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 biologi misalnya aktivitas obat- maka dikenal sebagai hubungan kuantitatif antara struktur dan aktivitas Quantitative Structure-Activity Relationship, QSAR.

Salah satu penerapan kimia komputasi dalam bidang farmasi adalah pada desain obat. Desain obat adalah proses interasi yang dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukan 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 bertanggung jawab 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 sampel 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 metode CoMFA, efek sterik, elektrostatik, luas permukaan dari molekul dihubungkan pada deskripsi molekular spesifik (substituen).

Refrensi : Harno D Pranowo

Continue Reading...

Ruang Lingkup Kimia Komputasi

Ruang lingkup kimia komputasi mencakup berbagai bidang antara lain:

a. Dinamika Molekuler

Dinamika molekuler mengandung pengujian terhadap perilaku molekul atau sistem kimia sebagai fungsi waktu, seperti geraka 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 relati terhadap posisi sebelumnya untuk perubahan waktu yang kecil dan proses ini berinterasi salam ribuan langkah sedemikian hingga sistem dapat dianalisis dengan cara pengambilan sampel dari sistem yang telah mencapai keseimbangan.

Dalam rangka menganalisis 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 apa yang menyebabkan frekuensi vibarasi tersebut.

Metode dinamika molekular merupakan metode simulasi yang sangat berguna dalam mempelajari sistem molekular 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 metode mekanika kuantum Quantum mechanic, QM atau mekanika molekular Molecular Mechanic, 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 metode MM tidak cukup teliti, untuk mengatasi permasalahan ini, dikembangkan suatu metode hibridisasi yang dikenal dengan nama QM/MM, yaitu bagian yang penting dari sistem yang dikaji dihitung dengan metode QM, sedangkan bagian sistem yang tidak harus dijelaskan secara detail dihitung dengan metode MM. Metode QM/MM banyak digunakan dalam simulasi reaksi katalitik enzimatik. Proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein dalam reseptor.

b. Mekanika Statistik

Mekanika statistik adalah cara matematika untuk mengekstrapolasi sifat termodinamika dari materi secara keseluruhan (bukti) berpijak pada gambaran molekular dalam tataran metode 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 metode penyelesaiannya. Perhitungan mekanika statistika sering dilakukan pada akhir perhitungan ab initio terhadap sifat fasa gas. Untuk sifat terkondensasi, sering perhitungan dinamika molekular diperlukan dalam rangka melakukan eksperimen komputasi.

Salah satu metode mekanika statistika yang banyak digunakan dalam kimia komputasi adalah Monte Carlo, dengan metode Monte Carlo, kita dapat mendapatkan gambaran tentang struktur dan energi dalam keseimbangan, tetapi tidak dapat memberikan gambaran dinamika atau sifat yang bergantung pada waktu.

c. Pemodelan keadaan padat

Struktur elektronik dari kristal didefinisikan oleh plot struktur pita bond 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 menyelesaikan kasus-kasus struktur pita.

d. Termodinamika

Termodinamika adalah salah 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 perhitungan besaran termodinamika, terutama akan sangat berguna jika kita berhadapan dengan molekul-molekul besar.

Refrensi: Harno D Pranowo

Continue Reading...

Qsar Properties

Continue Reading...

hyperchem.avi

Continue Reading...

Lab Report: Rosie Coates, oxidation states

Continue Reading...

Optimasi Struktur Molekul

HyperChem mengkombinasikan kemampuan optimasi untuk teknik mekanika kuantum dan mekanika molekuler dengan fasilitas manipulasi dan visualisasi struktur. simulasi dinamika molekul dan pengaturan yang sesuai kehendak pengguna, dengan program HyperChem, kita dapat menentukan struktur stabil dengan cara yang mudah.

Penentuan struktur yang stabil dari molekul merupakan langkah perhitungan yang paling umum terjadi pada pemodelan molekul. Energi relatif dari struktur teroptimasi yang berbeda akan menentukan kestabilan konformasi, keseimbangan isomerisasi, panas reaksi, produk reaksi, dan banyak aspek lain dari kimia.

HyperChem mempunyai 4 jenis metode optimasi, yaitu:
1. A steepest descent, dikhususkan untuk perhitungan yang cepat agar menghilangkan sterik yang berlebihan dan masalah tolakan pada struktur awal
2. Conjugate gradient (Fletcher-Reeves and Polak-Ribiere) untuk mencapai konvergensi yang efisien.
3. Block-diagonal Newton-Raphson (hanya untuk MM+), yang memindahkan satu atom pada suatu waktu dengan menggunakan informasi turunan keduanya.

Pendekatan Terintegrasi

HyperChem memberikan fasilitas terintegrasi untuk optimasi struktur, menghasilkan efisiensi dan kemudahan dalam menggunakan beberapa keuntungan yang diberikan antara lain:
1. Metode optimasi dapat bekerja baik pada metode mekanika molekular maupun mekanika kuantum.
2.Pilihan optimasi, seperti kondisi penghentian, frekuensi dari update layar, pemilihan algoritma dapat diatur dengan cara yang sama untuk semua metode dan algoritma optimasi
3. Penggunaan dapat merotasi dan translasi molekul ketika proses optimasi sedang berjalan.

Pemilihan bagian molekul yang dioptimasi
1. Jika beberapa atom dipilih ketika optimasi dimulai, hanya atom yang dipilih tersebut yang diperbolehkan bergerak, bagian molekul yang lain dipertahankan posisinya.
2.HyperChem dapat memperlakukan bagian molekul/sistem yang tidak dipilih dihitung sifatnya dengan menggunakan metode mekanika kuantum, sementara bagian yang lain dapat dihitung dengan mekanika molekular.

RANGKUMAN KONSEP

Program HyperChem merupakan perangkat lunak kimia komputasi yang sangat sesuai bagi peneliti pemula atau mahasiswa dalam mempelajari pemodelan molekul. Perangkat lunak ini sangat interaktif dan dipermudah dengan visualisasi yang sangat memadai. Visualisasi molekul sangat diperlukan dalam memodelkan molekul. Fasilitas menu yang lengkap akan mempermudah mahasiswa dalam menjalankan program sekaligus memvisualisasi hasil perhitungan.

Refrensi: Harno D Pranowo

Continue Reading...

Perkembangan Kimia Komputasi

Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat dimulai pada tahun 1950- telah mengubah diskripsi suatu sistem kimia dengan masuknya unsur baru di antara eksperimen dan teori yaitu eksperimen komputer (Computer Experiment), dalam eksperimen komputer, model masih tetap menggunakan hasil dari pakar kimia teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan komputer berdasarkan atas suatu "resep", algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemograman. Keuntungan dari metode ini adalah dimungkinkan menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan data eksperimen.

Perkembangan eksperimen komputer mengubah secara substansial hubungan tradisional antara teori dan eksperimen. Simulasi membutuhkan suatu metode yang akurat dalam memodelkan sistem yang dikaji. Simulasi sering dapat dilakukan dengan kondisi yang sangat mirip dengan eksperimen sehingga hasil perhitungan kimia komputasi dapat dibandingkan secara langsung dengan eksperimen, jika hal ini terjadi, maka simulasi bersifat sebagai alat yang sangat berguna, bukan hanya untuk memahami dan menginterpretasi data eksperiment dalam tingkat mikroskopik, tetapi dapat juga mengkaji bagian yang tidak dapat dijangkau secara eksperiment, seperti reaksi pada kondisi tekanan yang sangat tinggi atau reaksi yang melibatkan gas berbahaya.

