Molekulární model - Molecular model

A molekulární model, v tomto článku je fyzický model, který představuje molekuly a jejich procesy. Vytváření matematických modelů molekulárních vlastností a chování je molekulární modelovánía jejich grafické znázornění je molekulární grafika, ale tato témata jsou úzce propojena a každé z nich používá techniky od ostatních. V tomto článku bude „molekulární model“ primárně odkazovat na systémy obsahující více než jeden atom a kde je zanedbána jaderná struktura. Elektronická struktura je také často vynechána nebo vysoce sofistikovaným způsobem.

Přehled

Fyzické modely atomistických systémů hrály v porozumění důležitou roli chemie a generování a testování hypotézy. Nejčastěji existuje explicitní zastoupení atomů, i když jiné přístupy jako např mýdlové filmy a další kontinuální média byla užitečná. Existuje několik motivací pro vytváření fyzických modelů:

• jako pedagogické nástroje pro studenty nebo ty, kteří neznají atomistické struktury;
• jako objekty ke generování nebo testování teorií (např. struktura DNA);
• jako analogové počítače (např. pro měření vzdáleností a úhlů ve flexibilních systémech);
• jako esteticky příjemné předměty na pomezí umění a vědy.

Konstrukce fyzických modelů je často tvůrčí čin a mnoho na zakázku příklady byly pečlivě vytvořeny v dílnách vědeckých oddělení. Existuje velmi široká škála přístupů k fyzickému modelování a tento článek uvádí pouze ty nejběžnější nebo historicky důležité. Hlavní strategie jsou:

• zakázková konstrukce jediného modelu;
• použití běžných materiálů (plastelíny, zápalky) nebo dětské hračky (Tinkertoy, Meccano, lego, atd.);
• opětovné použití generických komponent v sadách (do současnosti přibližně od 30. let).

Modely zahrnují širokou škálu stupňů přesnosti a inženýrství: některé modely, jako např J.D.Bernal Voda je konceptuální, zatímco makromodely z Pauling a Cricku a Watson byly vytvořeny s mnohem větší přesností.

Molekulární modely inspirovaly molekulární grafika, zpočátku v učebnicích a vědeckých článcích a nověji v počítačích. Molekulární grafika nahradila některé funkce fyzikálních molekulárních modelů, ale fyzické sady jsou stále velmi populární a prodávají se ve velkém počtu. Mezi jejich jedinečné silné stránky patří:

• levnost a přenositelnost;
• okamžité hmatové a vizuální zprávy;
• snadná interaktivita pro mnoho procesů (např. konformační analýza a pseudorotace ).

Dějiny

V 1600s, Johannes Kepler spekulovalo se o symetrie z sněhové vločky a také na těsném balení sférických předmětů, jako je ovoce (tento problém zůstal nevyřešen až donedávna). Symetrické uspořádání úzce zabalených sfér informovalo teorie molekulární struktury na konci 19. století a mnoho teorií krystalografie a pevné skupenství anorganická struktura používala kolekce stejné a nerovné sféry k simulaci balení a předpovědi struktury.

Obr. 1. Hofmannův model pro metan.

John Dalton představovaly sloučeniny jako agregace kruhových atomů, ai když Johann Josef Loschmidt nevytvořil fyzické modely, jeho diagramy založené na kruzích jsou dvourozměrné analogy pozdějších modelů. August Wilhelm von Hofmann je připočítán s prvním fyzikálním molekulárním modelem kolem roku 1860 (obr. 1). Všimněte si, jak se velikost uhlíku jeví menší než vodík. Důležitost stereochemie tehdy nebyl rozpoznán a model je v podstatě topologický (měl by být trojrozměrný čtyřstěn ).

Jacobus Henricus van 't Hoff a Joseph Le Bel představil koncept chemie ve vesmíru - stereochemii ve třech rozměrech. van 't Hoff postaven čtyřboká molekuly představující trojrozměrné vlastnosti uhlík.

Modely založené na sférách

Opakující se jednotky vám pomohou ukázat, jak snadné je a jasné, že je možné reprezentovat molekuly prostřednictvím koulí, které představují atomy.

Obr. Chlorid sodný (NaCl) mřížka, ukazující těsně zabalené koule představující kubickou AB mřížku se středem tváře podobnou mřížce NaCl a většině ostatních alkálie halogenidy. V tomto modelu jsou koule stejné velikosti, zatímco pro více „realistické“ modely by byly různé poloměry kationty a anionty.

The binární sloučeniny chlorid sodný (NaCl) a chlorid česný (CsCl) mají kubické struktury, ale mají různé vesmírné skupiny. To lze racionalizovat, pokud jde o těsné zabalení koulí různých velikostí. Například NaCl lze popsat jako těsně zabalený chlorid ionty (v obličejové kubické mřížce) s ionty sodíku v osmistěn díry. Po vývoji Rentgenová krystalografie jako nástroj pro určování krystalových struktur mnoho laboratoří stavělo modely založené na sférách. S vývojem plastů nebo polystyren koule je nyní snadné vytvářet takové modely.

