Champ de force (chimie) - Définition

Paramétrisation

En plus de la forme fonctionnelle des potentiels, un champ de force définit un ensemble de paramètres pour chacun des types d'atomes. Ainsi par exemple, un champ de force comprendra des paramètres distincts pour un atome d'oxygène dans un groupe carbonyle et dans un groupe hydroxyle. Un ensemble typique de paramètres comprend des valeurs pour la masse atomique, le rayon de van der Waals et la charge partielle d'atomes individuels, et des valeurs d'équilibre de longueurs de liaison, de mesures d'angles plans et dièdres pour des paires, triplets et quadruplets d'atomes liées, et les valeurs de constante de force pour chaque potentiel. Les champs de force les plus courants utilisent un modèle de charge fixe dans lequel chaque atome se voit affecter une charge électrostatique qui n'est pas affectée par l'environnement local. Les développements proposés pour les champs de force de prochaine génération incluent des modèles pour la polarisabilité dans lesquels les charges des particules sont influencées par celles de leurs voisines. La polarisabilité peut, par exemple, être approchée par l'introduction de dipôles induits ; elle peut aussi être représentée par des particules de Drude, ou des sites porteurs de charges virtuels et sans masses rattachés par un potentiel harmonique de type ressort à chaque atome polarisable. L'introduction de la polarisabilité dans les champs de force pour un usage courant est ralentie par le cout important associé au calcul du champ électrique local.

Bien que de nombreuses simulations moléculaires portent sur des macromolécules biologiques comme les protéines, l'ADN ou l'ARN, les paramètres utilisés pour un type d'atomes donné proviennent généralement des observations de molécules organiques, plus facilement appréhendables que cela soit pour des études expérimentales ou pour des calculs quantiques. Des champs de force différents peuvent être issus de types données expérimentales distinctes, comme l'enthalpie de vaporisation (comme dans le champ OPLS), l'enthalpie de sublimation (comme dans le champ CFF), les moments dipolaires, ou des paramètres spectroscopiques variés (CFF).

Les ensembles de paramètres et les formes fonctionnelles sont définies par les développeurs de champs de force afin d'être auto-cohérents. Parce que les formes fonctionnelles des potentiels varient de manière extensive y compris pour des champs de force très proches (ou entre versions successives d'un même champ de force), les paramètres d'un champ de force ne doivent pas être utilisés avec les potentiels définis pour un autre champ.

Champs de force « courants »

Différents champs de force ont été construits afin d'être appliqués à différents problèmes.
Le champ MM2 a ainsi été développé par Norman Allinger dans un premier temps pour l'analyse conformationnelle des hydrocarbures et autres petites molécules organiques. Il a été conçu afin de reproduire les géométries « covalentes » d'équilibre aussi précisément que possible. Il comprend un grand ensemble de paramètres continument redéfinis et mis à jour pour différentes classes de composés organiques (MM3 et MM4).

Le champ CFF a été développé par Wrshel, Lifson et collaborateurs comme une méthode générale d'unification des études sur les énergies, les structures et vibrations des molécules et cristaux moléculaires. Le programme CFF, développé par Levitt et Warshell, est basé sur une représentation cartésienne de tous les atomes, et sert de base à de nombreux programmes de simulations plus conséquents.

Le champ ECEPP a été développé de manière spécifique pour la modélisation des peptides et protéines. Il utilise des géométries fixés de résidus d'acides aminés afin de simplifier la surface d'énergie potentielle. La minimisation d'énergie est ainsi menée dans l'espace des angles de torsion des protéines. Les champs MM2 et ECEPP incluent tous deux des potentiels pour les liaisons hydrogène et des potentiels de torsion afin de décrire les rotations autour des liaisons simples. ECEPP/3 a été intégré dans Internal Coordinate Mechanics et FANTOM, par exemple.

Les champs AMBER, CHARMM et GROMOS ont été développés en premier lieu pour la dynamique moléculaire des macromolécules, bien qu'ils soient communément employés pour la minimisation d'énergie. Les coordonnées de tous les atomes y sont considérées comme des variables libres.

Champs de force classiques

Voici quelques champs de force « classiques » :

• AMBER (Assisted Model Building and Energy Refinement). Très utilisé pour la modélisation des protéines, ADN et ARN.
• CHARMM (Chemistry at HARvard Molecular Mechanics). Développé initialement à Harvard, très utilisé pour les petites molécules ou les macromolécules. CHARMm est sa version commerciale, proposée par Accelrys.
• CVFF également utilisé massivement pour les petites molécules ou les macromolécules.
• COSMOS-NMR. Champ de force hybride QM/MM (quantique/classique) adapté à de nombreux composés inorganiques, organiques ou macromolécules biologiques. Il inclut le calcul semi-empirique des charges atomiques et propriétés de RMN. Il est d'ailleurs optimisé pour la résolution des structures basée sur la RMN et est introduit dans l'ensemble COSMOS de modélisation moléculaire.
• GROMACS. Champ de force optimisé pour l'ensemble du même nom.
• GROMOS. Champ de force intégré dans l'ensemble généraliste GROMOS (GROningen MOlecular Simulation package), dédié à la simulation dynamique des systèmes biomoléculaires. Le champ de force GROMOS (version A) a été développé pour être appliqué aux solutions aqueuses ou apolaires de protéines, nucléotides ou sucres. Cependant, une version pour simulation en phase gaz (version B) de molécules isolées est disponible.
• OPLS (Optimized Potential for Liquid Simulations). Champ de force développé par William L. Jorgensen au département de chimie de Yale. Il en existe plusieurs évolutions comme OPLS-AA, OPLS-UA, OPLS-2001, ou OPLS-2005.
• ECEPP/2. Premier champ de force dédié aux molécules polypeptidiques, développé par F.A.Momany, H.A.Scheraga et collaborateurs.
• QCFF/PI. Champ de force dédié aux molécules conjugées.