Penelitian kimia dengan alat komputer pada era 1950-an dimulai dengan kajian hubungan struktur kimia dengan aktivitas fisiologi dari senyawa. Salah satu ahli kimia yang berjasa besar dalam bidang ini adalah John Pople yang berhasil mengkonversi teori-teori fisika dan matematika ke dalam kimia melalui program komputer. Metode kimia komputasi memungkinkan para kimiawan melakukan penentuan struktur dan sifat suatu sistem kimia dengan cepat. Bidang yang sangat terbantu dengan berkembang kimia komputasi adalah bidang kristalografi.

Dua peneliti dalam bidang kimia komputasi telah memenangkan Nobel bidang sains pada tahun 1998 yaitu Walter Kohn dengan teori fungsional kerapatan (Density Functional Theory, DFT) dan John A. Pople yang telah berjasa dalam mengembangkan metode komputasi dalam kimia kuantum, mereka telah memberi peluang para kimiawan mempelajari sifat molekul dan interaksi antara molekul. John Pople telah mengembangkan kimia kuantum sebagai suatu metode yang dapat digunakan oleh hampir semua bidang kimia dan membawa kimia ke dalam era baru yaitu eksperimen dan teori dapat bekerja bersama dalam mengeksplorasi sifat sistem molekular. Salah satu produk program komputasi kimia yang dihasilkan oleh Pople adalah GAUSSIAN.

Tahun belakangan ini dapat dilihat kenaikan jumlah orang yang berkerja pada kimia teori, kebanyakan peneliti ini adalah teoretikus kerja paruh waktu yaitu mereka yang sudah bekerja pada bidang kimia selain kimia teori. Kenaikan jumlah peneliti di bidang kimia teori ini ditunjang oleh perkembangan kemampuan komputer dan perangkat lunak yang semakin mudah digunakan, hal ini menyebabkan banyak orang yang melakukan perkerjaan di bidang kimia komputasi, walaupun tanpa mempunyai pengetahuan cukup tentang bagaimana perhitungan kimia itu dijalankan oleh komputer, sebagai hasilnya, banyak orang yang tidak mengetahui bahkan penjelasan yang sangat mendasar sekalipun tentang bagaimana perhitungan dijalankan sehingga pekerjaan yang dihasilkan dapat merupakan hasil yang sesunguhnya atau hanya berupa "sampah".

Harno D Pranowo

Continue Reading...

Metode Kimia Komputasi

HyperChem merupakan program yang dapat secara teliti untuk mengetahui struktur, stabilitas dan sifat molekul dengan menggunakan perhitungan mekanika molekular apapun mekanika kuantum. Tersedia metode sederhana untuk menghasilkan struktur molekul 3D, kita dapat memilih 10 jenis metode semiempiris dan menggunakanya untuk mengoptimasi geometri suatu senyawa agar didapatkan suatu struktur yang paling stabil, kita dapat menjalankan perhitungan semiempiris mulai dari atom hidrogen sampai xenon. termasuk logam transisi. Metode ab initio dilengkapi dengan variasi himpunan basis akan dapat digunakan untuk menentukan sifat struktur molekul secara akurat.

Aplikasi Mekanika Kuantum
Beberapa sifat dan struktur molekul yang dapat diprediksi dengan menggunakan metode kimia kuantum antara lain:

• Penentuan interaksi orbital batas (frontier) antara molekul donor dan aseptor seperti yang digambarkan pada reaksi siklisasi Diels-Alder.
• Mendapatkan muatan atomik parsial menggunakan analisis populasi mulliken untuk memprediksi sisi molekul yang mudah diserang oleh preaksi.
• Menghasilkan peta potensial elektrostatik yang dapat memberikan gambaran trajektori dalam penerapan proses docking atara obat dan reseptor.
• Menghitung kerapatan spin tak berpasangan untuk mengidentifikasi sisi reaktif pada molekul atau untuk membandingkan dengan data ESR.
• Dalam bidang spektroskopi UV-Vis, perhitungan kimia kuantum dapat memperkirakan intensitas dan bilangan gelombang dari garis serapan vibrasi dan sekaligus dapat menggambarkan gerakan dari mode normal dengan menggunakan vektor dan animasi.

Kekuatan dan Fleksibilitas:
Beberapa pilihan untuk perhitungan struktur elektronik adalah:

• Sistem dengan muatan apapun dan dengan multiplisitas spin sampai harga 4 dapat dipelajari.
• Perhitungan Restricted and Unrestricted Hartree-Fock (RHF/UHF) pada sistem dan sel terbuka dapat dilakukan.
• Keadaan dasar dan keadaan tereksitasi pertama dapat dihitung.
• Dapat diterapkan perhitungan dengan metode interaksi konfigurasi (Configuration Interaction, CI) menggunakan kriteria orbital atau energi dengan single atau metode microstate.

Kita akan dapat menghasilkan hasil perhitungan yang berguna antara lain:

• Grafik kontur untuk orbital molekul, muatan dan kerapatan spin, dan potensial elektrostatik.
• Gamabaran dari diagram tingkat energi orbital.
• File Log (rekaman) yang berisikan data numerik energi, panas pembentukan, momen dipol, koefisien orbital molekul dan matrik kerapatan.

Jenis Metode Komputasi

1. Metode mekanika kuantum ab initio.

• Tersedia pilihan beberapa himpunan basis di dalam program ini. Himpunan basis standar yang biasa digunakan antara lain STO-3G, 3-21G, 6-31G* dan 6-31G**.
• Fungsi-fungsi basis ekstra (s, p, d, sp, spd) dapat ditambahkan ke atom-atom individual atau ke sekelompok atom.
• Pengguna juga dapat mendefinisikan himpunan basisnya sendiri atau memodifikasi himpunan basis yang telah ada dengan menggunakan HyperChem's documented basis set file format.

2. Mekanika kuantum semiempirik.

• Hyperchem menawarkan sepuluh metode molekular orbital semiempirik, dengan pilihan untuk senyawa organik dan senyawa-senyawa gugus utama, untuk senyawa-senyawa transisi dan untuk simulasi spektra.
• Metode yang tersedia adalah Extended Huckel (oleh Hoffmann), CNDO dan INDO (oleh Pople dkk), MINDO3, MNDO, MNDO/d dan AM1 (oleh Dewar dkk) PM3 (oleh Stewart), ZINDO/1 dan ZINDO/S (oleh Zerner dkk).

3. Mekanika molekuler
HyperChem dapat digunakan secara mudah dalam menghasilkan struktur molekul 3D, dengan pilihan 4 metode mekanika molekuler, teknik optimasi geometri untuk mendapatkan struktur molekul stabil, dan teknik dinamika molekuler untuk mendapatkan pencarian konformasi dan menginvestigasi perubahan struktur.

Penerapan metode mekanika molekuler:

• Perhitungan energi konformasi relatif dari satu seri struktur anolog (deret homolog).
• Reoptimasi peptida setelah ditentukan mutasi selktifnya.
• Mendapatkan struktur yang mendekati realitas untuk perhitungan dengan metode kimia kuantum.
• Kebolehjadian terjadinya efek sterik pada zat antara reaktif.

Empat metode medan gaya (force field) memudahkan kita untuk mengeksplorasi stabilitas dan dinamika sistem molekular untuk senyawa yang mempunyai massa ataom besar.
Untuk keperluan umum digunakan MM+, sedangkan untuk biomolekul dapat digunakan salah satu dari tiga metode medan gaya: AMBER, BIO+ dan OPLS

MM+

• Sesuai untuk sebagian besar spesies non-biologi.
• Berdasarkan MM2 (1977) yang disusun oleh N.L. Allinger.
• Menggunakan himpunan parameter 1991.
• Akan menjadi parameter default dalam kasus parameter MM2 tidak tersedia

AMBER

• Sesuai untuk digunakan pada polipeptida dan asam nukleat dengan semua atom hidrogen diikutkan dalam perhitungan.
• Medan gaya AMBER force field disusun oleh Kollman
• OPLS
• Didesain untuk perhitungan asam nukleat dan peptida
• OPLS disusun oleh jorgensen
• Parameter interaksi tak berikatan dioptimasi dari perhitungan dengan pelarut termasuk di dalamnya.

