Introduzione alla Dinamica Molecolare

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  • Lex. I. Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nili quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.

  • Lex. II. Muationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri fecundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.
  • Lex. III. Actioni contrariam semper et equalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi.

 

Isaac Newton.
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
London, 1686.


 

Nel 1648 Isaac Newton diede alle stampe la sua prima edizione dei Principia Mathematica, uno dei più grandi capolavori scientifici di tutti i tempi.  Nelle prime pagine di questa  summa scientifica si trovano enunciate le famose tre leggi che portano il suo nome, dalle quali ha avuto inizio la fisica-matematica classica. A 350 anni da quell’evento, le stesse leggi, usate per descrivere il moto delle stelle e dei pianeti, ci tornano ancora utili per semplificare la descrizione del mondo atomico. Nei primi decenni dello scorso secolo, la nascita della meccanica quantistica, ha segnato l’inizio dell’esplorazione teorica della realtà a livello atomico. L’equazione di Schrödinger, al pari delle equazioni di Newton, ha permesso di riassumere in forma matematicamente elegante e concisa, le brillanti intuizioni teoriche e i dati sperimentali accumulati nei precedenti decenni. In linea di principio,  questa equazione, pur potendo essere usata per descrivere il comportamento chimico-fisico di qualunque sistema molecolare, risulta impossibile da risolvere analiticamente, quando il numero degli elettroni in gioco è superiore a due. La nascita dei calcolatori elettronici nel secondo dopo guerra, ha permesso di risolvere numericamente questa equazione per sistemi poli-atomici. Tuttavia, anche con il continuo e rapido sviluppo della potenza degli elaboratori, l’equazioni di Schrödinger non può essere ancora usata per descrivere la dinamica di sistemi molecolari formati da centinaia o migliaia di atomi, quali le macromolecole biologiche. Per questo motivo, si è cercato di ridurre, attraverso opportune approssimazioni, la descrizione del comportamento dinamico degli atomi a un modello classico, in cui gli elettroni (gli elementi quantistici) non sono esplicitamente considerati ma si considera il loro effetto medio.
Nasce così, circa 40 anni fa, la Dinamica Molecolare (DM). Grazie al continuo sviluppo di calcolatori sempre più veloci, questa tecnica si è progressivamente sviluppata estendendo il suo campo di applicazione dalla simulazione di fluidi semplici a complessi sistemi biologici, quali proteine e membrane cellulari. In tal modo, la DM sta diventando un potente e flessibile strumento d’indagine negli ambiti più disparati della biologia strutturale e della scienza dei materiali. In questo libro verranno fornite le basi teoriche e applicative di questa tecnica. Inoltre, ho è cercato di dare risalto all’aspetto pratico introducendo il lettore all’uso del pacchetto di programmi per simulazioni di DM Gromacs (www.gromacs.org). La prima edizione di questo libro era una estensione della parte metodologica della mia tesi di dottorato e fu scritta in forma di dispense in Italia nel periodo tra il 2001 e il 2003. Il libro è stato scritto come supporto a corsi di  DM e modellistica Molecolare tenuti presso l’ Università dell’Aquila e l’Università “La Sapienza” di Roma. Negli anni successivi, l’autore ha tradotto il testo in inglese e ha continuato ad aggiornarlo in questa lingua.
Nel corso degli anni queste dispense, liberamente disponibili sul internet, sono state usate da molti studenti per tesi di laurea e dottorato e, in alcuni casi, anche esplicitamente citate nella loro tesi. Per questo motivo ho deciso di continuare revisionare il testo anche in italiano per fornire una nuova edizione. Negli ultimi 15 anni la DM si è sviluppata notevolmente con l’introduzione di nuovi metodi, ma le basi non sono cambiate. In questo libro mi sono limitato a dare cenni generali sulla parte numerica del metodo con dei riferimenti (non ancora aggiornati). Inoltre, in programma Gromacs è stato notevolmente sviluppato negli ultimi anni e gli esempi forniti sono stati preparati con versione 4. Dalla versione 5 il programma ha subito una sostanziale revisione anche se l’uso dei programmi di base è rimasto pressochè invariato.

Il draft dell’ultima versione del libro è disponibile al link ChimicaComp. Questa seconda edizione è preliminare e in fase di continuo aggiornamento, per cui chiedo tutta la venia e la pazienza al gentile lettore e l’incoraggio a inviarmi suggerimenti e correzioni.

AGGIORNAMENTO

Ringrazio Dr. Marco D’Abramo per avermi inviato la foto nella testata del blog che mostra two copie stampate del mio libro!

 

 

About Danilo Roccatano

I have a Doctorate in chemistry at the University of Roma “La Sapienza”. I led educational and research activities at different universities in Italy, The Netherlands, Germany and now in the UK. I am fascinated by the study of nature with theoretical models and computational. For years, my scientific research is focused on the study of molecular systems of biological interest using the technique of Molecular Dynamics simulation. I have developed a server (the link is in one of my post) for statistical analysis at the amino acid level of the effect of random mutations induced by random mutagenesis methods. I am also very active in the didactic activity in physical chemistry, computational chemistry, and molecular modeling. I have several other interests and hobbies as video/photography, robotics, computer vision, electronics, programming, microscopy, entomology, recreational mathematics and computational linguistics.
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