Nova Acta Leopoldina Band 110 Nummer 377

Bei der Simulation von chemischen Reaktionen müssen zum Teil quantenmechanische Mo- delle angewendet werden. In diesem Fall wird in der Regel ein hybrides Modell konstruiert, das molekulare Teilbereiche, die für die Reaktion von Bedeutung sind, quantenmechanisch modelliert und den größeren molekularen Kontext klassisch modelliert. Ein Beispiel hierfür ist die molekulardynamische Simulation einer Konformationsänderung in dem Fluoreszenz- protein asFP595, das durch Beleuchten mit grünem Licht an- und mit blauem Licht ausge- schaltet werden kann (Abb. 11). Die Größe eines zu simulierenden molekularen Ensembles kann mehrere Millionen von Teilchen umfassen. Größere Schwierigkeiten gibt es bei der Über- spannung von angemessenen Zeitintervallen. Aufgrund hochfrequenter molekularer Schwin- gungen kann ein einzelner Simulationsschritt im Allgemeinen nur eine äußerst kurze Zeitspanne im Femtosekundenbereich (1 fs = 10–15 s) überstreichen. Damit sind auch bei gro- ßem Rechenaufwand nur Zeitspannen im Bereich von etwa bis zu 1 μs zu simulieren (KLEPEIS et al. 2009). Demgegenüber finden viele chemische Reaktionen im Zeitbereich von mehreren Mikrosekunden statt, und Proteine falten sich sogar im Sekundenbereich. Die Überspannung dieser großen Zeitskalen mit einem einzigen durchgängigen und genauen Simulationsmodell ist eine der großen Herausforderungen in diesem Bereich der Forschung. Nova Acta Leopoldina NF 110, Nr. 377, 11–44 (2011) Thomas Lengauer 30 Abb. 11 Die Konformationsänderung des niedermolekularen Liganden in der Bindetasche des Proteins asFP595 ist mit Molekulardynamik-Simulationen modelliert worden.12 Der Bereich des Liganden, dessen Konformation sich beim Schaltvorgang ändert, ist blau eingefärbt (mit freundlicher Genehmigung von Helmut GRUBMÜLLER). 12 Siehe das Video von Helmut GRUBMÜLLER (Clip auf DVD → LENGAUER→ Konformationsänderung).