BIO+

• Dikhususkan untuk perhitungan makromolekul
• Medan gaya CHARMM disusun oleh Karplus
• Disusun Primarily designed to explore macromolecules
• Termasuk parameter CHARMM untuk perhitungan asam amino.

Perhitungan dengan metode gabungan
Hyperchem memungkinkan kita untuk menjalankan perhitungan kuantum terhadap sebagian dari sistem molekular, misalnya terhadap solut, sedangkan sisanya dihitung menggunakan metode klasik. Teknik gabungan ini (QM/MM misalnya) dapat dijalankan untuk semua metode kuantum, hanya saja agak terbatas untuk pemakaian metode ab initio.

Refrensi: Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, UGM Yogyakarta

Continue Reading...

KEMAMPUAN HYPERCHEM

Program Hyperchem, merupakan program kimia aplikasi 32 bit, yang dikembangkan oleh HyperCube Inc, untuk sistem operasi Windows 95/98, Windows NT, Windows XP, Windows Vista, Windows 7 dan Linux. HyperChem merupakan program handal dari pemodelan molekul yang telah diakui mudah digunakan, fleksibel dan berkualitas, dengan menggunakan visualisasi dan animasi tiga dimensi hasil perhitungan kimia kuantum, mekanika dan dinamika molekuler, menjadikan HyperChem terasa sangat mudah digunakan dibandingkan dengan program kimia kuantum yang lain.
program kimia menyediakan fasilitas pembuatan model tiga dimensi (3D), perhitungan mekanika molekuler dan mekanika kuantum (semiempiris dan ab initio), disamping itu tersedia pula database dan program simulate Monte Carlo dan molecular dynamic (MD)
Fasilitas yang disediakan oleh program standar ini adalah:

• Input Struktur dan Manipulasi (Structure Input and Manipulation)
• Display Molekul (Molecular Display)
• Kimia Komputasi (Computational Chemistry)
• Metode Komputasi (Computational Methods)

Input Struktur dan Manipulasi

1. Mengambar molekul dengan program ini relatif sederhana. Pilih unsur dari tabel periodik, kemudian di click dan ditarik dengan mouse, dengan mouse kita dapat mengontrol rotasi di sekitar ikatan, mengatur stereokimia molekul dan mengubah struktur.
2. Dengan mouse-controlled tools kita dapat melakukan seleksi, rotasi dan translasi serta mengubah ukuran struktur. Setting pada menu harus dimodifikasi terlebih dahulu untuk mengontrol operasi dari tools.
3. Untuk mengkonversi struktur 2D menjadi struktur 3D dapat dikerjakan dengan Hyperchem's model builder.
4. Penggunaan constraint terhadap struktur relatif mudah, kita dapat melakukan constraint terhadap panjang ikatan, sudut ikatan, sudut torsi dan juga terhadap atom yang diinginkan.

Display Molekuler (Molecular Display)

1. Pilihan rendering: ball and stick, fused CPK spheres dengan pilihan shading and highighting, juga vdw dots, cylinders dan overlapping spheres.
2. Ribbon rendering untuk protein backbones, dengan pilihan sidechain display.
3. 3D isosurfaces atau 2D contour plots untuk: muatan total, kerapatan muatan, orbital molekul, kerapatan spin, potensial elektrostatik (ESP), ESP dipetakan pada 3D charge density surface.
4. Pilihan isosurface rendering: wire mesh. Jorgensen-Salem, transparent dan solid surfaces, gouraud shaded surface.
5. Selama simulasi dapat ditampilkan rerata energi kinetik, energi potensial, energi total dan parameter molekul seperti panjang ikatan, sudut ikatan, dan sudut torsi.
6. Animasi mode vibrasi dari spektra IR

Kimia Komputasi
Dengan HyperChem kita dapat mengeksplorasi model energi permukaan potensial secara klasik atau kuantum dengan single point, optimasi geometri atau perhitungan dalam mencari keadaan transisi, selain itu kita dapat juga mempelajari pengaruh gerakan termal dengan molecular dynamics, Langevin dynamic atau simulasi Metropolis Monte Carlo.

Jenis Perhitungan
Terdapat beberapa tipe perhitungan, antara lain kalkulasi single point, optimasi geometri, frekuensi vibrasi, pencarian keadaan transisi, simulasi dinamika molekuler, simulasi dinamika Langevin dan simulasi Monte Carlo.

1. Perhitungan single point dapat digunakan untuk menentukan energi molekul dari struktur yang ditentukan (tanpa proses optimasi)
2. Perhitungan optimasi geometri menggunakan algoritma minimasi energi untuk mendapatkan struktur paling stabil. tersedia 5 algoritma minimasi.
3. Perhitungan frekuensi vibrational dimaksudkan untuk mencari mode vibrasi normal dari suatu struktur teroptimisasi. Spektrum teroptimasi dapat ditampilkan dan gerakan vibrasi yang berkaitan dengan transisi spesifik dapat dianimasikan.
4. Pencarian keadaan transisi dilakukan dengan menentukan struktur metastabil yang bersesuaian dengan keadaan transition menggunakan metode Eigenvector Following atau Synchronous Transit. Sifat-sifat molekulernya kemudian dapat dihitung, dua metode untuk melokasikan keadaan transisi diimplementasikan di dalam HyperChem 5.

• Metode Eigenvector Following sangat cocok digunakan untuk prosses unimolekular atau setiap sistem molekular yang mode vibrasi naturalnya cengerung menuju ke suatu keadaan transition.
• Metode synchronous transit khususnya berguna jika reaktan dan produk sangat berbeda, terdapat dua metodologi Synchronous transit yang diimplementasikan di dalam HyperChem yaitu Linear Synchronous Transit (LST) dan Quadratic Synchronous Transit (QST).

1. Simulasi Molecular dynamics menghitung trajektori klasik untuk sistem molekular. Waktu pemanasan, keseimbangan dan pendinginan dapat diterapkan dalam simulasi ini juga dapat digunakan untuk proses-proses yang bergantung pada perubahan waktu. Simulasi dapat dilakukan pada energi konstan atau temperatur konstan.
2. Langevin dynamic simulations untuk memodelkan secara implisit molekul-molekul pelarut.
3. Simulasi Monte Carlo Metropolis berguna untuk mengeksplarasi konfigurasi yang mungkin dari suatu sistem dalam keadaan keseimbangan dan menentukan sifat sistem yang dinyatakan sebagai harga rata-rata untuk seluruh sistem yang sudah berada dalam keadaan keseimbangan.

Hasil Perhitungan dengan HyperChem
Prediksi:
HyperChem dapat digunakan untuk menentukan berapa sifat struktur antara lain:

1. Stabilitas relatif dari beberapa isomer
2. Panas pembentukan
3. Energi aktivasi
4. Muatan atom
5. Beda energi HOMO-LUMO
6. Potensial ionisasi
7. Afinitas elektron
8. Momen dipol
9. Tingkat energi elektronik
10. Energi korelasi elektron MP2
11. Energi keadaan tereksitasi CI
12. Sifat dan struktur keadaan transisi
13. Energi interaksi non-bonded
14. Spektra serapan UV-VIS
15. Spektra absorpsi IR
16. Pengaruh isotop pada vibrasi
17. Spektra serapan IR
18. Efek collision pada sifat struktur
19. Stabilitas dari kluster

Simulasi

1. Interaksi docking
2. Pengaruh temperatur pada gerakan molekul
3. Pengaruh pelarut pada struktur dan dinamika
4. Interaksi intermolekuar pada kluster

Refrensi: Harno D Pranowo, Kimia Komputasi, Jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta.

