RUANG LINGKUP KIMIA KOMPUTASI

RUANG LINGKUP KIMIA KOMPUTASI

1. DINAMIKA MOLEKULAR
   
   
   Dinamika molekular mengandung pengujian kelakuan kebergantungan waktu pada molekul, seperti gerakan vibrasional atau gerakan Brownian. Hal ini sering dikerjakan dengan penjelasan mekanika klasik yang hampir sama dengan perhitungan mekanika molekular. 
   
   
   Penerapan dinamika molekular pada sistem pelarut/zat terlarut memungkinkan dilakukannya perhitungan sifat sistem seperti koefisien difusi atau fungsi distribusi radial untuk digunakan dalam perhitungan mekanika statistik. Pada umumnya skema perhitungan pelarut/zat terlarut dimulai dengan sistem yang terdiri dari sejumlah molekul dengan posisi dan kecepatan awal. Energi dari posisi yang baru dihitung relatif terhadap posisi sebelumnya untuk perubahan waktu yang kecil dan proses ini beriterasi selama ribuan langkah sedemikian hingga sistem mencapai keseimbangan.
   
   
   Sifat sistem seperti energi, fungsi distribusi radial dan konformasi molekul dalam sistem dapat dianalisis dengan cara pengambilan sampel dari sistem yang telah mencapai keseimbangan. 
   
   
   Dalam rangka menganalisi vibrasi molekul tunggal data energi ditransformasikan secara Fourir ke dalam domain frekuensi. Puncak vibrasi yang diberikan dapat dipilih dan ditransformasikan ke dalam domain waktu, sehingga dapat dilihat gerakan seperti apa yang menyebabkan frekuensi vibrasi tersebut. 
   
   
   Metoda dinamika molekular merupakan metoda simulasi yang sangat berguna dalam mempelajari sistem melekular seperti molekul organik dalam larutan dan senyawa makromolekul dalam proses metabolisme. Metode ini memungkinkan penggambaran struktur, sifat termodinamika dan sifat dinamis dari sistem pada fasa terkondensasi. Bagian pokok dari metodologi simulasi adalah tersedianya fungsi energi potensial yang akurat untuk memodelkan sifat dari sistem yang dikaji. Fungsi energi potensial dapat disusun melalui metoda mekanika kuantum (Quantum Mechanics, QM) atau mekanika molekular (Molecular Mechanics, MM). Permasalahan yang muncul adalah QM hanya dapat digunakan untuk sistem sederhana dengan beberapa puluh satuan massa -mengingat bahwa perhitungan QM memerlukan waktu yang lama- sedangkan metoda MM tidak cukup teliti. 
   
   
   Untuk mengatasi permasalahan ini, dikembangkan suatu metoda hibridisasi yang dikenal dengan nama QM/MM, yaitu bagian yang penting dari sistem yang dikaji dihitung dengan metoda QM, sedangkan bagian sistem yang tidak harus dijelaskan secara detail dihitung dengan metoda MM. Metoda QM/MM banyak digunakan dalam simulasi reaksi katalitik enzimatik, proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein dalam reseptor. 
   
   
2. MEKANIKA STATISTIKA
   
   
   Mekanika statistika adalah cara matematika untuk mengekstrapolasi sifat termodinamika dari materi secara keseluruhan (bulk) berpijak pada gambaran molekular dari materi. Banyak mekanika statistik masih dalam tataran metoda kertas dan pensil, karena ahli mekanika kuantum belum dapat menyelesaikan persamaan Schroedinger secara eksak hingga sekarang sehingga ahli mekanika statistik tidak mempunyai titik awal untuk mengembangkan metoda penyelesaiannya. Perhitungan mekanika statistika sering dilakukan pada akhir perhitungan ab initio terhadap sifat fasa gas. Untuk sifat fasa terkondensasi, sering perhitungan dinamika molekular diperlukan dalam rangka melakukan eksperimen komputasi. 
   
   
   Salah satu metoda mekanika statistika yang banyak digunakan dalam kimia komputasi adalah Monte Carlo. Dengan metoda Monte Carlo, kita dapat mendapatkan gambaran tentang struktur dan energi dalam keseimbangan, tetapi tidak dapat memberikan gambaran dinamika atau sifat yang bergantung pada waktu. 
   
   
3. MODELING KEADAAN PADAT
   
   
   Struktur elektronik dari kristal didefinisikan oleh plot struktur pita (band structure plot), yang memberikan energi dari orbital molekul pada setiap titik dalam ruang, yang dikenal dengan nama daerah Bruillion (Bruillion zone). Perhitungan ab initio dan semiempiris menghasilkan energi orbital, sehingga mereka dapat diterapkan pada perhitungan struktur pita. Jika perhitungan energi molekul memerlukan waktu yang lama, maka diperlukan waktu yang jauh lebih besar untuk menghitung energi setiap titik dalam daerah Bruillion. Perhitungan struktur pita telah dilakukan untuk sistem yang sangat komplek, namun demikian perangkat lunak belum cukup secara otomatis dan belum terlampau cepat untuk menyelesaiakan kasus-kasus struktur pita. 
   
