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 — это числовые параметры графа , характеризующие его топологию и обычно графоинвариантные . 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 [ править ]
Топологические дескрипторы получаются из молекулярных графов с подавлением водорода, в которых атомы представлены вершинами, а связи - ребрами. Связи между атомами могут быть описаны различными типами топологических матриц (например, матрицами расстояний или смежности), которыми можно математически манипулировать, чтобы получить одно число, обычно известное как инвариант графа, теоретико-графовый индекс или топологический индекс. [3] [4] В результате топологический индекс может быть определен как двумерные дескрипторы, которые можно легко рассчитать на основе молекулярных графов и которые не зависят от того, как граф изображен или помечен, и не требуют минимизации энергии химической структуры.
Типы [ править ]
Простейшие топологические индексы не распознают двойные связи и типы атомов (C, N, O и т. д.), игнорируют атомы водорода («подавленный водород») и определяются только для связанных неориентированных молекулярных графов . [5] Более сложные топологические индексы также учитывают состояние гибридизации каждого из атомов, содержащихся в молекуле. Индекс Хосоя — первый топологический индекс, признанный 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] Расширенный топохимический атом (ЭТА) [10] индексы были разработаны на основе уточнения дескрипторов TAU.
Глобальные и локальные индексы [ править ]
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]
дискриминации супериндексы Возможность и
Топологический индекс может иметь одно и то же значение для подмножества разных молекулярных графов, т.е. индекс не может отличить графы из этого подмножества. Способность к дискриминации является очень важной характеристикой топологического индекса. Для повышения способности распознавания несколько топологических индексов можно объединить в супериндекс . [12]
Вычислительная сложность [ править ]
Вычислительная сложность — еще одна важная характеристика топологического индекса. Индекс Винера, индекс молекулярной связности Рандича, индекс J Балабана могут быть рассчитаны с помощью быстрых алгоритмов, в отличие от индекса Хосоя и его модификаций, для которых неизвестны неэкспоненциальные алгоритмы. [11]
Список топологических индексов [ править ]
- Венский индекс
- Индекс Хосоя
- Индекс Гипер-Винера
- Дорожный индекс
- Индекс Рандича
- Загребские индексы
- Сегедский индекс
- Индекс Падмакара – Ивана
- Индекс Гутмана
- индекс сомбора
- Индекс гармоник
- Арифметический индекс
- Индекс связности атомных связей
- Индекс Меррифилда-Симмонса
Приложение [ править ]
КСАР [ править ]
QSAR представляют собой прогностические модели , полученные в результате применения статистических инструментов, соотносящих биологическую активность (включая желаемый терапевтический эффект и нежелательные побочные эффекты) химических веществ (лекарств/токсикантов/загрязнителей окружающей среды) с дескрипторами, репрезентативными для молекулярной структуры и/или свойств . QSAR применяются во многих дисциплинах, например, в оценке рисков , прогнозировании токсичности и принятии нормативных решений. [13] в дополнение к открытию лекарств и оптимизации потенциальных клиентов . [14]
Например, индексы ETA применялись при разработке прогнозирующих моделей QSAR/QSPR/QSTR. [15]
Ссылки [ править ]
- ^ Хендрик Тиммерман; Тодескини, Роберто; Вивиана Консонни; Раймунд Маннхольд; Хьюго Кубиньи (2002). Справочник молекулярных дескрипторов . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-527-29913-0 .
- ^ Холл, Лоуэлл Х.; Кир, Лемонт Б. (1976). Молекулярная связь в химии и исследованиях лекарств . Бостон: Академическая пресса. ISBN 0-12-406560-0 .
- ^ Гонсалес-Диас Х., Вилар С., Сантана Л., Уриарте Э. (2007). «Медицинская химия и биоинформатика - современные тенденции в открытии лекарств с топологическими индексами сетей» . Актуальные темы медицинской химии . 7 (10): 1015–29. дои : 10.2174/156802607780906771 . ПМИД 17508935 .
- ^ Гонсалес-Диас Х., Гонсалес-Диас Ю., Сантана Л., Убейра Ф.М., Уриарте Э. (февраль 2008 г.). «Протеомика, сети и индексы связности». Протеомика . 8 (4): 750–78. дои : 10.1002/pmic.200700638 . ПМИД 18297652 . S2CID 20599466 .
- ^ Перейти обратно: а б Кинг, Р. Брюс (1983). Химические приложения топологии и теории графов: сборник статей симпозиума, состоявшегося в Университете Джорджии, Афины, Джорджия, США, 18–22 апреля 1983 г. Амстердам: Эльзевир. ISBN 0-444-42244-7 .
