Топологический индекс

В области теории химических графов , молекулярной топологии и математической химии топологический индекс , также известный как индекс связности , представляет собой тип молекулярного дескриптора , который рассчитывается на основе молекулярного графа химического соединения. [1] Топологические индексы представляют собой числовые параметры графа , которые характеризуют его топологию и обычно являются инвариантными для графа . Топологические индексы используются, например, при разработке количественных соотношений структура-активность (QSAR), в которых биологическая активность или другие свойства молекул коррелируют с их химической структурой . [2]

Расчет

Топологические дескрипторы выводятся из молекулярных графов с подавленным водородом, в которых атомы представлены вершинами, а связи — ребрами. Связи между атомами могут быть описаны различными типами топологических матриц (например, матрицами расстояний или смежности), которые можно математически манипулировать так, чтобы вывести одно число, обычно известное как инвариант графа, теоретико-графовый индекс или топологический индекс. [3] [4] В результате топологический индекс можно определить как двумерные дескрипторы, которые можно легко вычислить из молекулярных графов, и они не зависят от того, как граф изображен или помечен, и нет необходимости в минимизации энергии химической структуры.

Типы

Простейшие топологические индексы не распознают двойные связи и типы атомов (C, N, O и т. д.) и игнорируют атомы водорода («водород подавлен») и определены только для связанных неориентированных молекулярных графов . [5] Более сложные топологические индексы также учитывают состояние гибридизации каждого из атомов, содержащихся в молекуле. Индекс Хосоя является первым топологическим индексом, признанным в химической теории графов, и его часто называют «топологическим индексом». [6] Другие примеры включают индекс Винера , индекс молекулярной связности Рандича , индекс J Балабана [7] и дескрипторы TAU. [8] [9] Индексы расширенного топохимического атома (ETA) [10] были разработаны на основе уточнения дескрипторов TAU.

Глобальные и локальные индексы

Индекс Хосоя и индекс Винера являются глобальными (интегральными) индексами для описания всей молекулы, Бончев и Полански ввели локальный (дифференциальный) индекс для каждого атома в молекуле. [5] Другим примером локальных индексов являются модификации индекса Хосоя. [11]

Дискриминационная способность и супериндексы

Топологический индекс может иметь одно и то же значение для подмножества различных молекулярных графов, т.е. индекс не способен различать графы из этого подмножества. Дискриминационная способность является очень важной характеристикой топологического индекса. Для увеличения дискриминационной способности несколько топологических индексов могут быть объединены в супериндекс . [12]

Сложность вычислений

Вычислительная сложность — еще одна важная характеристика топологического индекса. Индекс Винера, индекс молекулярной связности Рэндика, индекс J Балабана могут быть рассчитаны быстрыми алгоритмами, в отличие от индекса Хосоя и его модификаций, для которых неизвестны неэкспоненциальные алгоритмы. [11]

Список топологических индексов

Приложение

КСАР

QSAR представляют собой прогностические модели, полученные с помощью применения статистических инструментов, сопоставляющих биологическую активность (включая желаемый терапевтический эффект и нежелательные побочные эффекты) химических веществ (лекарств/токсичных веществ/загрязнителей окружающей среды) с дескрипторами, представляющими молекулярную структуру и/или свойства . QSAR применяются во многих дисциплинах, например, при оценке риска , прогнозировании токсичности и принятии нормативных решений [13] в дополнение к разработке лекарств и оптимизации свинца . [14]

Например, индексы ETA применялись при разработке предиктивных моделей QSAR/QSPR/QSTR. [15]

