Модель заполнения пространства
Тип 3D молекулярной модели
Заполняющая пространство модель н- октана , углеводорода с прямой цепью (нормального) , состоящего из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, формулы: CH 3 CH 2 (CH 2 ) 4 CH 2 CH 3 или C
8ЧАС
18Обратите внимание, что представленный представитель представляет собой одну конформационную «позу» популяции молекул, которая из-за низких барьеров энергии Гиббса для вращения вокруг своих углерод-углеродных связей (придающих углеродной «цепи» большую гибкость) обычно состоит из очень большого числа различных таких конформаций (например, в растворе).
Пример трехмерной, заполняющей пространство модели сложной молекулы ТГК , активного вещества марихуаны.

В химии модель заполнения пространства , также известная как модель куполов , является типом трехмерной (3D) молекулярной модели , в которой атомы представлены сферами, радиусы которых пропорциональны радиусам атомов , а межцентровые расстояния пропорциональны расстояниям между атомными ядрами , все в одном масштабе. Атомы различных химических элементов обычно представлены сферами разных цветов.

Модели скатов, заполняющих пространство, также называются моделями CPK в честь химиков Роберта Кори , Лайнуса Полинга и Уолтера Колтуна, которые с течением времени развили концепцию моделирования в полезную форму. [1] Они отличаются от других трехмерных представлений, таких как шаростержневые и скелетные модели, использованием «полноразмерных» сфер, заполняющих пространство, для атомов. Модели являются тактильными и могут вращаться вручную. Они полезны для визуализации эффективной формы и относительных размеров молекулы, а также (из-за вращаемости) форм поверхности различных конформеров . С другой стороны, эти модели маскируют химические связи между атомами и затрудняют просмотр структуры молекулы, которая скрыта атомами, ближайшими к наблюдателю в определенной позе. По этой причине такие модели более полезны, если их можно использовать динамически, особенно при работе со сложными молекулами (например, посмотрите, как лучше понимается форма молекулы, если щелкнуть по модели ТГК для вращения).

История

Модели заполнения пространства возникают из желания представить молекулы способами, которые отражают электронные поверхности, которые представляют молекулы, которые диктуют, как они взаимодействуют друг с другом (или с поверхностями или макромолекулами, такими как ферменты и т. д.). Кристаллографические данные являются отправной точкой для понимания статической молекулярной структуры, и эти данные содержат информацию, строго требуемую для создания представлений заполнения пространства (например, см. эти кристаллографические модели ); чаще всего, однако, кристаллографы представляют местоположения атомов, полученные из кристаллографии, через « тепловые эллипсоиды », параметры отсечения которых устанавливаются для удобства как для показа местоположений атомов (с анизотропией ), так и для представления ковалентных связей или других взаимодействий между атомами в виде линий. Короче говоря, по соображениям полезности кристаллографические данные исторически появлялись в представлениях, более близких к шаростержневым моделям. Таким образом, хотя кристаллографические данные содержат информацию для создания заполняющих пространство моделей, тем, кто интересуется моделированием эффективной статической формы молекулы, занимаемого ею пространства и способов, с помощью которых она может представлять поверхность для другой молекулы, еще предстоит разработать формализм, показанный выше.

В 1952 году Роберт Кори и Лайнус Полинг описали точные масштабные модели молекул, которые они построили в Калтехе . [1] В своих моделях они представляли себе поверхность молекулы как определяемую радиусом Ван-дер-Ваальса каждого атома молекулы и создавали атомы как сферы из твердой древесины с диаметром, пропорциональным радиусу Ван-дер-Ваальса каждого атома, в масштабе 1 дюйм = 1 Å . Чтобы обеспечить связи между атомами, часть каждой сферы была отрезана, чтобы создать пару соответствующих плоских граней, с размерами разрезов, такими, чтобы расстояние между центрами сфер было пропорционально длинам стандартных типов химических связей. [1] Был разработан соединитель — металлическая втулка , которая ввинчивалась в каждую сферу в центре каждой плоской грани. Затем две сферы были прочно скреплены вместе металлическим стержнем, вставленным в пару противоположных втулок (с креплением винтами). Модели также имели специальные функции, позволяющие отображать водородные связи . [1] [ требуется проверка ] [2]

