Модель заполнения пространства

Заполняющая пространство модель н- октана , линейного (нормального) углеводорода, состоящего из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, формулы: CH ₃ CH ₂ (CH ₂ ) ₄ CH ₂ CH ₃ *или* C.
₈8Ч
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 (придающих углеродной «цепи» большую гибкость) обычно состоит из очень большое количество различных таких конформаций (например, в растворе).

Пример трехмерной объемной модели сложной молекулы ТГК , активного вещества марихуаны.

В химии модель заполнения пространства , также известная как модель Калотта , представляет собой тип трехмерной (3D) молекулярной модели , в которой атомы представлены сферами, радиусы которых пропорциональны радиусам атомов , а центры которых пропорциональны радиусам атомов. -центральные расстояния пропорциональны расстояниям между атомными ядрами , все в одном масштабе. Атомы разных химических элементов обычно изображаются сферами разного цвета.

Заполняющие пространство модели Калотта 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 шарообразные и скелетные модели, использованием «полноразмерных» сфер, заполняющих пространство для атомов. Модели тактильны и вращаются вручную. Они полезны для визуализации эффективной формы и относительных размеров молекулы, а также (из-за возможности вращения) формы поверхности различных конформеров . С другой стороны, эти модели маскируют химические связи между атомами и затрудняют рассмотрение структуры молекулы, скрытой ближайшими к зрителю атомами в определенной позе. По этой причине такие модели более полезны, если их можно использовать динамически, особенно при использовании со сложными молекулами (например, см. более глубокое понимание формы молекул, которое дается при THC нажатии на модель для вращения).

История

Модели, заполняющие пространство, возникают из-за желания представить молекулы способами, отражающими электронные поверхности, которые представляют собой молекулы, 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, через « тепловые эллипсоиды », параметры обрезания которых установлены для удобства как для отображения местоположения атомов (с анизотропией ), так и для обеспечения представления ковалентных связей или других взаимодействий. между атомами в виде линий. Короче говоря, из соображений полезности кристаллографические данные исторически появлялись в представлениях, более близких к шаровидным моделям. Следовательно, хотя кристаллографические данные содержат информацию для создания моделей, заполняющих пространство, они оставались для людей, заинтересованных в моделировании эффективной статической формы молекулы, занимаемого ею пространства и способов, которыми она может представлять поверхность для другой молекулы. развить формализм, показанный выше.

В 1952 году Роберт Кори и Лайнус Полинг описали точные масштабные модели молекул, которые они построили в Калифорнийском технологическом институте . ^[1] В своих моделях они предполагали, что поверхность молекулы определяется радиусом Ван-дер-Ваальса каждого атома молекулы, и создавали атомы в виде сфер из твердой древесины диаметром, пропорциональным радиусу Ван-дер-Ваальса каждого атома, в масштабе 1 дюйм = 1 Å . Чтобы обеспечить связь между атомами, часть каждой сферы была вырезана, чтобы создать пару одинаковых плоских граней, при этом размеры разрезов были 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 прочно скреплялись металлическим стержнем, вставленным в пару противоположных втулок (с креплением винтами). Модели также имели специальные возможности, позволяющие представить водородные связи . ^[1]^{[ нужна проверка ]}^[2]

Пример трехмерной заполняющей пространство модели простой молекулы диоксида серы SO ₂ , показывающий поверхность электростатического потенциала , рассчитанную для молекулы с использованием *Spartan* программного пакета инструментов вычислительной химии . Он закрашен от синего для электроположительных областей до красного для электроотрицательных . Поверхность генерировалась 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 дефицит электронов атома серы, предполагая взаимодействия, в которых он может участвовать, и химические реакции, в которых он может участвовать.

Пример трехмерной, заполняющей пространство модели очень сложной макромолекулы , белка , клеточную мембрану охватывающего β2-адренорецептора , рецептора, связанного с G-белком , на этом изображении, если смотреть на внеклеточную поверхность сверху вниз. Поверхность электростатического потенциала была применена к модели с положениями атомов, определенными кристаллографически ( код PDB 2RH1); электростатическая поверхность была рассчитана с использованием *бесплатного программного обеспечения Adaptive Poisson-Boltzmann Solver* (APBS). ^[3] Он снова закрашен синим цветом для электроположительных областей и красным для электроотрицательных областей. На палочке желтого, красного и синего цвета, в бороздке наверху рецептора , небольшая молекула-лиганд несколько очевидно, что с ним связана , агент каразолол , частичный обратный агонист , который посредством этого связывания противодействует связыванию рецептора. нормальный лиганд, нейромедиатор /гормон адреналин . В ответ на связывание адреналина этот рецептор в сочетании с кальциевым каналом L-типа опосредует физиологические реакции, такие как расслабление гладких мышц и бронходилятация . Все такие связывающие взаимодействия и функция рецептора в передаче сигнала опосредуются электростатическими эффектами, и в современных структурных исследованиях они часто изучаются с использованием аналогичных моделей заполнения пространства.