Champs de force de deuxième génération

• CFF est une famille de champs de force adaptés à une large gamme de composés organiques, comme pour les polymères, les métaux, etc.
• MMFF (Merck Molecular Force Field) développé pour une large gamme de molécules.
• MM2, MM3, MM4, développés par Norman Allinger, paramétrée pour une large gamme de molécules.
• QVBMM développé par Vernon G.S. Box, paramétré pour traité les biomolécules et une large gamme de molécules organiques, et inclus dans STR3DI32.

Champs de force polarisables basés sur des dipôles induits

• CFF/ind et ENZYMIX. Le premier champ de force polarisable utilisé de manière conséquente dans de nombreuses applications aux systèmes biologiques.
• DRF90 developpé par P. Th. van Duijnen et collaborateurs.

Champs de force polarisables basés sur des charges ponctuelles

• PFF (Polarizable Force Field) développé par Richard A. Friesner et collaborateurs.
• Approche SP-basis Chemical Potential Equalization (CPE) développée par R. Chelli et P. Procacci.
• Champ de force polarisable CHARMM développé par S. Patel (Université du Delaware) et C.L. Brooks III (Université du Michigan).
• Champ de force polarisable AMBER développé par Jim Caldwell et collaborateurs.

Champs de force polarisables basés sur des multipôles distribués

• SIBFA (Sum of Interactions Between Fragments Ab initio computed). Champ de force pour petites molécules et protéines flexibles, développé par Nohad Gresh (Université Paris V René Descartes) et Jean-Philip Piquemal (Université Paris VI Pierre et Marie Curie). SIBFA est un procédé de mécanique moléculaire formulé et calibré sur la base de calculs ab initio sur des supermolécules. Son but est de permettre des calculs fiables et simultanés à la fois sur les énergies conformationnelles et intermoléculaires qui induisent les propriétés de liaison spécifiques des molécules d'intérêt biologique et pharmaceutique. Cette procédure permet un traitement précis des métaux de transition. L'inclusion d'une contribution de champ de ligand permet des calculs sur les protéines métalliques « couches ouvertes ».
• AMOEBA (Atomic Multipole Optimized Energetics for Biomolecular Applications). Champ de force développé par Pengyu Ren (Université du Texas à Austin) et Jay W. Ponder (Université de Washington).
• ORIENT procedure. Champ de force développé par Anthony J. Stone (Université de Cambridge) et collaborateurs.
• Non-Empirical Molecular Orbital (NEMO) procédé développé par Gunnar Karlström et collaborateurs à l'Université de Lund (Suède).

Champs de force polarisables basés sur la densité

• Gaussian Electrostatic Model (GEM). Champ de force polarisable développé par Thomas A. Darden et G. Andrés Cisneros au NIEHS et Jean-Philip Piquemal (Université Paris VI Pierre et Marie Curie).
• Procédure de polarisation basée sur l'approche Kim-Gordon développée par Jürg Hutter et collaborateurs (Université de Zurich).

Champs de force polarisables basés sur la théorie de la polarisation de liaison

• COSMOS-NMR. Ce champ de force hybride QM/MM permet des calculs en mécanique quantique explicites des propriétés électrostatiques en utilisant les orbitales de liaison localisées avec le formalisme de la théorie de la polarisation de liaison rapide. La fluctuation de charge atomique est possible pour chaque pas de dynamique moléculaire.

Champs de force réactifs

• ReaxFF. Champ de force réactif développé par Adri van Duin, William Goddard et collaborateurs. Il est rapide, transférable et constitue une méthode numérique intéressante pour les simulations à l'échelle atomique de réactions chimiques.
• EVB (empirical valence bond). Ce champ de force réactif, introduit par Warshel et collaborateurs, est probablement l'une des méthodes les plus fiables et physiquement cohérente d'utilisation des champs de force de modéliser les réactions chimiques des différents environnements. L'EVB facilite les calculs des énergies libres d'activation dans les phases condensées et les enzymes.
• RWFF. Champ de force réactif pour l'eau développé par Detlef W. M. Hofmann, Liudmila N. Kuleshova et Bruno D'Aguanno. Le champ de force rapide, reproduisant les données expérimentales de diffusion de neutron de manière précise, et permet de simuler la formation ou la rupture de liaison de l'eau et des acides.

Champs à gros grains

• Virtual atom molecular mechanics (VAMM). Champ de force développé par Korkut et Hendrickson. VAMM est un champ de force à gros grains spécifiquement construit pour des simulations de mécanique moléculaire comme par exemple des transitions conformationnelles à large échelle basées sur des interactions d'atomes Cα. C'est un champ de force basé sur des préconnaissances et formulé afin d'identifier les caractéristiques dépendant de la structure secondaire et sur l'information de contact spécifique aux résidus dans les protéines.

Autres

• VALBOND. Fonction construite pour la modification d'angle basée sur la théorie de la liaison de valence et marche pour de grandes distorsions d'angles, les molécules hypervalentes et les complexes de métaux de transition. Elle peut être introduite dans d'autres champs de force (comme CHARMM et UFF).

Modélisation de l'eau

L'ensemble des paramètres utilisé pour modéliser l'eau ou les solutions aqueuses (de manière basique un champ de force pour l'eau) est appelé modèle d'eau. L'eau a beaucoup attiré l'attention en raison de ses propriétés inhabituelles et de son rôle majeur comme solvant. De nombreux modèles d'eau ont été proposés, comme par exemple : TIP3P, TIP4P, SPC, Flexible SPC ou ST2.