Boşluk doldurma modeli - Space-filling model

Bu makale kimyadaki bir konu hakkındadır. Geometride boşluk doldurma eğrileri için bkz. Boşluk doldurma eğrisi .
N- oktanın boşluk doldurma modeli, 8 karbon ve 18 hidrojenden oluşan düz zincirli (normal) hidrokarbon , formüller: CH 3 CH 2 (CH 2 ) 4 CH 2 CH 3 veya C
8 H
18 . Gösterilen temsilci , karbon-karbon bağları etrafında dönmeye karşı düşük Gibbs enerji engelleri nedeniyle ( karbon "zincirine" büyük esneklik sağlayan) normalde aşağıdakilerden oluşan bir molekül popülasyonunun tek bir yapısal "pozuna" aittir çok fazla sayıda farklı bu tür konformasyon (örneğin, çözelti içinde).
Esrardaki aktif ajan olan THC adlı karmaşık bir molekülün üç boyutlu, boşluk doldurma modeline bir örnek .

Olarak kimya , bir boşluk doldurucu modeli olarak da bilinen, calotte modeli , bir türüdür üç boyutlu (3D) bir moleküler modeli atomuna yarıçapları ile orantılıdır küreler ile temsil edilen atom yarıçapları olan merkez ve Merkez mesafeleri atom çekirdeği arasındaki mesafelerle orantılıdır , hepsi aynı ölçekte. Farklı kimyasal elementlerin atomları genellikle farklı renkteki kürelerle temsil edilir.

Uzay dolduran kalot modelleri, bir süre boyunca modelleme konseptini kullanışlı bir forma dönüştüren kimyagerler Robert Corey , Linus Pauling ve Walter Koltun'dan sonra CPK modelleri olarak da adlandırılır . Atomlar için "tam boyutlu" boşluk dolduran küreler kullanılarak , top ve çubuk ve iskelet modelleri gibi diğer 3B temsillerden ayrılırlar . Molekülün etkili şeklini ve göreceli boyutlarını ve belirli bir statik konformerin mevcut olabileceği yüzey şekillerini görselleştirmek için kullanışlıdırlar . Öte yandan bu modeller, atomlar arasındaki kimyasal bağları maskeliyor ve belirli bir pozda izleyiciye en yakın atomlar tarafından gizlenen molekül yapısını görmeyi zorlaştırıyor. Bu nedenle, bu tür modeller, özellikle karmaşık moleküllerle birlikte kullanıldığında dinamik olarak kullanılabiliyorsa daha büyük fayda sağlar (örneğin, THC modeli döndürmek için tıklandığında verilen molekül şeklinin daha iyi anlaşılmasına bakın ).

Tarih

Boşluğu dolduran modeller, molekülleri, moleküllerin mevcut olduğu elektronik yüzeyleri yansıtan, birbirleriyle (veya yüzeylerle veya enzimler gibi makromoleküllerle) nasıl etkileşime girdiklerini belirleyen şekillerde temsil etme arzusundan doğar. Kristalografik veriler, statik moleküler yapıyı anlamak için başlangıç ​​noktasıdır ve bu veriler, boşluk dolduran temsiller oluşturmak için titizlikle gereken bilgileri içerir (örneğin, bu kristalografik modellere bakın ); Bununla birlikte, çoğu zaman, kristalograflar, hem atom konumlarını ( anizotropilerle ) göstermek hem de kovalent bağların veya diğer etkileşimlerin temsiline izin vermek için kesme parametreleri " termal elipsoidler " aracılığıyla kristalografiden türetilen atomların konumlarını sunarlar. atomlar arasında çizgi olarak. Kısacası, yararlılık nedenleriyle, kristalografik veriler tarihsel olarak top ve sopa modellerine daha yakın sunumlarda ortaya çıktı. Dolayısıyla, kristalografik veriler boşluk doldurma modelleri oluşturmak için gerekli bilgileri içerirken, bir molekülün etkili bir statik şeklini ve kapladığı alanı ve başka bir moleküle bir yüzey sunma yollarını modellemekle ilgilenen bireyler için kaldı. yukarıda gösterilen biçimciliği geliştirmek için.

1952'de Robert Corey ve Linus Pauling, Caltech'te inşa ettikleri moleküllerin doğru ölçekli modellerini tanımladılar . Modellerine, bunlar ile tespit edilmiş olarak, molekülün yüzey öngörülen Waals yarıçapı der van molekülünün her atomun, ve benzeri gibi hazırlanmış atomu sert ölçek 1 inç = içinde, Waals yarıçapı der her atomun van çapı orantılı olarak küre 1 Å . Atomlar arasında bağlara izin vermek için, her kürenin bir kısmı, bir çift eşleşen düz yüz oluşturmak için kesildi; kesikler, küre merkezleri arasındaki mesafe, standart kimyasal bağ türlerinin uzunluklarıyla orantılı olacak şekilde boyutlandırıldı. Bir konektör tasarlandı - her bir düz yüzün merkezindeki her küreye diş açan metal bir burç . İki küre daha sonra karşıt burç çiftine (vidalarla tutturularak) yerleştirilen metal bir çubukla sıkıca bir arada tutuldu. Modeller ayrıca hidrojen bağlarının temsiline izin veren özel özelliklere sahipti .