Continue Reading...

MERKURI

Merkuri adalah unsur logam yang mempunyai nomor atom (NA = 80) serta mempunyai massa molekul relatif (Mr = 200,59) dengan konfigurasi elektron [Xe] 4f14 5d10 6s2 (Ebadian, 2001). Merkuri diberi simbol Hg yang merupakan singkatan yang berasal dari bahasa yunani hydrargyricum, yang berarti cairan perak. Merkuri sangat sedikit ditemukan dalam bentuk logam, mineral-mineral merkuri paling banyak ditemukan sebagai sulfide merkuri (cinnabar), dan sebagian kecil pada mineral korderoid (Hg3S2Cl), livingstonit (HgSb4S7), montroyidit (HgO), tertringualit (Hg2OCl), kalomel (HgCl) (Kirk and Otmer, 1981).

Merkuri (Hg) sebagai unsur berbentuk cair keperakan pada suhu kamar. Merkuri oleh Clarkson dalam Alfian (2006) dapat digolongkan sebagai merkuri anorganik dan merkuri organik. Merkuri anorganik misalnya garam merkurous (Hg2Cl2) dan garam merkuri (HgCl2). Merkuri anorganik pada tahap pengoksidaan, Hg2+ adalah lebih reaktif karena dapat membentuk kompleks dengan ligan organik, terutama golongan sulfurhidril. HgCl2 sangat larut dalam air dan sangat toksik, sebaliknya HgCl tidak larut dan kurang toksik. Contoh dari merkuri organik antara lain senyawa alkil merkuri (CH3HgCl), senyawa aril merkuri (C6H5HgCl) dan senyawa alkoksiaril merkuri (CH3OCH2HgCl). Senyawa merkuri organik dianggap lebih berbahaya dan dapat larut dalam lapisan lemak pada kulit yang menyelimut korda saraf (Alfian, 2006)
Sifat senyawa HgCl2 yang lain adalah sangat larut dalam alkohol, eter dan larut dalam asam asetat (Kaye, 1973).Merkuri dan turunannya mempunyai sifat yang sangat beracun, sehingga kehadirannya di lingkungan perairan dapat mengakibatkan kerugian pada manusia karena sifatnya yang mudah larut dan terikat dalam jaringan tubuh organisme air. Pencemaran merkuri di perairan mempunyai pengaruh terhadap ekosistem setempat yang disebabkan oleh sifatnya yang stabil dalam sedimen, kelarutannya yang rendah dalam air dan kemudahannya diserap dan terkumpul dalam jaringan tubuh organisme air, baik melalui proses bioaccumulation maupun biomagnification yaitu melalui food chain (Budiono, 2003).
Merkuri mempunyai sifat yang sangat beracun, maka U.S. Food and Administrasion (FDA) menentukan pembakuan atau Nilai Ambang Batas (NAB) kadar merkuri yang ada dalam jaringan tubuh badan air, yaitu sebesar 0,005 ppm. Nilai ambang batas yaitu suatu keadaan dimana suatu larutan kimia, dalam hal ini merkuri dianggap belum membahayakan bagi kesehatan manusia. Kadar merkuri jika sudah melampaui NAB dalam air atau makanan, maka air maupun makanan yang diperoleh dari tempat tertentu harus dinyatakan berbahaya. NAB air yang mengandung merkuri total 0,002 ppm baik digunakan untuk perikanan (Budiono, 2003). Pedoman buku mutu lingkungan menjelaskan bahwa, kadar merkuri pada makanan yang dikonsumsi langsung maksimum sebesar 0,001 ppm. Kadar merkuri yang aman dalam darah maksimal 0,04 ppm. Kadar merkuri sebesar 0,1-1 ppm dalam jaringan sudah dapat menyebabkan munculnya gangguan fungsi tubuh (Anonymous, 2008).

Continue Reading...

Enceng Gondok

Enceng gondok di indonesia pada mulanya diperkenalkan oleh kebun raya bogor pada tahun 1894 yang akhirnya berkembang di sungai ciliwung sebagai tanaman penganggu. Menurut Lawrence (1964) dan Moenandir (1990) dalam Hernowo (1999), enceng godok secara botanis mempunyai sistematika sebagai berikut:

Divisio : Embryophytasi Phonogama
Sub Divisio : Spermathopyta
Klas : Monocotyledoneae
Ordo : Ferinosae
Famili : Pontederiaceae
Genus : Eichhornia
Spesies : Eichhornia Crassipes (Mart) Solm


Enceng gondok merupakan herba yang mengapung, menghasilkan tunas yang merayap yang keluar dari ketiak daun yang dapat tumbuh lagi menjadi tumbuhan baru dengan tinggi 0,4-0,8 cm, tumbuhan ini memiliki bentuk fisik berupa daun-daun yang tersusun dalam bentuk radikal (roset). Setiap tangkai pada helaian daun yang dewasa memiliki ukuran pendek dan berkerut. Helaian daun (lamina) berbentuk bulat telur lebar dengan tulang daun yang melengkung rapat, panjangnya 7-25 cm, warna daun hijau licin mengkilat (Hernowo, 1999).

Muramoto dan Oki (1997) dalam Hernowo (1999) menjelaskan, bahwa Enceng gondok dapat digunakan untuk menghilangkan polutan, karena fungsinya sebagai sistem filtrasi biologis, menghilangkan nutrien mineral, serta untuk menghilangkan logam berat seperti cuprum, aurum, cobalt, strontium, merkuri, timah, kadmium dan nikel.

Daun enceng gondok diduga memiliki asam amino sebagai situs aktif dalam proses adsorpsi, hal ini didukung dengan hasil analisa kimia dari Enceng gondok dalam keadaan segar diperoleh bahwa kadar N total 0,28%, bahan organik 36,59% C organik 21,23% P total 0,0011% dan K total 0,016% (Hernowo, 1999). Enceng gondok selama ini lebih dikenal sebagai tanaman gulma. Padahal, enceng gondok sebenarnya mempunyai kemampuan menyerap logam berat. Kemampuan ini telah diteliti di laboratorium Biokimia, Institut Pertanian Bogor, dengan hasil yang sangat luar biasa. Penelitian daya serap enceng gondok dilakukan terhadap besi (Fe) tahun 1999 dan timbal (Pb) pada tahun 2000 (Hasim, 2007).

Penelitian seputar kemampuan enceng gondok dalam menyerap logam berat juga telah dilakukan oleh para pakar. Widyanto dan Susilo (1977) dalam Hasim (2007), melaporkan, dalam waktu 24 jam enceng gondok hidup mampu menyerap logam kadmium (Cd), merkuri (Hg), dan nikel (Ni), masing-masing sebesar 1,35 g/g, 1,77 g/g, dan 1,16 g/g bila logam itu tak tercampur. Enceng gondok juga menyerap Cd 1,23 g/g, Hg 1,88 g/g dan Ni 0,35 g/g berat kering apabila logam-logam itu berada dalam keadaan tercampur dengan logam lain 2000 (Hasim, 2007).

Continue Reading...

