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分子モデリングは、分子の挙動をモデル化または模倣するために使用される理論的および計算的手法すべてを包含します。[ 1 ]これらの手法は、計算化学、創薬、計算生物学、材料科学の分野で、小さな化学システムから大きな生体分子や材料集合体まで、分子システムを研究するために使用されています。最も単純な計算は手作業で実行できますが、妥当なサイズのシステムの分子モデリングを実行するには、必然的にコンピュータが必要です。分子モデリング手法の共通の特徴は、分子システムの原子レベルでの記述です。これには、原子を最小の個々の単位として扱うこと（分子力学アプローチ）や、陽子と中性子をそのクォーク、反クォーク、グルーオンとともに、電子をその光子とともに明示的にモデル化すること（量子化学アプローチ）が含まれます。
分子力学は分子モデリングの一側面であり、モデルの物理的基礎を記述するために古典力学（ニュートン力学）を使用します。分子モデルでは、通常、原子（原子核と電子をまとめて）は質量を持つ点電荷として記述されます。隣接する原子間の相互作用は、バネのような相互作用（化学結合を表す）とファンデルワールス力によって記述されます。後者を記述するために、レナード・ジョーンズポテンシャルが一般的に使用されます。静電相互作用はクーロンの法則に基づいて計算されます。原子にはデカルト座標または内部座標で座標が割り当てられ、動的シミュレーションでは速度も割り当てられます。原子の速度は、巨視的な量であるシステムの温度に関連しています。集合的な数学的表現はポテンシャル関数と呼ばれ、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの合計に等しい熱力学的量であるシステムの内部エネルギー（U）に関連しています。ポテンシャルエネルギーを最小化する手法はエネルギー最小化法（例えば、最急降下法や共役勾配法）と呼ばれ、時間の経過に伴うシステムの挙動をモデル化する手法は分子動力学と呼ばれます。
この関数はポテンシャル関数と呼ばれ、結合長、結合角、ねじれ角が平衡値からどれだけずれているかを表すエネルギー項と、ファンデルワールス力と静電相互作用を表す非結合原子対の項の合計として分子ポテンシャルエネルギーを計算します。平衡結合長、結合角、部分電荷値、力定数、ファンデルワールスパラメータからなるパラメータセットは、まとめて力場と呼ばれます。分子力学のさまざまな実装では、ポテンシャル関数に異なる数式と異なるパラメータが使用されます。[ 2 ]現在使用されている一般的な力場は、化学理論、実験参照データ、高レベルの量子計算を使用して開発されています。エネルギー最小化と呼ばれる方法は、すべての原子の勾配がゼロになる位置、つまり局所的なエネルギー最小値を見つけるために使用されます。エネルギーが低い状態はより安定しており、化学的および生物学的プロセスにおける役割のため、一般的に調査されます。一方、分子動力学シミュレーションは、時間の関数としてシステムの挙動を計算します。これは、ニュートンの運動法則、主に第二法則を解くことを含みます。ニュートンの運動法則を様々な積分アルゴリズムを用いて積分することで、原子の空間的・時間的な軌跡が得られます。原子に働く力は、ポテンシャルエネルギー関数の負の勾配として定義されます。エネルギー最小化法は、類似した系の状態を比較するための静的な像を得るのに有用ですが、分子動力学は、温度効果を本質的に含んだ動的プロセスに関する情報を提供します。
分子は、真空中、または水などの溶媒が存在する状態でモデル化できます。真空中のシステムのシミュレーションは気相シミュレーションと呼ばれ、溶媒分子の存在を考慮したシミュレーションは明示的溶媒シミュレーションと呼ばれます。別のタイプのシミュレーションでは、経験的な数式を用いて溶媒の影響を推定します。これらは暗黙的溶媒和シミュレーションと呼ばれます。
ほとんどの力場は距離に依存するため、これらの表現にはデカルト座標が最も便利です。しかし、特定の原子間に発生する結合は比較的剛性が高く、本質的には分子という名称の意味を定義するため、内部座標系が最も論理的な表現となります。一部の分野では、IC表現（図に示すように、結合長、結合間の角度、および結合のねじれ角）は、Z行列またはねじれ角表現と呼ばれます。残念ながら、デカルト空間での連続的な動きは、内部座標では不連続な角度分岐を必要とすることが多く、内部座標表現での力場の扱いが比較的困難になります。逆に、デカルト空間での原子の単純な変位は、相互接続された結合の制約により、直線軌道にならない場合があります。そのため、計算最適化プログラムでは、反復中に表現を切り替えることが非常に一般的です。これは、ポテンシャル自体の計算時間を支配する可能性があり、長い鎖状分子では累積的な数値誤差を引き起こします。すべての変換アルゴリズムは数学的に同一の結果を生成しますが、速度と数値精度が異なります。[ 3 ] 現在、最も高速で正確なねじれからデカルト座標への変換は、自然拡張参照フレーム（NERF）法です。[ 3 ]
分子モデリング法は、無機系、生物系、高分子系の構造、ダイナミクス、表面特性、熱力学を研究するために日常的に使用されています。現在、多数の分子力場モデルがデータベースで容易に利用可能です。[ 4 ] [ 5 ]分子モデリングを使用して研究されている生物学的活性の種類には、タンパク質の折りたたみ、酵素触媒作用、タンパク質の安定性、生体分子機能に関連する構造変化、タンパク質、DNA、膜複合体の分子認識などがあります。[ 6 ]