Пример трехмерной, заполняющей пространство модели простой молекулы, диоксида серы , SO2 , показывающей электростатическую потенциальную поверхность , вычисленную для молекулы с использованием программного пакета Spartan для инструментов вычислительной химии . Она затенена от синего для электроположительных областей до красного для электроотрицательных областей. Поверхность была создана путем расчета энергии взаимодействия сферического точечного положительного заряда (например, протона, H +, ) с атомами молекулы и связывающими электронами в серии дискретных вычислительных шагов. Здесь электростатическая поверхность подчеркивает электронный дефицит атома серы, предполагая взаимодействия, в которых он может участвовать, и химические реакции, которым он может подвергаться.
Пример трехмерной, заполняющей пространство модели очень сложной макромолекулы , белка , β2-адренорецептора , охватывающего клеточную мембрану , рецептора, связанного с G-белком , на этом изображении, рассматриваемого так, как будто смотришь сверху на внеклеточную поверхность. Поверхность электростатического потенциала была применена к модели с позициями атомов, определенными кристаллографией ( код PDB 2RH1); электростатическая поверхность была вычислена с помощью бесплатного программного обеспечения Adaptive Poisson-Boltzmann Solver (APBS). [3] Она снова закрашена синим цветом для электроположительных областей и красным для электроотрицательных областей. Несколько очевидно, в представлении палочек желтым, красным и синим цветом, в канавке в верхней части рецептора , находится связанный с ним лиганд небольшой молекулы , агент каразолол , частичный обратный агонист , который посредством этого связывания противодействует связыванию нормального лиганда, нейротрансмиттера /гормона адреналина . В ответ на связывание адреналина этот рецептор, в сочетании с кальциевым каналом L-типа , опосредует физиологические реакции, такие как расслабление гладких мышц и бронходилатация . Все такие связывающие взаимодействия и функция рецептора в передаче сигнала опосредуются электростатическими эффектами, и в современных структурных работах они часто изучаются с использованием аналогичных моделей заполнения пространства.

В 1965 году Уолтер Л. Колтун разработал и запатентовал упрощенную систему с формованными пластиковыми атомами разных цветов , которые были соединены специально разработанными защелкивающимися соединителями; эта более простая система достигла по сути тех же целей, что и система Кори-Полинга, [4] [5] и позволила разработать модели как популярный способ работы с молекулами в учебных и исследовательских средах. Такие цветные, определенные по длине связи, заполняющие пространство модели Ван-дер-Ваальса теперь широко известны как модели CPK, в честь этих трех разработчиков конкретной концепции.

В современных исследовательских усилиях внимание вернулось к использованию кристаллографических моделей с большим объемом данных в сочетании с традиционными и новыми вычислительными методами для предоставления заполняющих пространство моделей молекул, как простых, так и сложных, где добавленная информация, например, какие части поверхности молекулы были легко доступны для растворителя , или как электростатические характеристики заполняющего пространство представления — которое в случае CPK почти полностью оставлено воображению — могут быть добавлены к созданным визуальным моделям. Два заключительных изображения дают примеры последнего типа расчета и представления, а также его полезности.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Кори, Роберт Б.; Полинг, Лайнус (1953). «Молекулярные модели аминокислот, пептидов и белков» (PDF) . Обзор научных инструментов . 8 (24): 621– 627. Bibcode :1953RScI...24..621C. doi :10.1063/1.1770803 . Получено 9 марта 2020 г. .
  2. ^ В той же статье Кори и Полинг также кратко описывают гораздо более простой, но менее точный тип модели с резиноподобными поливиниловыми пластиковыми сферами в масштабе 1 дюйм = 2Å, соединенными защелками . См. Corey & Pauling, 1953, op. cit.
  3. ^ Baker, NA, Sept, D., Joseph, S., Holst, MJ & McCammon, JA, 2001, "Электростатика наносистем: применение к микротрубочкам и рибосоме", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98 : стр. 10037-10041, см. [1] и "Calculating Electrostatics". Архивировано из оригинала 24.06.2015 . Получено 23.06.2015 ., и [2], доступ 23 июня 2015 г.
  4. ^ Колтун, Уолтер Л. (1965). «Точные модели атомов, заполняющие пространство». Биополимеры . 3 (6): 665– 679. doi :10.1002/bip.360030606. ISSN  0006-3525.
  5. ^ Патент США 3170246, Колтун, Уолтер Л., «Заполняющие пространство атомные единицы и соединители для молекулярных моделей», выдан 23 февраля 1965 г. 
  • Подробнее о молекулярных моделях и несколько примеров из химии и биологии (статья на немецком языке)
Заполняющая пространство модель циклогексана C
6ЧАС
12. Атомы углерода , частично замаскированные, показаны серым цветом, а атомы водорода представлены в виде белых сфер.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Модель_заполнения_пространства&oldid=1257132308"