Metode Mekanika Kuantum (Quantum Mechanic, QM) dan Mekanika Molekuler (Moleculer Mechanics, MM)

Metode dinamika molekuler merupakan metode simulasi yang sangat berguna dalam mempelajari sistem molekuler 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 metode mekanika kuantum (Quantum Mechanics, QM) atau mekanika molekuler (Moleculer 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 metode MM tidak cukup teliti, untuk mengatasi permasalahan ini, dikembangkan suatu metode hibridisasi yang dikenal dengan nama QM/MM yaitu bagian yang penting dari sistem yang dikaji dihitung dengan metode QM, sedangkan bagian sistem yang tidak harus dijelaskan secara detail dihitung dengan metode MM. Metode QM/MM banyak digunakan dalam simulasi reaksi katalitik enzimatik, proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein dalam reseptor (Harno D Pronowo, 2001).

Continue Reading...

Mekanika Molekul

Mekanika molekul merupakan sebuah metode empiris yang digunakan untuk menyatakan energi potensial dari molekul sebagai fungsi dari variabel geometri. Elektron tidak dipertimbangkan secara eksplisit dan fungsi energi potensial bergantung pada posisi dari inti. Fungsi energi potensial ini merupakan pendekatan tipe Born Oppenheimer yang menyatakan energi potensial permukaan pada tingkat inti atom. Dalam hal ini gerakan elektron dihitung sebagai rerata relatif terhadap pengaruh gerakan inti. Sistem elektronik dimasukkan secara implisit dengan pemilihan parameter yang didasarkan pada data eksperimen (Harno D Pronowo, 2001).

Pada metode ini molekul digambarkan sebagai kumpulan atom yang berinteraksi dengan atom yang lain dengan fungsi analitik sederhana yang didasarkan pada persamaan mekanika klasik. Parameter yang digunakan dalam perhitungan energi diturunkan dari data base struktur yang diperoleh secara eksperimen dan atau metode mekanika kuantum. Persamaan dan parameter yang digunakan untuk mendefinisikan potensial energi permukaan sebuah molekul dalam mekanika molekular merujuk pada sekumpulan angka yang dinamakan medan gaya (Force Field) (Harno D Pronowo, 2001).

Secara umum medan gaya disusun untuk suatu golongan molekul yang spesifik dan medan gaya yang dapat digunakan untuk semua golongan senyawa belum tersedia sampai sekarang. Medan gaya ini berbeda dalam bentuk fungsional dari pernyataan analitik dan dalam himpunan parameternya. Beberapa contoh medan gaya antara lain AMBER, CHARMM, GROMOS, MM3 (Harno D Pronowo, 2001). Model mekanika molekul dikembangkan untuk mendiskripsikan struktur dan sifat-sifat molekul sederhana. Bidang aplikasi mekanika molekul meliputi:

1. Molekul yang tersusun oleh ribuan atom.
2. Molekul organik, oligonukleotida, peptida dan sakarida.
3. Molekul dalam lingkungan vakum atau berada dalam pelarut.
4. Senyawa dalam keadaan dasar.
5. Sifat-sifat termodinamika dan kinetika (melalui dinamika molekul).
   

Kecepatan komputasi mekanika molekul memungkinkan kita untuk menerapkannya dalam docking protein, pencairan energi konformasi dan dinamika molekul yang membutuhkan evaluasi energi yang sangat banyak (Harno D Pronowo, 2001). Metode mekanika molekul didasarkan atas prinsip-prinsip berikut:

1. Inti dari atom dipandang sebagai partikel bak atom (atom-like).
2. Pertikel bak atom tersebut berbentuk sferis (jari-jari diperoleh dari data eksperimen) dan muatan.
3. Interaksi didasarkan pada potensial klasik dan pegas (hukum hooke).
4. Interaksi harus dispesifikasikan terlebih dahulu untuk atom-atom yang dipelajari.
5. Interaksi menentukan distribusi ruang dari pertikel dan energinya.
   

Model mekanika molekul (MM) atom-atom dipandang sebagai model pejal dan ikatan antar atom sebagai pegas. Persamaan deformasi pegas dapat digunakan untuk mendeskripsikan energi potensial merentang (strech), membengkok (bend) dan memilin (twist) (Harno D Pronowo, 2001).

Model MM juga dapat menghitung energi atom-atom tak berikatan (non bonded atom) yang berinteraksi melalui tolakan van der Waals dan tolakan elektrostatik. Sifat-sifat tersebut di atas paling mudah untuk digambarkan secara matematis jika atom-atom dipandang sebagai bola dengan jari-jari yang spesifik (Harno D Pronowo, 2001).

Pada prinsipnya metode MM meramalkan energi berkaitan dengan konformasi molekul, akan tetapi energi MM tidak memiliki makna sebagai kuantitas mutlak, hanya perbedaaan energi antara dua atau lebih konformasi yang mempunyai arti. Persamaan energi MM secara sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut (Harno D Pronowo, 2001):

Energi = Energi rentangan + Energi bengkokan + Energi torsi + Energi interaksi tak berikatan

Persamaan di atas bersama-sama dengan data eksperimen yang diparameterisasi dalam rangka menggambarkan perilaku bermacam-macam atom dan ikatan disebut dengan Force-Field (medan gaya). Sampai saat ini bermacam-macam medan gaya telah dikembangkan. Untuk menyempurnakan ketelitian model MM tersebut, beberapa medan gaya melibatkan perhitungan coupling antara ikatan dan rentangan antar ikatan-ikatan yang berdekatan. Bentuk persamaan matematis dari suku-suku energi bervariasi dari satu medan gaya ke medan gaya yang lain (Harno D Pronowo, 2001).

Continue Reading...

Mekanika Kuantum

Kimia kuantum didasarkan pada postulat mekanika kuantum, dimana mekanika kuantum diperlukan untuk mempelajari partikel-partikel mikroskopis seperti elektron, inti atom, atom dan molekul, dinamika mekanika klasik tidak mampu untuk menjelaskan kelakuan-kelakuan partikel tersebut (menguraikan sifat-sifat dasar partikel yang penting karena elektron terlibat dalam perubahan kimia) (Hyperchem Manual, 2002).

Mekanika kuantum dalam prakteknya terbagi menjadi dua metode, yaitu ab initio dan semiempirik. Perhitungan mekanika kuantum semiempirik biasa dipilih untuk kajian dengan jumlah senyawa banyak. Beberapa metode ini antara lain adalah metode extended huckl, CNDO, INDO, MINDO3 (modified intermediate neglect differential 3), MNDO, AM1, dan PM3 (Katritzky, 1997).

Postulat mekanika kuantum menjadi dasar perhitungan dalam kimia kuantum. Kimia kuantum sistem digambarkan sebagai fungsi gelombang yang dapat diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Schrodinger. Persamaan ini terkait dengan sistem dalam keadaan stasioner dan energi sistem dinyatakan dalam operator Hamiltonian. Operator Hamiltonian dapat dilihat sebagai aturan untuk mendapatkan energi terasosiasi dengan fungsi gelombang yang menggambarkan posisi dari inti atom dan elektron dalam sistem (Katritzky, 1997).

Continue Reading...

Himpunan Basis (Basis Set)

Basis set dalam ilmu kimia adalah kumpulan fungsi matematika yang digunakan untuk menyusun gugus orbit suatu molekul. Kumpulan fungsi-fungsi matematika yang ada disusun dalam kombinasi linier dengan menyertakan nilai koefisien di dalamnya. Fungsi yang digunakan umumnya adalah gugus-gugus orbit atom penyusun molekul tersebut. Perhitungan kimia kuantum umunya dilakukan dalam satu set basis perhitungan yang terdiri atas fungsi gelombang yang ada disusun secara linier. Proses perhitungan, kumpulan orbital atomik akan disusun mengikuti kaidah Slater, yang kemudian disebut orbital Slater. Secara garis besar, orbital Slater berbentuk lengkungan eksponensial turun yang umumnya didekati dengan linier kombinasi dari fungsi gaussian (T. Daniel Crawford, 2009).

