Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена теме химии. Кривые заполнения пространства в геометрии см. В разделе Кривая заполнения пространства .
Пространство заполнения модель п октана , прямой цепью (нормальный) углеводородный состоит из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, формулы: СН 3 СН 2 (СН 2 ) 4 СН 2 СН 3 или C
8ЧАС
18. Обратите внимание, что показанный представитель представляет собой единую конформационную «позу» популяции молекул, которая из-за низких энергетических барьеров Гиббса для вращения вокруг своих углерод-углеродных связей (что придает углеродной «цепи» большую гибкость) обычно состоит из очень большое количество различных таких конформаций (например, в растворе).
Пример трехмерной модели, заполняющей пространство сложной молекулы ТГК , активного агента марихуаны.

В химии , А пространство заполнения модель , известная также как модель Калотт , представляет собой тип трехмерной (3D) молекулярная модель , где атомы представлены в виде сфер, радиусы которых пропорциональны радиусам атомов , и центр которого к -центровые расстояния пропорциональны расстояниям между атомными ядрами , все в одном масштабе. Атомы разных химических элементов обычно представлены сферами разного цвета.

Модели калота, заполняющие пространство, также называются CPK-моделями в честь химиков Роберта Кори , Линуса Полинга и Уолтера Колтуна , которые в течение некоторого времени довели концепцию моделирования до полезной формы. [1] Они отличаются от других трехмерных представлений, таких как шаровые и скелетные модели, тем, что для атомов используются «полноразмерные» сферы, заполняющие пространство. Они полезны для визуализации эффективной формы и относительных размеров молекулы, а также форм поверхности данного статического конформера.может присутствовать. С другой стороны, эти модели маскируют химические связи между атомами и затрудняют просмотр структуры молекулы, скрытой атомами, ближайшими к наблюдателю в той или иной позе. По этой причине такие модели более полезны, если их можно использовать динамически, особенно при использовании со сложными молекулами (например, см. Лучшее понимание формы молекул, которое дается при нажатии на модель THC для поворота).

История [ править ]

Модели заполнения пространства возникают из-за желания представить молекулы способами, которые отражают электронные поверхности, которые присутствуют в молекулах, которые определяют, 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 необходимую для создания представлений, заполняющих пространство (например, см. Эти кристаллографические модели ); однако чаще всего кристаллографы представляют местоположения атомов, полученные из кристаллографии, с помощью « тепловых эллипсоидов », параметры отсечки которых установлены для удобства и для отображения местоположения атомов (с анизотропией), а также для представления ковалентных связей или других взаимодействий между атомами в виде линий. Короче говоря, из соображений полезности кристаллографические данные исторически появлялись в презентациях, более близких к шарнирным моделям. Следовательно, хотя кристаллографические данные содержат информацию для создания моделей, заполняющих пространство, они оставались для людей, заинтересованных в моделировании эффективной статической формы молекулы, пространства, которое она занимала, и способов, которыми она могла бы представить поверхность другой молекуле. для развития формализма, показанного выше.

В 1952 году Роберт Кори и Линус Полинг описали точные масштабные модели молекул, которые они построили в Калифорнийском технологическом институте . [1] В своих моделях они предполагали, что поверхность молекулы определяется ван-дер-ваальсовым радиусом каждого атома молекулы, и создали атомы в виде сфер из твердой древесины с диаметром, пропорциональным ван-дер-ваальсовому радиусу каждого атома в масштабе 1 дюйм = 1 Å . Чтобы обеспечить связи между атомами, часть каждой сферы была вырезана, чтобы создать пару совпадающих плоских граней, с размерами вырезов таким образом, чтобы расстояние между центрами сфер было пропорционально длинам стандартных типов химических связей. [1] Коннектор был разработан -металлическая втулка, которая ввинчивалась в каждую сферу в центре каждой плоской поверхности. Затем две сферы прочно удерживались вместе металлическим стержнем, вставленным в пару противоположных втулок (с закреплением винтами). Модели также имели специальные функции, позволяющие отображать водородные связи . [1] [ требуется проверка ] [2]

