RUANG LINGKUP KIMIA KOMPUTASI

A. 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 telitiUntuk 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.
B. 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.
C. 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.
D. 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.
E. 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-Aktivity
Relationship, 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).
F. 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.
G. 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.

sumber: http://www.komputasi.lipi.go.id/data/1014224403/data/1113104169.pdf