STO-nG adalah basis set terkecil dengan n sebagai nilai bilangan bulat. n akan menyatakan berapa jumlah fungsi Gaussian yang akan digunakan. Penggunaan basis set minimum ini sangat tidak dianjurkan mengingat keakuratan data. STO-nG, kode basis set yang sering digunakan (T. Daniel Crawford, 2009).

Himpunan basis diklasifikasikan menurut jumlah fungsi primitifnya dan cara pembentukan fungsi gaussian terluaskan. Himpunan basis minimal berisi satu fungsi basis untuk mewakili masing-masing (kulit dalam dan kulit valensinya) orbital atomik. Pengembangan himpunan basis lebih lanjut dilakukan dengan cara mengganti masing-masing fungsi basis dari suatu minimal himpunan basis dengan beberapa fungsi basis yang berbeda pada eksponen orbitalnya, ζ, yang kemudian dikenal sebagai himpunan basis diperluas, yang termasuk dalam himpunan basis diperluas antara lain zeta ganda (DZ) yang berisikan dua kali fungsi basis dari minimal basis dan zeta rangkap tiga (TZ) yang berisikan tiga kali fungsi basis dari minimal basis. Himpunan basis valensi terbagi (SV –Split Valence-) adalah suatu kombinasi dari himpunan basis minimal dan himpunan basis diperluas. Terdapat beberapa fungsi basis untuk masing-masing orbital atomik pada elektron kulit valensi tetapi hanya satu fungsi basis untuk menggambarkan orbital atomik pada kulit dalam (Harno D Pronowo, 2001).

Jumlah himpunan basis yang digunakan untuk perhitungan molekul telah banyak dilaporkan. Himpunan basis diturunkan oleh Pople dan Huzinaga. Himpunan basis yang dikembangkan oleh Pople adalah minimal himpunan basis STO-TG, dengna L adalah Gaussian primitive yang diperluaskan menjadi satu fungsi yang menghasilkan peralakuan fungsional orbital slater. Penamaan yang berbeda diambil oleh Pople dan Huzinaga, yaitu penamaan standar untuk n-ijG atau n-ijkG, n adalah jumlah himpunan basis primitif untuk kulit dalam, ij atau ijk mewakili jumlah primitif untuk memperluaskan di kulit valensi, selanjutnya n-ijG disebut dengan himpunan basis zeta ganda dan n-ijkG disebut zeta rangkap tiga, selanjutnya kedua himpunan basis ditambah dengan fungsi polarisasi dan dispersi (Harno D Pronowo, 2001).

Fungsi polarisasi yang penting untuk menghasilkan ikatan kimia, sering diturunkan dari optimasi eksponen untuk suatu himpunan molekul dan juga dimasukan dalam semua perhitungan korelasi yang biasanya sebagai fungsi gaussian yang tidak terluaskan, sehingga prosedur ini membutuhkan lebih banyak waktu perhitungan. Notasi fungsi polarisasi adalah * atau (d). Himpunan basis dari Pople dapat diperbesar dengan fungsi polarisasi tipe –d pada atom-atom berat seperti n-ijG* atau n-ijkG* dan dengan fungsi tipe –P pada hidrogen seperti n-ijG** atau n-ijkG** (Harno D Pronowo, 2001).

Fungsi dispersi diperlukan untuk menjelaskan fenomena pada anion dan pada ikatan yang lemah seperti ikatan hidrogen dan juga dibutuhkan untuk perhitungan sifat-sifat, seperti momen dipole, dan polarisabilitas. Fungsi gaussian ini mempunyai eksponen yang sangat kecil dan berkurang secara perlahan dengan bertambahnya jarak elektron dari inti. Notasi + untuk fungsi dispersi. Gaussian dispersi biasanya tipe-s dan tipe-p. himpunan basis dari Pople juga dapat diperbesar dengan 1 gaussian dispersi tipe-s dan tipe-p pada atom-atom berat (n-ij+G atau n-ijk+G) atau memasukan juga 1 gaussian tipe-s disperse pada atom hidrogen (n-ij++G atau n-ijk+G) (Harno D Pronowo, 2001).

Continue Reading...

Pemodelan Spektra Molekul

Spekroskopi adalah studi mengenai interaksi cahaya dengan atom atau molekul. Radiasi cahaya adalah suatu radiasi elektromagnet yang memiliki sifat ganda, yaitu sifatnya sebagai partikel dan sebagai gelombang. Sifat gelombang yang terpenting adalah panjang gelombang (λ). λ adalah jarak yang ditempuh oleh gelombang selama satu siklus. Selain itu gelombang juga memiliki amplitude (A), periode (τ) atau waktu untuk satu siklus sempurna dan frekwensi (v) yaitu jumlah siklus dalam tiap detik. Hubungan antara panjang gelombang, frekwensi adalah sebagai berikut: vλ = c, dimana c adalah kecepatan cahanya (Harno D Pronowo, 2001). Cahaya dapat juga dipandang sebagai aliran paket energi yang bergerak dengan kecepatan tinggi (3,00 x 1010 m/s). Paket energi ini disebut dengan foton. Besar energi foton menurut persamaan Planck adalah E = h v. h adalah tetapan Planck (faktor kesebandingan) yang nilainya adalah 6,63 x 10-34 joule detik (Harno D Pronowo, 2001).
Apabila cahaya kontinyu (cahaya dengan semua panjang gelombang yang mungkin) dilewatkan melalui sebuah prisma, maka cahaya tersebut akan terdispersi, jika cahaya yang terdispersi ini dilewatkan melalui sel yang mengandung sampel atau molekul, cahaya yang keluar menjadi tidak kontinyu lagi. Beberapa gelombang cahaya berinteraksi dengan molekul atau atom-atom sampel dan terabsorbsi. Panjang gelombang yang hilang dapat dideteksi dengan menjatuhkan cahaya yang keluar dari sel sampel pada plat fotografi (Harno D Pronowo, 2001).
Energi molekul dinyatakan dalam energi translasi, rotasi, getaran (vibrasi) dan elektronik, untuk setiap jenis energi ini terdapat tingkat-tingkat energi. Energi translasi molekul adalah energi kinetik molekul yang disebabkan oleh perpindahan molekul tersebut dari satu tempat ke tempat lain di dalam ruangan. Energi rotasi molekul adalah energi kinetik molekul yang disebabkan oleh rotasi pada sumbu yang melalui titik berat, sedangkan energi vibrasi molekul adalah energi kinetik dan energi potensial molekul yang disebabkan oleh gerakan getaran. Atom di dalam molekul dapat dipandang sebagai titik massa yang satu dengan lainnya terikat oleh ikatan kimia yang berlaku seperti pegas. Energi getaran (vibrasi) adalah tercatu dan menimbulkan spektrum absorbsi dalam daerah inframerah. Energi elektronik molekul adalah energi molekul yang disebabkan oleh energi potensial dan kinetik elektronnya (Harno D Pronowo, 2001).

Continue Reading...

QM/MM

Metode gabungan QM/MM semakin populer dan powerful untuk memodelkan reaksi enzim. Metode ini menggabungkan penggambaran kimia kuantum dari gugus yang langsung terlibat dalam reaksi dengan perlakuan yang lebih sederhana mekanika molekul untuk enzim dan lingkungannya (Rustaman, 2008).

