mekanika molekular

Setelah sekian lama tertunda mari kita lanjutkan kembali bahasan tentang kimia komputasinya. Pada dua tulisan yang lalu kita belajar mengapa kimia komputasi ada dan aspek apa yang harus kita ketahui sebelum bekerja dengan kimia komputasi kali ini kita akan membahas metode yang ada di kimia komputasi. Nah, metode ini lah yang membedakan kimia komputasi dengan cabang kimia lain yang sama-sama menggunakan komputer seperti kemoinformatika.


Secara garis besar metode di kimia komputasi dibedakan menjadi dua, yaitu mekanika molekular dan metode struktur elektronik yang terdiri dari metode ab initio dan semi empiris serta metode DFT yang menjadi perdebatan apakah termasuk dalam ab initio atau berdiri sendiri. Metode struktur elektronika berbasis dengan mekanika kuantum sedangkan mekanika molekular berbasis pada mekanika klasik yang tidak melibatkan elektron.
Mekanika molekular menggunakan apa itu yang disebut dengan medan gaya (Force Field) yang didasarkan pada nilai empiris hasil rata-rata dari sejumlah besar parameter molekul yang berkaitan dengan konstanta-konstanta mereka. Lalu dari manakah medan gaya ini diperoleh? Medan gaya ini diperoleh dari data-data spektroskopi dan perhitungan ab initio. Dengan kata lain, faktor penting dalam mekanika molekular adalah parameter yang dapat ditransferkan untuk sistem lain. Maksudnya adalah energi yang berkaitan dengan gerakan molekul misalnya stretching atom karbon akan sama dari satu molekul dengan molekul yang lain. Hal ini menghasilkan perhitungan sangat sederhana yang dapat diterapkan untuk sistem yang sangat besar. Dapat diterapkan dalam sistem yang besar merupakan keunggulan dari mekanika molekular, karena kita tahu bahwa perhitungan ab initio masih terbatas untuk sistem yang kecil. Bayangkan saja, jika struktur besar seperti protein harus dihitung menggunakan ab initio semuanya, butuh waktu berapa tahun?
Dari sini kita juga bisa tahu bahwa mekanika molekular sangat bergantung pada medan gaya sehingga bisa dikatakan bahwa performa dari mekanika molekular tergantung dari 4 aspek yaitu :

  • bentuk fungsional dari energi
  • data yang digunakan untuk membuat parameter konstanta
  • teknik yang digunakan untuk mengoptimasi konstanta dari set data
  • kemampuan user untuk menggunakan teknik ini sesuai dengan kemampuan dan kelemahannya

