methodische Aspekte des QM/MM-Ansatzes, seine Verwendung in Optimierungs- und Simulationsstudien sowie verschiedene Anwendungsfelder, immer im Hinblick auf biomolekulare Systeme.

Kombinierte quantenmechanische/molekülmechanische (QM/MM-) Ansätze sind zur Methode der Wahl bei der Modellierung von Reaktionen in biomolekularen Systemen geworden. Einerseits braucht man quantenmechanische Methoden, um chemische Reaktionen und andere elektronische Prozesse wie Ladungstransfer oder elektronische Anregungen zu beschreiben; allerdings bleibt deren Anwendbarkeit auf Systeme mit bis zu einigen hundert Atomen beschränkt. Andererseits fordert die Größe und konformative Komplexität von Biopolymeren Methoden, mit denen man Systeme mit 100 000 oder mehr Atomen behandeln und über eine Zeitskala von einigen Nanosekunden simulieren kann. Dies ist mit effizienten kraftfeldbasierten molekularmechanischen Verfahren möglich. Zur Beschreibung großer Biomoleküle bietet es sich daher an, quantenmechanische Methoden für die chemisch aktive Region (z. B. Substrate und Cofaktoren in einer enzymatischen Reaktion) zu nutzen und mit einer molekularmechanischen Behandlung der Umgebung (z. B. Protein und Solvens) zu kombinieren. Die resultierenden Ansätze werden gemeinhin als kombinierte oder Hybrid-QM/MM-Methoden bezeichnet. Sie ermöglichen die Modellierung reaktiver biomolekularer Systeme mit vertretbarem Rechenaufwand und der nötigen Genauigkeit.