Model wypełniający przestrzeń - Space-filling model

Wypełniający przestrzeń model n- oktanu , prostołańcuchowego (normalnego) węglowodoru składającego się z 8 atomów węgla i 18 atomów wodoru, wzory: CH 3 CH 2 (CH 2 ) 4 CH 2 CH 3 lub C
8
H.
18
. Należy zauważyć, że przedstawiony przedstawiciel przedstawia pojedynczą konformacyjną „pozy” populacji cząsteczek, która ze względu na niskie bariery energetyczne Gibbsa dla rotacji wokół wiązań węgiel-węgiel (nadając „łańcuchowi” węglowego dużą elastyczność), zwykle składa się z bardzo duża liczba różnych takich konformacji (np. w roztworze).
Przykład trójwymiarowego, wypełniającego przestrzeń modelu złożonej cząsteczki, THC , substancji czynnej marihuany.

W chemii , A modelu miejsca napełniania , znany również jako modelu calotte jest rodzajem trójwymiarowego (3D) modelu cząsteczkowego , w którym atomy są reprezentowane przez kule o których promień są wprost proporcjonalne do promienia atomów i którego środek do -odległości od środka są proporcjonalne do odległości między jądrami atomowymi , wszystkie w tej samej skali. Atomy różnych pierwiastków chemicznych są zwykle reprezentowane przez kulki o różnych kolorach.

Modele kaloty wypełniające przestrzeń są również nazywane modelami CPK na cześć chemików Roberta Coreya , Linusa Paulinga i Waltera Koltuna , którzy przez pewien czas opracowali koncepcję modelowania w użyteczną formę. Różnią się one od innych reprezentacji 3D, takich jak modele kulkowe i szkieletowe , dzięki zastosowaniu „pełnowymiarowych” sfer wypełniających przestrzeń dla atomów. Są przydatne do wizualizacji efektywnego kształtu i względnych wymiarów cząsteczki oraz kształtów powierzchni, jakie może przedstawiać dany statyczny konformer . Z drugiej strony modele te maskują wiązania chemiczne między atomami i utrudniają dostrzeżenie struktury cząsteczki, która jest zasłonięta przez atomy najbliżej obserwatora w określonej pozie. Z tego powodu takie modele są bardziej użyteczne, jeśli można ich używać dynamicznie, zwłaszcza w przypadku stosowania ze złożonymi cząsteczkami (np. Należy zapoznać się z lepszym zrozumieniem kształtu cząsteczek po kliknięciu modelu THC w celu obrócenia).

Historia

Modele wypełniania przestrzeni powstają z chęci przedstawiania cząsteczek w sposób, który odzwierciedla elektroniczne powierzchnie obecne w cząsteczkach, które dyktują ich wzajemne oddziaływanie (lub z powierzchniami lub makrocząsteczkami, takimi jak enzymy itp.). Dane krystalograficzne są punktem wyjścia do zrozumienia statycznej struktury molekularnej, a dane te zawierają informacje ściśle wymagane do wygenerowania reprezentacji wypełniających przestrzeń (np. Zobacz te modele krystalograficzne ); najczęściej jednak krystalografowie przedstawiają lokalizacje atomów pochodzących z krystalografii za pomocą „ elipsoid termicznych ”, których parametry odcięcia są ustalane dla wygody zarówno w celu pokazania lokalizacji atomów (z anizotropami ), jak i umożliwienia reprezentacji wiązań kowalencyjnych lub innych oddziaływań między atomami jako linie. Krótko mówiąc, ze względu na użyteczność, dane krystalograficzne w przeszłości pojawiały się w prezentacjach bliższych modelom kulkowym. Stąd, chociaż dane krystalograficzne zawierają informacje potrzebne do stworzenia modeli wypełniających przestrzeń, pozostawało to dla osób zainteresowanych modelowaniem efektywnego statycznego kształtu cząsteczki i zajmowanej przez nią przestrzeni oraz sposobów, w jakie może ona przedstawiać powierzchnię innej cząsteczce, rozwinąć formalizm pokazany powyżej.

W 1952 roku Robert Corey i Linus Pauling opisali dokładne modele w skali cząsteczek, które zbudowali w Caltech . W swoich modelach przewidzieli, że powierzchnia cząsteczki jest określana przez promień van der Waalsa każdego atomu cząsteczki i stworzyli atomy jako kule z twardego drewna o średnicy proporcjonalnej do promienia van der Waalsa każdego atomu, w skali 1 cal = 1 Å . Aby umożliwić wiązanie między atomami, część każdej kuli została odcięta, aby utworzyć parę pasujących płaskich ścian, z nacięciami tak zwymiarowanymi, aby odległość między środkami kulek była proporcjonalna do długości standardowych typów wiązań chemicznych. Zaprojektowano złącze - metalową tuleję, która wkręcała się w każdą kulę pośrodku każdej płaskiej powierzchni. Dwie kule były następnie mocno trzymane razem za pomocą metalowego pręta włożonego do pary przeciwległych tulei (z mocowaniem śrubami). Modele posiadały również specjalne cechy umożliwiające przedstawienie wiązań wodorowych .