Nah, agar tadi parameter-parameter dari ditransfer dari satu molekul ke molekul yang lain, mekanika molekular menggunakan parameter untuk masing-masing atom, maksudnya karbon sp3 akan diparameterkan berbeda dengan sp2 dst. Begitu juga atom di cincin aromatis biasanya akan diparameterkan berbeda dari sp2. Bahkan beberapa medan gaya menggunakan parameter tersendiri untuk gugus-gugus fungsi, misalnya atom oksigen dalam karboksilat akan diparameterkan berbeda dengan yang di keton.
Energi dalam mekanika molekular digambarkan sebagai jumlahan dari persamaan mekanika klasik meliputi bermacam-macam aspek dari molekul seperti stretching ikatan, bending ikatan, torsi, interaksi elektrostatik, gaya Van Der Waals dan ikatan hidrogen. Masing-masing medan gaya akan berbeda di dalam jumlah suku dalam ekspresi energi ini, baik itu dari segi kompleksitas ataupun dari mana konstanta ini diperoleh. Dalam mekanika molekular elektron secara implisit tidak dimasukkan dalam perhitungan sehingga proses-proses yang berkaitan dengan elektron, seperti eksitasi elektron tidak dapat dimodelkan.
Suku dalam ekspresi energi yang menggambarkan bagaimana satu aspek dalam bentuk molekular dinamakan dengan valence term seperti stretching ikatan, bending sudut, pembalikan cincin, gerakan torsi. Medan gaya paling tidak memiliki satu valence term dan kebanyakan memakai 3 atau lebih.
Suku yang menggambarkan bagaimana gerakan satu molekul mempengaruhi lainnya disebut dengan cross term. Cross term yang biasanya digunakan adalah stretch-bend term yang menggambarkan bagaimana kesetimbangan antara panjang ikatan dengan sudut ikatan. Biasanya medan gaya tidak memiliki cross term, melainkan diganti dengan fungsi potensial elektrostatik.
Medan gaya mungkin juga memasukkan potensial elektrostatik atau tidak. Potensial elektrostatik dibangun berdasarkan hukum Coulomb untuk energi tarikan atau tolakan antara pusat muatan. Muatan ini diperoleh dari algoritma yang tidak didasarkan pada orbital elektron. Muatan dalam kasus ini berarti  muatan parsial dari inti. Namun, pemodelan untuk molekul dengan muatan bersihnya paling baik menggunakan jenis atom yang telah diparameterisasi untuk menggambarkan pusat-pusat muatan.
Kemudian antara stretching dan bending ikatan masing-masing sama-sama menggunakan pendekatan persamaan osilator harmonis yang sering kali digambarkan dalam Potensial Morse. Namun, dalam kasus yang langka juga stretching digambarkan menggunakan persamaan Potensial Lennard-Jones. Kasus untuk bending ikatan juga sama. Bending ikatan sering digambarkan dalam persamaan kosinus. Gaya-gaya intramolekular seperti gaya Van Der Waals dan ikatan hidrogen digambarkan dalam persamaan potensial Lennard-Jones. Sekali lagi, pemilihan persamaan dalam medan gaya ini sangat penting terutama untuk menghitung energi dari struktur yang jauh dari kesetimbangannya.
Kembali lagi ke medan gaya itu sendiri. Telah dikatakan konstanta di dalam medan gaya disusun berdasarkan database senyawa yang digunakan untuk parameterisasi dan perhitungan ab initio. Nah, set senyawa yang digunakan ini merupakan kunci sukses dari perhitungan mekanika molekular. Terkadang medan gaya disusun dengan set molekul spesifik seperti protein atau nukleotida. Ada juga medan gaya yang disusun untuk sebagian besar molekul organik. Bahkan ada medan gaya yang disusun untuk semua atom. Kemudian untuk memudahkan perhitungan terkadang ada juga medan gaya yang mengabaikan atom hidrogen. Parameter yang digunakan untuk masing-masing backbone dimodifikasi sedemikian rupa untuk menggambarkan kelakuan atom ketika berikatan dengan hidrogen. Metode seperti ini disebut dengan united atom force field atau intrinsic hydrogen method yang biasa digunakan dalam biomolekular. Hanya hidrogen yang terikat pada heteroatom saja yang diikutkan dalam perhitungan.
Energi yang diperoleh dari perhitungan mekanika molekular adalah energi konformasi artinya energi yang akan memprediksi perbedaan antara satu konformasi dengan yang lainnya. Ini tentu saja tidak sama dengan total energi dari perhitungan ab initio atau panas pembentukan dari perhitungan semi empiris. Mekanika molekular secara umum tidak dapat digunakan untuk menggambarkan struktur yang jauh dari kesetimbangan seperti keadaan transisi.
Peneliti biasanya tidak perlu menyusun sendiri medan gaya karena banyak medan gaya yang bagus telah dikembangkan, tapi tidak menutup kemungkinan juga bahwa medan gaya tersebut dapat dimodifikasi dengan menambah parameter-parameter tertentu, menambah atom dll. Beberapa medan gaya yang sering digunakan adalah seperti berikut ini :

AMBER (Assisted model building with energy refinement)

  • Nama medan gaya sekaligus nama program mekanika molekular.
  • Didesain untuk perhitungan asam nukleat dan peptida.
  • Parameter interaksi tak berikatan dioptimasi dari perhitungan dengan pelarut termasuk di dalamnya.
  • Termasuk united atom method.

CHARMM (Chemistry at Harvard macromolecular mechanics)

  • Nama medan gaya sekaligus nama program mekanika molekular.
  • Dapat digunakan untuk molekul kecil hingga kompleks solvasi makromolekul biologi yang besar, dinamika molekular, packing kristal, analisis vibrasi, QM/MM.

UFF (Universal Force Field)

  • untuk semua atom dalam tabel periodik unsur.
  • Kebanyakan digunakan untuk sistem anorganik.
  • Didesain untuk menggunakan empat valence term, tidak melibatkan electrostatic term.

Dan masih banyak lagi medan gaya yang lain🙂
# Young, C. David, 2001, Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real-World Problems, John Wiley & Sons, Inc.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s