Skema penggandengan yang berbeda dapat digunakan untuk menangani interaksi antara bagian QM dengan bagian MM. Enzim bersifat polar, sehingga penting untuk memasukkan polarisasi dari atom-atom QM dengan atom-atom tetangga MM, seperti yang selalu dimasukkan dalam studi enzim secara QM/MM. Metode QM/MM tersebut telah menunjukkan nilainya dalam mengidentifikasi fungsi-fungsi katalitik untuk residu-residu yang memiliki bagian aktif (seperti prolin yang pada monooksigenase bergantung pada flavin), dalam menjawab pertanyaan mekanistik dan menyarankan serta menguji prinsip-prinsip katalitik (seperti pengaruh konformasi dan kestabilan struktur keadaan transisi dalam enzim chorismate mutase.

Perhitungan QM/MM dapat dilakukan pada tingkat perhitungan struktur elektronik yang berbeda-beda, seperti ab initio, semiempirik, fungsional kerapatan atau metode pendektan fungsi kerapatan (the self-consistent charge density-functional tightbinding (SCC-DFTB) yang menggabungkan efisiensi komputasi dengan keakuratan yang sesuai untuk kebanyakan penggunaan. Struktur keadaan transisi dapat dioptimasi dan simulasi dinamika molekul dapat dilakukan dengan metode QM/MM yang lebih sederhana (seperti QM/MM semiempirik). Perbedaan energi bebas, seperti energi bebas aktivasi dapat dihitung, juga pengaruh kuantum seperti tunneling dan koreksi zpe. Metode ini memiliki peran penting karena metode ini membolehkan simulasi yang lebih luas (simulasi dinamik dan Monte Carlo, sampling konformasi dan perhitungan lintasan reaksi). Metode semiempirik yang sudah diparameterisasi secara spesifik keakuratan yang lebih baik untuk reaksi tertentu. (Rustaman, 2008).

Menerapkan metode QM/MM perlu ketelitian, contohnya dalam memilih sistem QM dan dalam mempartisi QM/MM, untuk sejumlah kecil enzim (enzim chorismate mutase) tidak ada interaksi kovalen antara enzim dan substrat sehingga pemisahan ke dalam bagian QM dan MM dapat dilakukan langsung; interaksi QM/MM hanya akan memasukkan bagian MM untuk interaksi van Der Waals dan QM/MM untuk interaksi elektrostatik, meskipun dalam banyak hal, batas antara bagian QM dengan MM harus memisahkan atom-atom yang terikat secara kovalen. Beberapa metode telah dikembangkan agar memungkinkan pemisahan antara QM/MM ini, termasuk atom penghubung (link atoms), contoh atom hidrogen yang ditambahkan pada atom-atom batas QM, orbital hibrida yang digeneralisir pseudobonds dan orbital terlokalisasi.

Metode QM/MM telah secara luas diuji dan sudah ditemukan bahwa jika diterapkan dengan sesuai (contoh mempartisi ikatan-ikatan tunggal C-C jauh dari muatan kimia) kebanyakan dapat memberikan gambaran yang sesuai, sama pentingnya dengan metode mempartisi QM/MM adalah lokasi bidang batas, memperlakukan interaksi ikatan QM/MM (semua term ikatan MM melibatkan minimal satu atom MM tetap (retained)) dan perlakuan interaksi elektrostatik QM/MM pada bidang batas (contohnya seringkali sebaiknya menghilangkan interaksi QM/MM dengan atom MM yang terikat secara kovalen). Pengaruh elektrostatik jarak-jauh mungkin signifikan dan perlu dimasukkan (contoh melalui model solvasi kontinum digabungkan dengan pemodelan QM/MM) (Rustaman, 2008).

Penerapan metode QM/MM belum standar seperti metode perhitungan QM atau MM murni, namun pekerjaan yang ekstensif telah menentukan prosedur dan pendekatan yang sudah ditunjukkan layak dan menunjukkan menghasilkan prediksi yang baik, dalam beberapa hal, memungkinkan untuk memvalidasi hasil perhitungan QM/MM tentang energi aktivasi melalui korelasi dengan konstanta laju reaksi hasil percobaan untuk reaksi enzim. Penting untuk diingat bahwa komplikasi yang dapat muncul pada pemodelan protein (kualitas dan kesesuaian struktur kristal, pengaruh ketidakteraturan, seperti konformasi alternatif atau residu yang hilang, mungkin keadaan protonasi dari gugus yang dapat diionisasi), pada prakteknya, struktur kristal dengan resolusi tinggi dari kompleks enzim yang relevan (contoh substrat yang terikat atau keadaan transisi analognya) diperlukan untuk pemodelan mekanisme yang layak. Resolusi struktur kristal adalah suatu indikasi dari ketepatan struktur tetapi ini bukan satu-satunya faktor yang harus dipertimbangkan, kompleks harus mewakili kompleks reaktif dan contohnya bukan untuk konformasi yang tidak reaktif pada kondisi pH dan konsentrasi terlarut yang terkait dengan lingkungan dimana enzim yang sebenarnya berfungsi. Struktur kristal mewakili rata-rata semua molekul dalam kristal dan semua waktu selama eksperimen kristalografi; perata-rataan ini kadang-kadang berlaku untuk rantai samping asam amino. Struktur kristal protein sebaiknya tidak dipandang sebagai struktur molekul tunggal sederhana, seperti simulasi biomolekul lainnya, struktur awal sebaiknya diperiksa secara hati-hati pada tahap-tahap awal terhadap potensinya dalam kesulitan nantinya atau ketidakpastiannya (Rustaman, 2008).

Perhitungan QM/MM dapat memberikan pengetahuan mengenai mekanisme enzim dan spesifitas. Metode QM/MM juga menjadi semakin penting dalam mempelajari ikatan ligan, yang mana metode ini menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan metode MM, termasuk gambaran fisik yang lebih baik tentang ligan (contohnya tentang polarisasinya) dan menghidari kebutuhan akan parameterisasi yang cukup menyita waktu. Bidang ini masih berkembang dan belum sampai pada tahap dimana prediksi kuantitatif dan eksak, contoh laju reaksi dapat secara rutin dibuat, untuk alasan ini, penting untuk memvalidasi hasil prediksi yang dihasilkan dari pemodelan dengan data eksperimen, prediksi nilai pKa gugus-gugus fungsi dalam protein ini memberikan suatu contoh jenis pengujian yang berguna dan akurat. Perkembangan terkini meliputi penggunaan metode QM/MM untuk simulasi gangguan energi bebas, contohnya untuk menghitung binding affinity relatif dan pada molecular docking. (Rustaman, 2008).

Perhitungan hybrid QM/MM, melibatkan pembagian sistem ke dalam dua daerah yaitu, sebuah daerah QM, khususnya terdiri dari atom relatif kecil bersangkutan daerah spesifik untuk penyelidikan, dan daerah MM adalah daerah sisa atom. Hamiltonian sistem (H) adalah (Gustavo de M. Seabra, 2007):

Continue Reading...

