分子力學使用經典力學來模擬分子系統。假定Born-Oppenheimer近似是有效的，并且所有系統的勢能都是使用力場作為核坐標的函數來計算的。分子力學可用于研究分子系統的大小和復雜性，從小到大的生物系統或具有數千到數百萬個原子的材料組裝。全原子分子力學方法具有以下性質：

• 每個原子被模擬為一個粒子
• 每個粒子都被分配了一個半徑（通常是范德華半徑）、極化率和一個恒定的凈電荷（通常來自量子計算和/或實驗）
• 鍵合相互作用被視為平衡距離等于實驗或計算鍵長的彈簧

這個主題的變體是可能的。例如，許多模擬歷史上使用聯合原子表示，其中每個末端甲基或中間亞甲基單元被認為是一個粒子，而大型蛋白質系統通常使用珠子模型來模擬，每個氨基酸分配兩到四個粒子。

以下功能抽象，在化學中稱為原子間勢函數或力場，將給定構象中分子系統的勢能(E)計算為單個能量項的總和。勢函數或力場的確切函數形式取決于所使用的特定模擬程序。通常，鍵和角項被建模為以平衡鍵長值為中心的諧波勢，這些平衡鍵長值來自實驗或用軟件進行從頭算類型計算（例如高斯）執行的電子結構的理論計算。為了準確再現振動光譜，可以使用莫爾斯勢代替，但需要計算成本。二面角或扭轉項通常具有多個最小值，因此不能建模為諧振子，盡管它們的具體函數形式隨實現而變化。這類項可能包括不正確的二面角項，它們用作平面外偏差的校正因子（例如，完全計算非鍵項的計算成本要高得多，因為一個典型的原子只與它的幾個鄰居鍵合，但與分子中的每個其他原子相互作用。幸運的是，范德瓦爾斯項迅速下降。它通常使用6-12Lennard-Jones勢建模，這意味著吸引力隨著距離r-6和排斥力隨著r-12的距離而下降，其中r表示兩個原子之間的距離。然而，排斥部分r-12是非物理的，因為排斥呈指數增長。Lennard-Jones6-12勢對范德華力的描述引入了不準確性，這在短距離內變得顯著。眾所周知，靜電項很難很好地計算，因為它們不會隨著距離而迅速下降，而且長程靜電相互作用通常是所研究系統的重要特征（尤其是蛋白質）。基本的函數形式是庫侖勢，它只下降為r-1。有多種方法可以解決這個問題，最簡單的方法是使用類似于范德華術語的截止半徑。然而，這會在半徑內的原子和半徑外的原子之間引入明顯的不連續性。調節表觀靜電能量的切換或縮放函數是更精確的方法，將計算的能量乘以在外部和內部截止半徑處從0到1的平滑變化的縮放因子。除了每個能量項的函數形式之外，必須為有用的能量函數分配力常數、范德華乘數和其他常數項的參數。這些術語與平衡鍵、角度和二面角值、部分電荷值、原子質量和半徑以及能量函數定義一起統稱為力場。參數化通常通過與實驗值和理論計算結果一致來完成。NormanL.Allinger在最后一個MM4版本中的力場計算碳氫化合物的生成熱，均方根誤差為0.35kcal/mol，振動光譜的均方根誤差為24cm-1，旋轉勢壘的均方根誤差為2.2°，CC鍵長在0.004?以內，CCC角在1°以內。每個力場都被參數化為內部一致，但參數通常不能從一個力場轉移到另一個力場。

分子力學的主要用途是在分子動力學領域。這使用力場來計算作用在每個粒子上的力，并使用合適的積分器來模擬粒子的動力學并預測軌跡。給定足夠的采樣并服從遍歷假設，分子動力學軌跡可用于估計系統的熱力學參數或探測動力學特性，例如反應速率和機制。分子力學的另一個應用是能量最小化，其中力場被用作優化標準。該方法使用適當的算法（例如最速下降法）來找到局部能量最小值的分子結構。這些最小值對應于分子的穩定構象異構體（在選定的力場中），分子運動可以建模為圍繞這些穩定構象異構體的振動和相互轉換。因此，通常會找到局部能量最小化方法與全局能量優化相結合，以找到全局能量最小值（和其他低能量狀態）。在有限的溫度下，分子大部分時間都處于這些低位狀態，因此支配了分子特性。全局優化可以使用模擬退火來完成，Metropolis算法和其他蒙特卡羅方法，或使用不同的離散或連續優化確定性方法。雖然力場僅代表自由能的焓分量（并且在能量最小化過程中僅包括該分量），但可以通過使用其他方法（例如正常模式分析）來包含熵分量。分子力學勢能函數已用于計算結合常數、蛋白質折疊動力學、質子化平衡、活性位點坐標和設計結合位點。

在分子力學中，有幾種方法可以定義一個或多個感興趣的分子周圍的環境。可以在沒有周圍環境的真空中模擬系統（稱為氣相模擬），但這通常是不可取的，因為它會在分子幾何結構中引入偽影，尤其是在帶電分子中。通常會與溶劑分子相互作用的表面電荷反而會相互作用，從而產生在任何其他環境中都不可能存在的分子構象。溶劑化系統的最準確方法是將顯式水分子與感興趣的分子一起放置在模擬框中，并將水分子視為與其他分子中的相互作用的粒子一樣。存在各種水模型，其復雜程度不斷提高，將水表示為一個簡單的硬球（一個聯合原子模型），作為三個具有固定鍵角的獨立粒子，或者甚至作為四個或五個獨立的相互作用中心來解釋氧原子上的不成對電子。隨著水模型變得越來越復雜，相關模擬的計算量也越來越大。在隱式溶劑化中發現了一種折衷方法，它用一個數學表達式代替了明確表示的水分子，該數學表達式再現了水分子（或其他溶劑，如脂質）的平均行為。該方法可用于防止真空模擬產生的偽影并很好地再現整體溶劑特性，但不能再現單個水分子與溶質的特定相互作用未被溶劑模型很好地捕獲的情況。

這是一個有限的列表；還有更多的軟件包可用。

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