Die Molekulardynamik (MD)-Simulation ist eine computergestützte Technik, die die physikalischen Bewegungen von Atomen und Molekülen über die Zeit modelliert. Durch numerisches Lösen der Newtonschen Bewegungsgleichungen für ein System wechselwirkender Partikel liefert MD atomare Einblicke in die Struktur, Dynamik und Funktion von Biomolekülen.
Der grundlegende Input einer MD-Simulation ist ein Kraftfeld, das die potentielle Energie des Systems als Funktion der Atomkoordinaten beschreibt. Kraftfelder kombinieren gebundene Terme (Bindungsstreckung, Winkelbeugung, Diedertorsion) mit nicht-gebundenen Termen (elektrostatische und van-der-Waals-Wechselwirkungen). Häufige Kraftfelder sind AMBER, CHARMM, OPLS und GROMOS, die jeweils für bestimmte Klassen von Biomolekülen parametrisiert sind.
Die Simulation erfolgt durch Integration der Bewegungsgleichungen mit Algorithmen wie Verlet- oder Leapfrog-Integration. Der Zeitschritt beträgt typischerweise 1–2 fs, begrenzt durch die schnellsten Schwingungsbewegungen. Periodische Randbedingungen simulieren Volumenverhalten durch Replikation des Systems in alle Richtungen. Langreichweitige Elektrostatik wird mittels Particle-Mesh-Ewald-Summation berechnet.
Das Lösungsmittel wird explizit mit Tausenden von Wassermolekülen oder implizit mit Kontinuumsdielektrizitätsmodellen modelliert. Ionen werden zur Neutralisierung des Systems und zur Erreichung physiologischer Ionenstärke hinzugefügt. Temperatur und Druck werden mittels Thermostaten und Barostaten kontrolliert.
Die Analyse von MD-Trajektorien zeigt strukturelle Fluktuationen, Root-Mean-Square-Abweichung und Root-Mean-Square-Fluktuation der Atompositionen. Die Hauptkomponentenanalyse identifiziert dominante kollektive Bewegungen. Freie-Energie-Berechnungen mittels Umbrella-Sampling, thermodynamischer Integration oder Metadynamik bestimmen Bindungsaffinitäten und konformationelle freie Energie-Landschaften.
MD-Simulationen werden zur Untersuchung von Proteinfaltung, molekularem Docking, Ligandenbindung, Enzymkatalyse, Membrandynamik und Protein-Protein-Wechselwirkungen eingesetzt. Die Simulationszeitskala hat sich von Nanosekunden auf Mikrosekunden und darüber hinaus mit spezialisierter Hardware wie Anton und GPU-beschleunigtem Rechnen erhöht. Vergröberte MD reduziert die Rechenkosten durch Gruppierung von Atomen zu Beads und ermöglicht Millisekunden-Simulationen großer Systeme.