   
4. TERMODINAMIKA
   
   
   Termodinamika adalah satu dari sekian banyak penjelasan kimia matematis yang telah dibangun. Sering kali perlakuan termodinamika didapatkan dengan kerja kertas dan pensil karena banyak aspek kimia dapat dijelaskan secara akurat dengan pernyataan matematika yang sederhana. Perhitungan kimia komputasi akan dapat membantu penyelesaian penghitungan besaran termodinamika, terutama akan sangat berguna jika kita berhadapan dengan molekul-molekul yang besar. 
   
   
5. HUBUNGAN STRUKTUR DAN SIFAT
   
   
   Hubungan struktur dan sifat adalah pendifinisian empiris kualitatif atau kuantitatif antara struktur molekul dengan sifat yang teramati. Dalam beberapa kasus, ini merupakan duplikat dari hasil mekanika statistika. Hubungan struktur dan sifat yang dikaji belakangan ini selalu merupakan hubungan matematika secara kuantitatif. Hubungan sering sekali diturunkan dengan menggunakan perangkat lunak fitting kurva untuk mendapatkan kombinasi linear sifat-sifat molekular, yang dapat memprediksi sifat-sifat yang dimaksud. Sifat molekular biasanya didapatkan dari perhitungan model molekular. Penggambaran molekular yang lain seperti massa molekul atau gambaran topologi, juga digunakan.
   Jika sifat digambarkan sebagai sifat fisika, seperti titik didih, hal ini dikenal dengan hubungan Struktur dan Sifat secara Kuantitatif (Quantitative Structure-Property Relationship, QSPR). Jika sifat digambarkan sebagai aktivitas biologis misalnya aktivitas obat- maka dikenal sebagai hubungan kuantitatif antara Struktur dan aktivitas (Quantitative Structure-AktivityRelationship, QSAR). Salah satu penerapan kimia komputasi dalam bidang farmasi adalah pada desain obat. Desain obat adalah proses iterasi yang dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukkan sifat biologi yang penting dan diakhiri dengan langkah optimasi, baik dari profil aktivitas maupun sintesis senyawa kimia. Tanpa pengetahuan yang lengkap tentang proses biokimia yang bertanggungjawab terhadap aktivitas biologis, hipotesis desain obat pada umumnya didasarkan pada pengujian kemiripan struktural dan pembedaan antara molekul aktif dan tak aktif. Kombinasi antara strategi untuk mensintesis dan uji aktivitasnya dapat menjadi sangat rumit dan memerlukan waktu yang lama untuk sampai pada pemanfaatan obat. Untuk itu dikembangkan pendekatan teoritis yang dapat menghitung secara kuantitatif tentang hubungan antara aktivitas biologis terhadap perubahan struktur senyawa yang dikenal dengan istilah QSAR Perkembangan lanjut dari QSAR adalah QSAR tiga dimensi, CoMFA (Comparative Molecular Field Analysis). Dalam metoda CoMFA, efek sterik, elektrostatik, luas permukaan dari molekul dihubungkan pada deskripsi molekular spesifik (substituen).
6. PERHITUNGAN SIMBOLIK
   Perhitungan simbolik dikerjakan jika sistem sangat besar untuk digambarkan sebagai atom per atom sesuai dengan tingkat pendekatan yang ditetapkan. Sebagai contoh adalah pemodelan membran sel dengan menggunakan struktur lemak secara individual sebagai pengganti poligon dengan beberapa persamaan matematik yang mewakili energi interaksinya. Perlakuan simbolik banyak digunakan pada komputasi bidang biokimia dan mikrobiologi. 
   
   
7. INTELEGENSI ARTIFISIAL
   
   
   Teknik yang diciptakan oleh ahli komputer yang tertarik dalam intelegensi artifisial telah diterapkan pada kebanyakan kegiatan perancangan obat pada tahun belakangan ini. Metoda ini juga dikenal dengan nama de Novo atau rancangan obat rasional (rational drug design). Skenario umumnya adalah beberapa sisi fungsional diidentifikasi dan dilanjutkan dengan melihat struktur molekular yang akan berinteraksi dengan sisi tersebut agar dapat menentukan fungsi atau aktivitasnya. Berbeda dengan yang dilakukan oleh ahli kimia dengan mencoba ratusan bahkan ribuan kemungkinan dengan program mekanika molekular. Dalam metoda ini hasil mekanika molekular diintegrasikan ke dalam program intelegensi artifisial yang mencoba sejumlah kecil kemungkinan yang beralasan secara otomatis. Sejumlah teknik untuk mengambarkan bagian intelegen dari operasi ini sangatlah luas dan tidak mungkin untuk membuat generalisasi bagaimana implementasi dari program ini.