Przykład trójwymiarowego, wypełniającego przestrzeń modelu prostej cząsteczki, dwutlenku siarki , SO 2 , pokazującego powierzchnię potencjału elektrostatycznego , obliczonego dla cząsteczki przy użyciu pakietu oprogramowania Spartan zawierającego narzędzia do chemii obliczeniowej . Jest zacieniowany od niebieskiego dla obszarów elektrododatnich do czerwonego dla obszarów elektroujemnych . Powierzchnia została wygenerowana poprzez obliczenie energii oddziaływania sferycznego punktu dodatniego ładunku (np. Protonu, H + ) z atomami cząsteczki i elektronami wiążącymi, w serii dyskretnych kroków obliczeniowych. Tutaj powierzchnia elektrostatyczna podkreśla niedobór elektronów w atomie siarki, sugerując interakcje, w które może się on angażować, oraz reakcje chemiczne, którym może podlegać.
Przykład 3D, wypełniającymi przestrzeń modelu bardzo złożonych makrocząsteczek , a białka , z błony komórkowej -spanning adrenoreceptora p2 , z receptorem sprzężonym z białkiem G , w tym obrazie, patrząc w dół, gdy patrzy się na zewnątrzkomórkowej powierzchni. Powierzchnię potencjału elektrostatycznego naniesiono na model z pozycjami atomów określonymi metodą krystalografii ( kod PDB 2RH1); powierzchnię elektrostatyczną obliczono za pomocą bezpłatnego oprogramowania Adaptive Poisson-Boltzmann Solver (APBS). Jest ponownie zacieniowany na niebiesko dla obszarów elektrododatnich do czerwonego dla obszarów elektroujemnych . Nieco widoczne, w postaci sztyftu w kolorze żółtym, czerwonym i niebieskim, w rowku na górze receptora , jest związany z nim drobnocząsteczkowy ligand , środek karazolol , częściowy odwrotny agonista, który poprzez to wiązanie antagonizuje wiązanie normalny ligand, neuroprzekaźnik / hormon adrenaliny . W odpowiedzi na wiązanie epinefryny receptor ten, w połączeniu z kanałem wapniowym typu L , pośredniczy w reakcjach fizjologicznych, takich jak rozluźnienie mięśni gładkich i rozszerzenie oskrzeli . We wszystkich takich interakcjach wiązania i funkcji receptora w transdukcji sygnału pośredniczą efekty elektrostatyczne, a we współczesnych pracach nad strukturami są one często badane przy użyciu podobnych modeli wypełniania przestrzeni.

W 1965 roku Walter L. Koltun zaprojektował i opatentował uproszczony system z uformowanymi atomami plastiku w różnych kolorach , które zostały połączone specjalnie zaprojektowanymi zatrzaskami; ten prostszy system osiągnął zasadniczo te same cele, co system Corey-Pauling i pozwolił na rozwój modeli jako popularnego sposobu pracy z cząsteczkami w środowiskach szkoleniowych i badawczych. Takie kodowane kolorami modele wypełniania przestrzeni typu van der Waala z określoną długością wiązania są obecnie powszechnie znane jako modele CPK, po tych trzech twórcach określonej koncepcji.

We współczesnych badaniach zwrócono uwagę na wykorzystanie bogatych w dane modeli krystalograficznych w połączeniu z tradycyjnymi i nowymi metodami obliczeniowymi w celu zapewnienia modeli cząsteczek wypełniających przestrzeń, zarówno prostych, jak i złożonych, do których dodano informacje, takie jak części powierzchni cząsteczki. były łatwo dostępne dla rozpuszczalnika lub w jaki sposób właściwości elektrostatyczne reprezentacji wypełniającej przestrzeń - która w przypadku CPK jest prawie całkowicie pozostawiona wyobraźni - można dodać do utworzonych modeli wizualnych. Dwa zamykające obrazy przedstawiają przykłady tego ostatniego typu obliczeń i reprezentacji oraz ich użyteczności.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Galeria

Wypełniający przestrzeń model cykloheksanu C.
6
H.
12
. Atomów węgla, częściowo maskowany, są zaznaczone na szaro i wodoru atomów są przedstawione jako białe kulek.