La simulación de dinámica molecular (MD) es una técnica computacional que modela los movimientos físicos de átomos y moléculas a lo largo del tiempo. Al resolver numéricamente las ecuaciones de movimiento de Newton para un sistema de partículas interactuantes, MD proporciona información a nivel atómico sobre la estructura, dinámica y función biomolecular.
La entrada fundamental para una simulación de MD es un campo de fuerzas, que describe la energía potencial del sistema en función de las coordenadas atómicas. Los campos de fuerzas combinan términos de enlace (estiramiento de enlace, flexión de ángulo, torsión diedral) con términos no enlazantes (interacciones electrostáticas y de van der Waals). Los campos de fuerzas comunes incluyen AMBER, CHARMM, OPLS y GROMOS, cada uno parametrizado para clases específicas de biomoléculas.
La simulación procede integrando las ecuaciones de movimiento usando algoritmos como Verlet o integración leapfrog. El paso de tiempo es típicamente de 1-2 fs, limitado por los movimientos vibracionales más rápidos. Las condiciones de contorno periódicas simulan el comportamiento en masa replicando el sistema en todas las direcciones. Las electrostáticas de largo alcance se calculan mediante la suma de Ewald con malla de partículas.
El disolvente se modela explícitamente con miles de moléculas de agua o implícitamente usando modelos dieléctricos continuos. Se añaden iones para neutralizar el sistema y lograr una fuerza iónica fisiológica. La temperatura y la presión se controlan usando termostatos y barostatos.
El análisis de trayectorias de MD revela fluctuaciones estructurales, desviación cuadrática media y fluctuación cuadrática media de las posiciones atómicas. El análisis de componentes principales identifica movimientos colectivos dominantes. Los cálculos de energía libre mediante muestreo de sombrilla, integración termodinámica o metadinámica determinan afinidades de unión y paisajes de energía libre conformacionales.
Las simulaciones de MD se utilizan para estudiar el plegamiento de proteínas, la unión de ligandos, la catálisis enzimática, la dinámica de membranas y las interacciones proteína-proteína. La escala de tiempo de simulación ha aumentado de nanosegundos a microsegundos y más allá con hardware especializado como Anton y computación acelerada por GPU. La MD de grano grueso reduce el costo computacional agrupando átomos en cuentas, permitiendo simulaciones de escala de milisegundos de sistemas grandes.
