آنتروپی و انرژی آزاد در زیست‌شناسی ساختاری ۲۰۲۰
Entropy and Free Energy in Structural Biology 2020

شبیه‌سازی کامپیوتری به موتور اصلی توسعه در مکانیک آماری تبدیل شده است. در زیست‌شناسی ساختاری، شبیه‌سازی کامپیوتری ابزار نظری اصلی برای تعیین ساختار پروتئین‌ها و محاسبه انرژی آزاد اتصال است که در طراحی دارو اهمیت دارند. کتاب “آنتروپی و انرژی آزاد در زیست‌شناسی ساختاری” خواننده را به‌طور سیستماتیک به سوی فناوری شبیه‌سازی هدایت می‌کند. این کتاب که به صورت یک دوره آموزشی ساختار یافته است، از چهار بخش تشکیل شده است:

بخش اول، یک دوره کوتاه در مورد نظریه احتمال است که بر (۱) تمایز بین مفاهیم احتمال تجربی، فضای احتمال و احتمال تجربی در یک کامپیوتر و (۲) شرح ساختار ریاضی فضاهای ضرب تاکید دارد. این مفاهیم برای حل مسائل احتمال و ابداع روش‌های شبیه‌سازی، به ویژه برای محاسبه آنتروپی، ضروری هستند.

بخش دوم با مروری کوتاه بر ترمودینامیک کلاسیک آغاز می‌شود که از آن یک استخراج غیرسنتی از مکانیک آماری ابداع می‌شود. جنبه‌های نظری مکانیک آماری به طور گسترده بررسی می‌شوند.

بخش سوم چندین موضوع در ترمودینامیک غیرتعادلی و مکانیک آماری نزدیک به تعادل، مانند روابط اونساگر، دو قانون فیک، و معادلات لانژوین و مستر را پوشش می‌دهد. روش‌های مونت کارلو و دینامیک مولکولی نیز مورد بحث قرار می‌گیرند.

بخش چهارم روش‌های شبیه‌سازی پیشرفته برای پلیمرها و سیستم‌های پروتئینی، از جمله تکنیک‌هایی برای جستجوی تطبیقی و محاسبه پتانسیل نیروی میانگین و پتانسیل شیمیایی را ارائه می‌دهد. انتگرال‌گیری ترمودینامیکی، روش‌های محاسبه مطلق آنتروپی، و روش‌شناسی برای محاسبه انرژی آزاد مطلق اتصال ارزیابی می‌شوند.

این جلد با تعدادی مسئله و مثال حل شده تقویت شده است و منبع ارزشمندی برای دانشجویان پیشرفته کارشناسی و کارشناسی ارشد در رشته‌های شیمی، مهندسی شیمی، بیوشیمی، بیوفیزیک، داروشناسی و زیست‌شناسی محاسباتی خواهد بود.

Computer simulation has become the main engine of development in statistical mechanics. In structural biology, computer simulation constitutes the main theoretical tool for structure determination of proteins and for calculation of the free energy of binding, which are important in drug design. Entropy and Free Energy in Structural Biology leads the reader to the simulation technology in a systematic way. The book, which is structured as a course, consists of four parts:

Part I is a short course on probability theory emphasizing (1) the distinction between the notions of experimental probability, probability space, and the experimental probability on a computer, and (2) elaborating on the mathematical structure of product spaces. These concepts are essential for solving probability problems and devising simulation methods, in particular for calculating the entropy.

Part II starts with a short review of classical thermodynamics from which a non-traditional derivation of statistical mechanics is devised. Theoretical aspects of statistical mechanics are reviewed extensively.

Part III covers several topics in non-equilibrium thermodynamics and statistical mechanics close to equilibrium, such as Onsager relations, the two Fick’s laws, and the Langevin and master equations. The Monte Carlo and molecular dynamics procedures are discussed as well.

Part IV presents advanced simulation methods for polymers and protein systems, including techniques for conformational search and for calculating the potential of mean force and the chemical potential. Thermodynamic integration, methods for calculating the absolute entropy, and methodologies for calculating the absolute free energy of binding are evaluated.

Enhanced by a number of solved problems and examples, this volume will be a valuable resource to advanced undergraduate and graduate students in chemistry, chemical engineering, biochemistry biophysics, pharmacology, and computational biology.