- ^ Хосоя, Харуо (1971). «Топологический индекс. Вновь предложенная величина, характеризующая топологическую природу структурных изомеров предельных углеводородов» . Бюллетень Химического общества Японии . 44 (9): 2332–2339. дои : 10.1246/bcsj.44.2332 . .
- ^ Катрицкий А.Р., Карельсон М., Петрухин Р. (2002). «Топологические дескрипторы» . Университет Флориды . Проверено 6 мая 2009 г.
- ^ Пал Д.К., Сенгупта С., Де А.У. (1988). «Новый топохимический дескриптор (ТАУ) в концепции молекулярной связи: Часть I - Алифатические соединения». Индиан Дж. Хим . 27Б : 734–739.
- ^ Пал Д.К., Сенгупта С., Де А.У. (1989). «Внедрение нового топохимического индекса и использование концепции групповой связи для достижения предсказуемости в QSAR и RDD». Индиан Дж. Хим . 28Б : 261–267.
- ^ Рой К., Гош Г. (2003). «Индексы расширенного топохимического атома (ETA) в среде подвижных валентных электронов (VEM) как инструменты» . Интернет-электронный журнал молекулярного дизайна . 2 : 599–620.
- ^ Перейти обратно: а б Трофимов М.И. (1991). «Оптимизация процедуры расчета индекса Хосои». Журнал математической химии . 8 (1): 327–332. дои : 10.1007/BF01166946 . S2CID 121743373 .
- ^ Бончев Д., Мекенян О., Тринайстич Н. (1981). «Дискриминация изомеров с помощью топологического информационного подхода». Журнал вычислительной химии . 2 (2): 127–148. дои : 10.1002/jcc.540020202 . S2CID 120705298 .
- ^ Тонг В., Хун Х., Се Кью, Ши Л., Фанг Х., Перкинс Р. (апрель 2005 г.). «Оценка ограничений QSAR – нормативная перспектива» . Современный компьютерный дизайн лекарств . 1 (2): 195–205. дои : 10.2174/1573409053585663 . Архивировано из оригинала 20 июня 2010 г.
- ^ Дирден Дж. К. (2003). «In silico прогнозирование токсичности лекарств». Журнал компьютерного молекулярного дизайна . 17 (2–4): 119–27. Бибкод : 2003JCAMD..17..119D . дои : 10.1023/А:1025361621494 . ПМИД 13677480 . S2CID 21518449 .
- ^ 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. дои : 10.1021/ci0342066 . ПМИД 15032536 . ; Рой К., Гош Дж. (февраль 2005 г.). «QSTR с расширенными топохимическими атомными индексами. Часть 5: Моделирование острой токсичности фенилсульфонилкарбоксилатов для Vibrio fischeri с использованием аппроксимации генетических функций». Биоорганическая и медицинская химия . 13 (4): 1185–94. дои : 10.1016/j.bmc.2004.11.014 . ПМИД 15670927 . ; Рой К., Гош Дж. (февраль 2006 г.). «QSTR с индексами расширенного топохимического атома (ETA). VI. Острая токсичность производных бензола для головастиков (Rana japonica)». Журнал молекулярного моделирования . 12 (3): 306–16. дои : 10.1007/s00894-005-0033-7 . ПМИД 16249936 . S2CID 30293729 . ; Рой К., Саньял И., Рой П.П. (декабрь 2006 г.). «QSPR факторов биоконцентрации неионных органических соединений в рыбах с использованием индексов расширенного топохимического атома (ЭТА)». SAR и QSAR в экологических исследованиях . 17 (6): 563–82. Бибкод : 2006SQER...17..563R . дои : 10.1080/10629360601033499 . ПМИД 17162387 . S2CID 10707472 . ; Рой К., Гош Г. (ноябрь 2007 г.). «QSTR с индексами расширенного топохимического атома (ETA). 9. Сравнительный QSAR для оценки токсичности различных функциональных органических соединений для Chlorella vulgaris с использованием хемометрических инструментов». Хемосфера . 70 (1): 1–12. Бибкод : 2007Chmsp..70....1R . doi : 10.1016/j.chemSphere.2007.07.037 . ПМИД 17765287 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Балабан Александру Т.; Джеймс Девиллерс (2000). Топологические индексы и связанные дескрипторы в QSAR и QSPAR . Бока-Ратон: CRC. ISBN 90-5699-239-2 .
Внешние ссылки [ править ]
- Программное обеспечение для расчета различных топологических показателей: GraphTea .