Metoda Hibrid Mekanika Kuantum/Mekanika Molekuler

QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics)

Dalam hyperchem, kita dapat langsung memilih satu bagian dari molekul dan kemudian memperlakukannya secara mekanika kuantum sementara bagian yang tersisa diperlakukan sebagai potensial yang akan dimasukkan sebagai medan coulomb eksternal dalam perhitungan mekanika kuantum. Perhitungan ini memadukan deskripsi kuantum (satu bagian yang terpilih) dengan deskripsi klasik (mekanika molekuler) muatan titik pada atom-atom yang berada pada bagian yang tetap. Penggabungan lengkap dari kedua teknologi ini (mekanika molekuler dan mekanika kuantum semiempirik) masih belum tersedia ( untuk melakukan perhitungan dinamika molekuler misalnya, dengan kedua bagian baik klasik dan kuantum yang bergerak); akan tetapi, kita dapat melalukan perhitungan mekanika kuantum apapun pada bagian molekul yang terpilih dan bagian molekul yang tersisa dimasukkan sebagai suatu potensial di dalam matriks Hamiltonian satu-elektron H

Ada dua masalah dasar yang harus diselesaikan untuk dapat melakukan perhitungan QM/MM, yaitu:

1. Bagaimana menentukan atau bentuk batas antara bagian klasik dan bagian kuantum. (dengan kata lain, atom-atom yang manakah yang akan menjadi atom kuantum dan atom-atom yang mana yang akan menjadi atom klasik)
2. Bagaimana caranya untuk menyumbat (caping) perhitungan kuantum sedemikian hingga tidak ada elektron atau ikatan yang terkatung-katung di dalam perhitungan mekanika kuantum sementara masih tetap memberikan efek-efek yang diinginkan pada bagian klasik.
   

MEMILIH BATAS KLASIK-KUANTUM

Hyperchem mengasumsikan bahwa cara paling mudah untuk memilih batas klasik-kuantum adalah dengan menggunakan pilihan subset untuk memilih bagian dari system molekul yang akan diperlakukan secara mekanika kuantum. Kemudian pilihan awal ini dapat diperluas untuk membuat batas yang baik dan dapat diterima secara universal. Jadi, yang pertama dilakukan adalah memilih atom-atom yang akan diperlakukan secara mekanika kuantum. Atom-atom yang terpilih ini kemudian disebut atom-atom kuantum, dan atom-atom yang tak terpilih adalah atom-atom klasik.

Jika kemudian diminta perhitungan mekanika kuantum semiempirik, maka Hyperchem akan melakukan pemilihan sebaik mungkin (sebagaimana dijelaskan dibawah) bagaimana atom-atom untuk perhitungan mekanika kuantum disumbat (di-cap). Misalnya untuk suatu cincin benzena (dengan ikatan terdelokalisasi), memiliki sebagian atom kuantum dan sebagian atom klasik, Hyperchem akan sulit untuk memberikan hasil perhitungan yang masuk akal, meskipun perhitungan akan tetap dilakukan oleh Hyperchem. Terdapat sebuag menu khusus di Hyperchem, Extend to sp3, dapat digunakan untuk melakukan perluasan daerah terpilih sampai ditemukan salah satu dari keadaan berikut:

• Ujung molekul. Duan atom yang bukan merupakan bagian dari satu koneksi molekul yang sama pastilah merupakan molekul yang terpisah. Sampai pada ujung molekul berarti mencapai atom terminal dari molekul tersebut seperti: hydrogen atau florin mono-koordinasi, oksigen karbonil, dll.
• Suatu ikatan tunggal sp3-sp3 dimana atom sisi luar dalam ikatan tersebut bukanlah atom terminal termono-koordinasi semacam hydrogen atau florin.
  

Continue Reading...

Hyperchem

Hyperchem dikeluarkan Autodesk Incorporation (Kanada) merupakan salah satu perangkat lunak yang berjalan di bawah sistem operasi windows Hyperchem merupakan program aplikasi komputer dibidang kimia dan mengkhususkan penggunaanya dibidang kimia dengan menterjemahkan bahasa matematis mekanika kuantum menjadi program kimia siap pakai (Hyperchem Manual, 2002).

Hyperchem merupakan suatu program stimulasi dan pemodelan molekul yang memungkinkan penampilan dan perhitungan kimia yang rumit, fungsi-fungsi yang dapat dijelaskan oleh hyperchem antara lain (Hyperchem Manual, 2002):

1. Pemodelan struktur molekul dari atom-atom dan mengubahnya dalam bentuk tiga dimensi
2. Pembangunan protein dan asam nukleat dari residu standarnya serta modifikasinya
3. Pemodelan molekul dari sumber-sumber seperti file PDB (Brookhaven Protein Data Bank)
4. Penataan ulang molekul dengan rotasi, translasi maupun zoom
5. Mengubah tampilan molekul (Rendering)
6. Perhitungan-perhitungan kimia dengan berbagai metode, seperti dinamik melekuler, mekanika molekuler, semiempirik dan mekanika kuantum (Hyperchem Manual, 2002)
   

Continue Reading...

Pemodelan Molekuler

Pemodelan molekuler suatu cara untuk mengambarkan atau menampilkan perilaku suatu sistem molekul semirip aslinya (Da Silva, 2008). Contoh model molekul adalah pengambaran dua dimensi dengan struktur lewis, yang menggambarkan electron dengan titik dan ikatan dengan garis (Jensen, 1999), namun umumnya orang menghubungkan pemodelan molekul dengan deskripsi struktur kimia dalam bentuk dimensi. Ada yang mendefinisikan pemodelan molekuler merupakan deskripsi dan representasi molekul dalam bentuk tiga dimensi yang berkait dengan sifat fisikokimia (Leach, 1996) definisi lain menyatakan bahwa pemodelan molekuler merupakan segala hal yang dikerjakan dengan bantuan komputer untuk menampilkan, mengambarkan atau mengevaluasi sifat-sifat suatu molekul (danielsson, 2004). Pemodelan molekuler dilakukan untuk memberikan gambaran tentang perilaku molekul, yang pada akhirnya digunakan untuk melakukan perhitungan-perhitungan fisika dan kimia dari molekul tersebut. Pemodelan molekuler akan memberikan kemudahan dalam memahami struktur molekul, sifat-sifat perilaku sistem molekul (Leach, 1996).

Pemodelan dengan komputer akan terasa lebih mudah karena parameter-parameter yang terdapat dalam suatu molekul dapat dibuat dengan bantuan komputer. Perhitungan numeris dapat dilakukan dengan cepat meskipun memerlukan banyak interaksi. pemodelan dengan menggunakan komputer merupakan pemodelan secara matematis dari molekul dan sifat-sifatnya, seperti posisi atom (koordinat kartesian dan koordinat internal), sifat-sifat electronic, maupun energi yang merupakan satu set dari persamaan-persamaan yang meliputi jarak atom, tipe atom dan ikatan antara atom (Spiegel, 2004) pendekatan seperti ini dikenal dengan pendekatan kimia komputasi.

Kimia komputasi adalah cabang ilmu kimia yang menggunakan hasil kajian kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program komputer untuk menghitung sifat-sifat molekul dan perubahannya (Leach, 1996). Contoh sifat-sifat molekul yang dihitung antara lain struktur, energy, muatan, momen dipole, kereaktifan, frekuensi getaran dan besaran spektroskopi lainnya. Istilah kimia komputasi juga digunakan untuk bidang-bidang yang saling tumpang tindih antara ilmu komputer dan kimia (Levine, 2000).

Metode kimia komputasi dapat dibedakan menjadi dua bagian besar yaitu mekanika molekuler dan metode struktur elektronik yang terdiri dari ab initio dan semiempiris (Jensen, 1999). Banyak aspek dinamik dan struktur molekul dapat dimodelkan menggunakan metode klasik dalam bentuk dinamik dan mekanika molekul. Medan gaya (force field) klasik di dasarkan pada hasil semiempiris yang merupakan nilai rata-rata dari sejumlah besar data parameter molekul karena melibatkan data dalam jumlah besar (Leach, 1996)

Continue Reading...