Ссылки

  1. ^ Хендрик Тиммерман; Тодескини, Роберто; Вивиана Консонни; Раймунд Маннхольд; Хьюго Кубиньи (2002). Справочник молекулярных дескрипторов . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-527-29913-0.
  2. ^ Холл, Лоуэлл Х.; Кир, Лемонт Б. (1976). Молекулярная связность в химии и исследовании лекарств. Бостон: Academic Press. ISBN 0-12-406560-0.
  3. ^ González-Díaz H, Vilar S, Santana L, Uriarte E (2007). «Медицинская химия и биоинформатика — современные тенденции в открытии лекарств с использованием топологических индексов сетей». Current Topics in Medicinal Chemistry . 7 (10): 1015– 29. doi :10.2174/156802607780906771. PMID  17508935. Архивировано из оригинала 14 апреля 2013 г.
  4. ^ Гонсалес-Диас Х, Гонсалес-Диас Ю, Сантана Л, Убейра FM, Уриарте Э (февраль 2008 г.). «Протеомика, сети и индексы связности». Протеомика . 8 (4): 750–78 . doi :10.1002/pmic.200700638. PMID  18297652. S2CID  20599466.
  5. ^ ab King, R. Bruce (1983). Химические приложения топологии и теории графов: сборник статей симпозиума, состоявшегося в Университете Джорджии, Афины, Джорджия, США, 18–22 апреля 1983 г. Амстердам: Elsevier. ISBN 0-444-42244-7.
  6. ^ Хосоя, Харуо (1971). «Топологический индекс. Недавно предложенная величина, характеризующая топологическую природу структурных изомеров насыщенных углеводородов». Бюллетень химического общества Японии . 44 (9): 2332– 2339. doi : 10.1246/bcsj.44.2332 ..
  7. ^ Katritzky AR, Karelson M, Petrukhin R (2002). "Топологические дескрипторы". Университет Флориды . Получено 2009-05-06 .
  8. ^ Pal DK, Sengupta C, De AU (1988). «Новый топохимический дескриптор (TAU) в концепции молекулярной связности: Часть I — Алифатические соединения». Indian J. Chem . 27B : 734–739 .
  9. ^ Pal DK, Sengupta C, De AU (1989). «Введение нового топохимического индекса и эксплуатация концепции групповой связности для достижения предсказуемости в QSAR и RDD». Indian J. Chem . 28B : 261–267 .
  10. ^ Рой К, Гош Г (2003). «Расширенные топохимические индексы атома (ETA) в среде подвижных валентных электронов (VEM) как инструменты». Интернет-электронный журнал молекулярного дизайна . 2 : 599–620 .
  11. ^ ab Трофимов МИ (1991). "Оптимизация процедуры расчета индекса Хосои". Журнал математической химии . 8 (1): 327– 332. doi :10.1007/BF01166946. S2CID  121743373.
  12. ^ Бончев Д., Мекенян О., Тринайстич Н. (1981). «Распознавание изомеров с помощью топологического информационного подхода». Журнал вычислительной химии . 2 (2): 127– 148. doi :10.1002/jcc.540020202. S2CID  120705298.
  13. ^ Tong W, Hong H, Xie Q, Shi L, Fang H, Perkins R (апрель 2005 г.). «Оценка ограничений QSAR – нормативно-правовая перспектива». Current Computer-Aided Drug Design . 1 (2): 195– 205. doi :10.2174/1573409053585663. Архивировано из оригинала 20.06.2010.
  14. ^ Dearden JC (2003). «Прогнозирование токсичности лекарств in silico». Журнал компьютерного молекулярного дизайна . 17 ( 2–4 ): 119–27 . Bibcode : 2003JCAMD..17..119D. doi : 10.1023/A:1025361621494. PMID  13677480. S2CID  21518449.
  15. ^ Рой К, Гош Г (2004). «QSTR с расширенными топохимическими атомными индексами. 2. Токсичность замещенных бензолов для рыб». Журнал химической информации и компьютерных наук . 44 (2): 559–67 . doi :10.1021/ci0342066. PMID  15032536.; Рой К, Гош Г (февраль 2005 г.). "QSTR с расширенными топохимическими атомными индексами. Часть 5: Моделирование острой токсичности фенилсульфонилкарбоксилатов для Vibrio fischeri с использованием аппроксимации генетической функции". Биоорганическая и медицинская химия . 13 (4): 1185– 94. doi :10.1016/j.bmc.2004.11.014. PMID  15670927.; Рой К, Гош Г (февраль 2006 г.). «QSTR с индексами расширенных топохимических атомов (ETA). VI. Острая токсичность производных бензола для головастиков (Rana japonica)». Журнал молекулярного моделирования . 12 (3): 306– 16. doi :10.1007/s00894-005-0033-7. PMID  16249936. S2CID  30293729.; Рой К, Саньял И, Рой ПП (декабрь 2006 г.). "QSPR факторов биоконцентрации неионных органических соединений в рыбе с использованием расширенных топохимических атомных индексов (ETA)". SAR и QSAR в исследованиях окружающей среды . 17 (6): 563–82 . Bibcode :2006SQER...17..563R. doi :10.1080/10629360601033499. PMID  17162387. S2CID  10707472.; Рой К, Гош Г (ноябрь 2007 г.). "QSTR с индексами расширенных топохимических атомов (ETA). 9. Сравнительный QSAR для токсичности различных функциональных органических соединений для Chlorella vulgaris с использованием хемометрических инструментов". Chemosphere . 70 (1): 1– 12. Bibcode :2007Chmsp..70....1R. doi :10.1016/j.chemosphere.2007.07.037. PMID  17765287.

Дальнейшее чтение

  • Балабан, Александру Т.; Джеймс Девиллерс (2000). Топологические индексы и связанные с ними дескрипторы в QSAR и QSPAR . Бока-Ратон: CRC. ISBN 90-5699-239-2.
  • Программное обеспечение для расчета различных топологических индексов: GraphTea.
Получено с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Топологический_индекс&oldid=1247095126"