В 1965 году Уолтер Л. Колтун разработал и запатентовал упрощенную систему с формованными атомами пластика различных цветов , которые соединялись специально разработанными защелкивающимися соединителями; эта более простая система преследовала по существу те же цели, что и система Кори-Полинга, ^[4]^[5] и позволило разработать модели как популярный способ работы с молекулами в учебных и исследовательских средах. Такие модели заполнения пространства типа Ван-дер-Ваала с цветовой кодировкой и определением длины связи 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 создания моделей молекул, заполняющих пространство, как простых, так и сложных, куда добавлялась информация, например, о том, какие части поверхности молекулы были легко доступны растворителю , или как электростатические характеристики заполняющего пространство представления — которые в случае с CPK почти полностью оставлены на усмотрение воображения — могли быть добавлены к созданным визуальным моделям. Два закрывающих изображения дают примеры последнего типа вычислений и представлений, а также его полезность.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Кори, Роберт Б.; Полинг, Лайнус (1953). «Молекулярные модели аминокислот, пептидов и белков» (PDF) . Обзор научных инструментов . 8 (24): 621–627. Бибкод : 1953RScI...24..621C . дои : 10.1063/1.1770803 . Проверено 9 марта 2020 г.
^ В той же статье Кори и Полинг также кратко описывают гораздо более простой, но менее точный тип модели с резиновыми сферами из поливинилового пластика в масштабе 1 дюйм = 2 Å, соединенными защелками . См. Corey & Pauling, 1953, op. цит.
^ Бейкер, Н.А., Сентябрь Д., Джозеф С., Холст, М.Дж. и Маккаммон, Дж.А., 2001, «Электростатика наносистем: применение к микротрубочкам и рибосомам», Proc. Натл. акад. наук. USA 98 : стр. 10037-10041, см. [1] и «Расчет электростатики» . Архивировано из оригинала 24 июня 2015 г. Проверено 23 июня 2015 г. и [2] , по состоянию на 23 июня 2015 г.
^ Колтун, Уолтер Л. (1965). «Точные модели атомов, заполняющие пространство» . Биополимеры . 3 (6): 665–679. дои : 10.1002/bip.360030606 . ISSN 0006-3525 .
^ Патент США 3170246 , Колтун, Уолтер Л., «Атомные блоки и соединители для заполнения пространства для молекулярных моделей», выдан 23 февраля 1965 г.

Внешние ссылки

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

Галерея

Модель циклогексана C, заполняющая пространство.
₆6Ч
₁₂ . Атомы углерода , частично замаскированные, показаны серым цветом, а водорода атомы представлены в виде белых сфер.

[corpau-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Кори, Роберт Б.; Полинг, Лайнус (1953). «Молекулярные модели аминокислот, пептидов и белков» (PDF) . Обзор научных инструментов . 8 (24): 621–627. Бибкод : 1953RScI...24..621C . дои : 10.1063/1.1770803 . Проверено 9 марта 2020 г.

[2] В той же статье Кори и Полинг также кратко описывают гораздо более простой, но менее точный тип модели с резиновыми сферами из поливинилового пластика в масштабе 1 дюйм = 2 Å, соединенными защелками . См. Corey & Pauling, 1953, op. цит.

[3] Бейкер, Н.А., Сентябрь Д., Джозеф С., Холст, М.Дж. и Маккаммон, Дж.А., 2001, «Электростатика наносистем: применение к микротрубочкам и рибосомам», Proc. Натл. акад. наук. USA 98 : стр. 10037-10041, см. [1] и «Расчет электростатики» . Архивировано из оригинала 24 июня 2015 г. Проверено 23 июня 2015 г. и [2] , по состоянию на 23 июня 2015 г.

[4] Колтун, Уолтер Л. (1965). «Точные модели атомов, заполняющие пространство» . Биополимеры . 3 (6): 665–679. дои : 10.1002/bip.360030606 . ISSN 0006-3525 .

[5] Патент США 3170246 , Колтун, Уолтер Л., «Атомные блоки и соединители для заполнения пространства для молекулярных моделей», выдан 23 февраля 1965 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]