Модель заполнения пространства - Space-filling model

Эта статья посвящена теме химии. Кривые, заполняющие пространство в геометрии, см. Кривая заполнения пространства.
Модель заполнения пространства п-октан, прямая цепь (нормальная) углеводород состоит из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, формулы: CH3CH2(CH2)4CH2CH3 или же C
8ЧАС
18. Обратите внимание, что показанный представитель имеет Один конформационный "поза" популяции молекул, которые из-за низкой Энергия Гиббса барьеры для вращения вокруг углерод-углеродных связей (придающие углеродной «цепи» большую гибкость) обычно состоят из очень большого числа различных таких конформаций (например, в растворе).
Пример трехмерной модели сложной молекулы, заполняющей пространство, THC, активный агент марихуаны.

В химия, а модель, заполняющая пространство, также известный как модель калота, это тип трехмерный (3D) молекулярная модель где атомы представлены сферами, радиусы которых пропорциональны радиусы атомов и чьи межцентровые расстояния пропорциональны расстояниям между атомные ядра, все в одном масштабе. Атомы разных химические элементы обычно представлены сферами разного цвета.

Модели калота, заполняющие пространство, также называют Модели CPK после химиков Роберт Кори, Линус Полинг, и Вальтер Колтун, которые в течение долгого времени развили концепцию моделирования в полезную форму.[1] Они отличаются от других трехмерных представлений, таких как клюшка и скелетный модели с использованием «полноразмерных» сфер, заполняющих пространство для атомов. Они полезны для визуализации эффективной формы и относительных размеров молекулы, а также форм поверхности при заданном статическом воздействии. конформер может присутствовать. С другой стороны, эти модели маскируют химические связи между атомами и затрудняют просмотр структуры молекулы, скрытой за атомами, ближайшими к наблюдателю в определенной 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, полученное, когда THC модель нажата, чтобы повернуть).

История

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, через "тепловые эллипсоиды "чьи параметры отсечения установлены для удобства, чтобы показать расположение атомов (с анизотропия ), 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 приближенных к моделям с шариковой ручкой. Следовательно, хотя кристаллографические данные содержат информацию для создания моделей заполнения пространства, 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. развить формализм, показанный выше.

В 1952 году Роберт Кори и Линус Полинг описали точные масштабные модели молекул, которые они построили в Калтех.[1] В своих моделях они представляли, что поверхность молекулы определяется радиус Ван-дер-Ваальса каждого атома молекулы, а атомы созданы как твердая древесина сферы 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, причем размеры разрезов были такими, чтобы расстояние между центрами сфер было пропорционально длинам стандартных типов химических связей.[1] Коннектор был разработан - металлическая втулка который врезался в каждую сферу в центре каждой плоской грани. 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 трехмерной модели простой молекулы, заполняющей пространство, диоксид серы, ТАК2, показывая поверхность электростатического потенциала, рассчитанный для молекулы с использованием Спартанский программный пакет из вычислительная химия инструменты. Он закрашен синим цветом для электроположительный области для красного цвета электроотрицательный области. 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 это может пройти.
Пример трехмерной модели, заполняющей пространство очень сложной макромолекула, а белок, то клеточная мембрана -протяжной β2 адренорецептор, а Рецептор, связанный с G-белком, на этом изображении, если смотреть на внеклеточную поверхность. В поверхность электростатического потенциала была применена к модели с положениями атомов, определенными кристаллографией (PDB код 2RH1); электростатическая поверхность была рассчитана с использованием Адаптивный решатель Пуассона-Больцмана (APBS) бесплатное ПО.[3] Он снова закрашен синим. электроположительный области для красного цвета электроотрицательный области. Несколько заметно, в желтом, красном и синем изображении палочки, в желобке наверху рецептор, представляет собой низкомолекулярный лиганд граница к нему, агент каразолол, частичный обратный агонист который через эту привязку противодействует связывание нормального лиганда, нейротрансмиттер / гормон адреналин. В ответ на привязка адреналин, этот рецептор в сочетании с Кальциевый канал L-типа, опосредует физиологические реакции, такие как расслабление гладких мышц и бронходилатация. Все такие связывающие взаимодействия и функция рецептора в преобразование сигнала опосредуются электростатическими эффектами, и в современных конструкторских работах они часто изучаются с использованием аналогичных моделей заполнения пространства.

В 1965 г. Вальтер Л. Колтун разработал и запатентовал упрощенную систему с формованными пластиковыми атомами различных цвета, которые соединялись специально разработанными защелками; эта более простая система достигла тех же целей, что и система Кори-Полинга,[4][неосновной источник необходим ][нужен лучший источник ] и позволил разработать модели как популярный способ работы с молекулами в учебных и исследовательских средах. 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 получения моделей заполнения пространства молекул, как простых, так и сложных, куда добавлялась информация, например, какие части поверхности молекулы были охотно доступный 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 вычислений и представления, а также его полезность.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б 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. Дои:10.1063/1.1770803. Получено 9 марта 2020.
  2. ^ В той же статье Кори и Полинг также кратко описывают гораздо более простой, но менее точный тип модели с резиновой поливиниловый пластик сферы в масштабе 1 дюйм = 2Å и соединены кнопки. См. Corey & Pauling, 1953, op. соч.
  3. ^ Бейкер, Н.А., Септ, Д., Джозеф, С., Холст, М.Дж. и Маккаммон, Дж. А., 2001, "Электростатика наносистем: применение к микротрубочкам и рибосомам". Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 98: pp. 10037-10041, см. [1], и «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2015-06-24. Получено 2015-06-23.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь), и [2], по состоянию на 23 июня 2015 г.
  4. ^ Вальтер Л. Колтун (1965), Заполняющие пространство атомные блоки и соединители для молекулярных моделей. Патент США 3170246..[неосновной источник необходим ][нужен лучший источник ]

внешняя ссылка

Галерея

Модель заполнения пространства циклогексан C
6ЧАС
12. Углерод атомы, частично замаскированные, показаны серым цветом, а водород атомы представлены в виде белых сфер.