Bir basit bir molekülün 3D, boşluk doldurucu bir model, bir örneği, kükürt dioksit , SO 2 gösteren elektrostatik potansiyel yüzey kullanılarak molekül için hesaplanan, Spartan yazılım paketi arasında hesaplama kimya araçları. Elektropozitif alanlar için maviden elektronegatif alanlar için kırmızıya gölgelenmiştir . Yüzey, küresel bir nokta pozitif yükünün (örneğin, bir proton, H + ) molekülün atomları ve bağ elektronları ile bir dizi ayrık hesaplama adımında etkileşiminin enerjisi hesaplanarak oluşturuldu . Burada elektrostatik yüzey, kükürt atomunun elektron eksikliğini vurgulayarak, girebileceği etkileşimleri ve maruz kalabileceği kimyasal reaksiyonları akla getiriyor.
Bu görüntüde, çok karmaşık bir makromolekülün , bir proteinin , hücre zarını kapsayan β2 adrenoreseptörün , bir G proteinine bağlı reseptörün 3 boyutlu, boşluk doldurma modelinin bir örneği, bu görüntüde hücre dışı yüzeye bakıyormuş gibi görünüyor. Elektrostatik potansiyel yüzey kristalografısi (belirlenir atomu pozisyonları ile bir modele uygulandı PDB kodu 2RH1); elektrostatik yüzey, Adaptive Poisson-Boltzmann Solver (APBS) ücretsiz yazılımı kullanılarak hesaplandı . Yine elektropozitif alanlar için mavi, elektronegatif alanlar için kırmızı olarak gölgelenmiştir . Biraz belirgin, sopa temsil üstünde bir oluk içinde, sarı, kırmızı ve mavi reseptörü , ligandın, küçük bir molekül olduğu bağlanmış buna, madde karazolol , kısmi ters agonist , bu bağlanma yoluyla, antagonize bağlanması normal ligand, nörotransmiter / epinefrin hormon . Bağlayıcı epinefrine yanıt olarak , bu reseptör, bir L-tipi kalsiyum kanalıyla birlikte , düz kas gevşemesi ve bronkodilasyon gibi fizyolojik yanıtlara aracılık eder . Bu tür bağlanma etkileşimlerinin tümü ve reseptörün sinyal iletimindeki işlevi, elektrostatik etkilerden kaynaklanır ve modern yapı çalışmasında genellikle benzer boşluk doldurma modelleri kullanılarak incelenir.

1965 yılında, Walter L. Koltun , özel olarak tasarlanmış geçmeli konektörlerle birleştirilen çeşitli renklerde kalıplanmış plastik atomlarla basitleştirilmiş bir sistem tasarladı ve patentini aldı ; Bu daha basit sistem, Corey-Pauling sistemiyle esasen aynı amaçları gerçekleştirdi ve eğitim ve araştırma ortamlarında moleküllerle çalışmanın popüler bir yolu olarak modellerin geliştirilmesine izin verdi. Bu tür renk kodlu, bağ uzunluğu tanımlı, van der Waal'ın tipi boşluk doldurma modelleri, belirli konseptin bu üç geliştiricisinden sonra artık yaygın olarak CPK modelleri olarak biliniyor.

Modern araştırma çabalarında, hem basit hem de karmaşık moleküllerin boşluk doldurma modellerini sağlamak için geleneksel ve yeni hesaplama yöntemleriyle birlikte veri açısından zengin kristalografik modellerin kullanılmasına dikkat çekildi, burada molekül yüzeyinin hangi kısımları gibi bilgiler eklendi. çözücü tarafından kolayca erişilebilirdi veya CPK durumunda neredeyse tamamen hayal gücüne bırakılan boşluk dolduran bir temsilin elektrostatik özelliklerinin oluşturulan görsel modellere nasıl eklenebileceği. İki kapanış resmi, ikinci tür hesaplama ve gösterime ve onun kullanımına ilişkin örnekler verir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

Fotoğraf Galerisi

Boşluğu dolduran bir sikloheksan C modeli
6 H
12 . Kısmen maskelenmiş karbon atomları gri renktedir ve hidrojen atomları beyaz küreler olarak sunulur.