1.b Minimización estructural: ab initio

Obtención de una estructura de mínima energía partiendo de un modelo 3D

1.- Para comenzar esta parte del tutorial debemos tener un modelo 3D de la molécula de PRA y la herramienta que vamos a utilizar para obtener la estructura de mínima energía es el programa GAMESS, que es un programa que nos permite hacer cálculos ab initio de estructura electrónica y que tiene licencia gratuita con fines académicos. Como ya lo mencione en el punto 1a, el objetivo de este cálculo es obtener una estructura cercana a la que se obtiene experimentalmente.

2.- La calidad del cálculo de optimización de energía dependera de nuestras necesidades y nuestro poder de computo, en este caso en especifico nosotros deseamos obtener un modelo que tenga la exactitud suficiente para obtener los parámetros de esta molécula en el campo de fuerza de CHARMM.

3.- Para ejecutar el programa GAMESS vamos a necesitar un archivo de entrada, el cual debe contener las coordenadas en el espacio de nuestro modelo en formato zmat(este formato se obtiene en el programa molden), además de indicar el tipo de cálculo que vamos a hacer, en este caso realizaremos un RHF utilizando una base 6-31G*, una carga neutra y una multiplicidad de 1, este tutorial no tiene como objetivo explicar a fondo los métodos y los detalles técnicos. Si se tiene interés en comprender estos conceptos más a profundidad se puede consultar este libro https://books.google.es/books/about/Physical_Chemistry.html?id=f-bje0-DEYUC&hl=es, entre otros.

4.- Vamos adjuntar un ejemplo de archivo de entrada para GAMESS específicamente para el tipo de cálculo que planteamos en el punto 3, la geometría en formato zmat que se presenta en el archivo de entrada ejemplo puede ser remplazada por otra geometría que se pretenda optimizar. https://github.com/tripplab/Molecular-Modeling/files/770299/gamess_input_ejem.txt

5.- Nuestro archivo de entrada se divide en varias partes, en la primera parte tenemos lineas comentadas que pueden ser utilizadas por el usuario para hacer anotaciones y detalles del cálculo que se va a realizar, el símbolo que indica que la linea esta comentada es (!). En la siguiente parte tenemos las keywords que le indican a nuestro programa el tipo de cálculo que se va a realizar, el método a utilizar, la base, la cantidad de memoria asignada, etc. Finalmente tenemos la sección donde ponemos las coordenadas de nuestro sistema en formato zmat y aquí en la primera linea indica la simetría de nuestra molécula en esta caso C1, este paso en complicado ya que se requiere tener conocimientos en química, se recomienda buscar geometrías parecidas y ver el tipo de simetría o calcularla ya sea utilizando programas de diseño de moléculas como chemdraw o alternativas gratuitas http://alternativeto.net/software/chemdraw/, o por uno mismo. En el siguiente link se aborda brevemente el concepto de simetría en moléculas http://www3.uah.es/edejesus/resumenes/QI/Tema_1A.pdf, y las lineas posteriores van a contener la relación en el espacio tridimensional de los átomos que conforman nuestra molécula.

6.- El resultado de nuestro cálculo va a ser un archivo de salida que va a contener todos los pasos que realizó nuestro programa para encontrar la estructura de mínima energía, si nuestro programa encontró el mínimo energético nuestro archivo de salida tiene que decir "EXECUTION OF GAMESS TERMINATED NORMALLY", una vez que tenemos esta leyenda, abrimos nuestro archivo de salida en el programa Molden, visualizamos nuestra molécula y revisamos que sea la estructura que esperamos, si la molécula obtenida cumple con nuestras expectativas, simplemente la guardamos en el formato de nuestra elección(pdb,xyz,zmat). Si no cumple con nuestros requerimientos hay que revisar la geometría inicial e inclusive manipular las keywords para obtener el resultado esperado. Nuestra geometría optimizada y químicamente coherente sera utilizada en el siguiente punto de este tutorial.