Пример 3D, заполняющее пространство модели молекулы простой, диоксид серы , SO 2 , показывающая электростатический потенциал поверхности , вычисленную для молекулы с использованием спартанского набора программного обеспечения в вычислительных химии инструментов. Он закрашен от синего для электроположительных участков до красного для электроотрицательных участков. 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 недостаток электронов у атома серы, предполагая взаимодействия, в которых он может участвовать, и химические реакции, в которых он может проходить.
Пример трехмерной модели, заполняющей пространство очень сложной макромолекулы , белка , охватывающего клеточную мембрану β2-адренорецептора , рецептора , связанного с G-белком , на этом изображении, если смотреть на внеклеточную поверхность. Электростатический потенциал поверхность была применена к модели с позициями атомов , определяемой кристаллографией ( PDB код 2RH1); электростатическая поверхность была рассчитана с использованием бесплатного программного обеспечения Adaptive Poisson-Boltzmann Solver (APBS). [3] Он снова закрашен синим для электроположительных участков и красным для электроотрицательных.области. В некоторой степени очевидным в изображении палочки желтым, красным и синим цветом в бороздке наверху рецептора является связанный с ним небольшой молекулярный лиганд , агент каразолол , частичный обратный агонист, который посредством этого связывания противодействует связыванию рецептора. нормальный лиганд, нейромедиатор / гормон адреналин . В ответ на связывание адреналина этот рецептор вместе с кальциевым каналом L-типа опосредует физиологические реакции, такие как расслабление гладких мышц и расширение бронхов.. Все такие связывающие взаимодействия и функция рецептора при передаче сигнала опосредованы электростатическими эффектами, и в современных структурных исследованиях они часто изучаются с использованием аналогичных моделей заполнения пространства.

В 1965 году Вальтер Л. Колтун разработал и запатентовал упрощенную систему с формованными пластиковыми атомами различных цветов , которые были соединены специально разработанными защелкивающимися соединителями; эта более простая система достигла тех же целей, что и система Кори-Полинга, [4] [ нужен не первичный источник ] [ нужен лучший источник ] и позволила разработать модели как популярный способ работы с молекулами в обучении и исследованиях. среды. Такие модели заполнения пространства типа Ван-дер-Вааля с цветовой кодировкой и определенной длиной скрепления теперь широко известны как модели CPK после этих трех разработчиков конкретной концепции.

В современных исследовательских усилиях внимание было возвращено к использованию богатых данными кристаллографических моделей в сочетании с традиционными и новыми вычислительными методами для создания моделей заполнения пространства молекул, как простых, так и сложных, куда добавлялась информация, например, какие части поверхности молекулы были легко доступны для растворителя , или как электростатические характеристики представления, заполняющего пространство, которое в случае CPK почти полностью оставлено на усмотрение воображения, могут быть добавлены к созданным визуальным моделям. Два заключительных изображения дают примеры последнего типа расчета и представления и его полезности.

См. Также [ править ]

  • Шариковая модель
  • Поверхность Ван-дер-Ваальса
  • Окраска CPK
  • Молекулярная графика
  • Программное обеспечение для молекулярного моделирования
  • Программное обеспечение для молекулярного дизайна

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Кори, Роберт Б.; Полинг, Линус (1953). «Молекулярные модели аминокислот, пептидов и белков» (PDF) . Обзор научных инструментов . 8 (24): 621–627. Bibcode : 1953RScI ... 24..621C . DOI : 10.1063 / 1.1770803 . Дата обращения 9 марта 2020 .
  2. ^ В этой же работе Корь и Полинг также кратко описать гораздо более простойно менее точный тип модели, с резиновымикак поливиниловая пластиковыми шарами в масштабе 1 дюйм = 2 и соединены защелками . См. Corey & Pauling, 1953, op. соч.
  3. ^ Бейкер, Н.А., Септ, Д., Джозеф, С., Холст, М.Дж., Маккаммон, Дж. А., 2001, "Электростатика наносистем: применение к микротрубочкам и рибосомам", Proc. Natl. Акад. Sci. USA 98 : pp. 10037-10041, см. [1] и « Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2015-06-24 . Проверено 23 июня 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ), и [2] , по состоянию на 23 июня 2015 г.
  4. ^ Вальтер Л. Колтун (1965), Атомные единицы , заполняющие пространство, и соединители для молекулярных моделей . Патент США 3170246 . [необходим неосновной источник ] [ нужен лучший источник ]

Внешние ссылки [ править ]

  • Подробнее о молекулярных моделях и пара примеров из химии и биологии (статья на немецком языке)

Галерея [ править ]

Модель циклогексана С, заполняющая пространство
6ЧАС
12. Частично замаскированные атомы углерода показаны серым цветом, а атомы водорода представлены белыми сферами.