Modely založené na kouli a hůlce

Koncept chemické vazby jako přímé vazby mezi atomy lze modelovat spojením koulí (atomů) s tyčemi / tyčemi (vazbami). To bylo nesmírně populární a dnes je stále široce používáno. Atomy byly původně vyrobeny ze sférických dřevěných koulí se speciálně vyvrtanými otvory pro tyče. Tím pádem uhlík může být reprezentován jako koule se čtyřmi otvory na čtyřboká úhly cos⁻¹(−​¹⁄₃) ≈ 109.47°.

Problém tuhých vazeb a děr spočívá v tom, že nebylo možné postavit systémy s libovolnými úhly. To lze překonat pomocí pružných spojů, původně šroubovicových pružin, ale nyní obvykle plastových. To také umožňuje aproximovat dvojné a trojné vazby několika jednoduchými vazbami (obr. 3).

Obr. 3. Moderní plastový model míče a hole. Zobrazená molekula je prolin.

Obrázek 3 představuje a model s hůlkou a hůlkou z prolin. Míčky mají barvy: Černá představuje uhlík (C); Červené, kyslík (Ó); modrý, dusík (N); a bílá, vodík (H). Každá koule je vyvrtána s tolika otvory, kolik je obvyklých mocenství (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) směřující k vrcholům čtyřstěnu. Jednoduché vazby jsou reprezentovány (poměrně) tuhými šedými tyčemi. Dvojité a trojné vazby používají dvě delší pružné vazby, které omezují rotaci a podporují konvenční cis /trans stereochemie.

Obr. 4. Vyrábí model koule a hole rubín (Cr-dotovaný korund) vyrobený z akrylových kuliček a tyčí z nerezové oceli od Miramodus Ltd.

Většina molekul však vyžaduje díry v jiných úhlech a specializované společnosti vyrábějí soupravy a modely na zakázku. Kromě čtyřbokého trigonální a oktaedrické díry byly univerzální koule s 24 otvory. Tyto modely umožňovaly rotaci kolem vazeb jednotlivých tyčí, což mohlo být výhodou (vykazující molekulární flexibilitu) i nevýhodou (modely jsou disketové). Přibližná stupnice byla 5 cm na ångström (0,5 m / nm nebo 500 000 000: 1), ale nebylo konzistentní ve všech prvcích.

Arnold Beevers v Edinburgh vytvořil malé modely pomocí kuliček PMMA a prutů z nerezové oceli. Použitím individuálně vyvrtaných koulí s přesnými úhly a délkami vazby v těchto modelech lze přesně vytvořit velké krystalové struktury, ale s lehkou a tuhou formou. Obrázek 4 ukazuje jednotkovou buňku o rubín v tomto stylu.

Kostrové modely

Crick a Watson DNA model a protein - stavební sady Kendrew byli mezi prvními kosterními modely. Ty byly založeny na atomových složkách, kde byly valence zastoupeny tyčemi; atomy byly body na křižovatkách. Vazby byly vytvořeny spojením komponentů s trubkovými spojkami pomocí zajišťovacích šroubů.

André Dreiding představil na konci 50. let soupravu pro molekulární modelování, která upustila od konektorů. Daný atom by měl pevné a duté valenční hroty. Pevné tyče zacvakly do trubek a vytvořily spojení, obvykle s volnou rotací. Ty byly a jsou velmi široce používány v odděleních organické chemie a byly provedeny tak přesně, že meziatomová měření mohla být prováděna pravítkem.

V poslední době používají levné plastové modely (například Orbit) podobný princip. Malá plastová koule má výčnělky, na které lze nasadit plastové trubky. Pružnost plastu znamená, že lze vytvářet zkreslené geometrie.

Polyedrické modely

Mnoho anorganické pevné látky se skládají z atomů obklopených a koordinační sféra z elektronegativní atomy (např. PO₄ čtyřstěn, TiO₆ oktaedra). Struktury lze modelovat slepením mnohostěnů z papíru nebo plastu.

Složené modely

Obr. 5. Nicholsonův model, zobrazující krátkou část proteinové páteře (bílá) s postranními řetězci (šedá). Všimněte si útržků, které představují atomy vodíku.

Dobrým příkladem kompozitních modelů je Nicholsonův přístup, široce používaný od konce 70. let pro vytváření biologických modelů makromolekuly. Komponenty jsou primárně aminokyseliny a nukleové kyseliny s předem vytvořenými zbytky představujícími skupiny atomů. Mnoho z těchto atomů je přímo formováno do šablony a zapadají do sebe tlačením plastových čepů do malých otvorů. Plast dobře drží a ztěžuje otáčení vazeb, takže je to libovolné torzní úhly lze nastavit a zachovat jejich hodnotu. Konformace páteř a boční řetězy jsou určeny před výpočtem torzních úhlů a následným nastavením modelu pomocí a úhloměr.

Plast je bílý a lze jej natřít, aby rozlišoval mezi atomy O a N. Atomy vodíku jsou obvykle implicitní a modelovány odříznutím paprsků. Vytvoření modelu typického proteinu s přibližně 300 zbytky může trvat měsíc. Bylo běžné, že laboratoře vytvářely model pro každý vyřešený protein. Do roku 2005 bylo stanoveno tolik proteinových struktur, že bylo vyrobeno relativně málo modelů.

Počítačové modely

Obr. 6. Integrované proteinové modely.

S rozvojem počítačového fyzického modelování je nyní možné vytvořit kompletní jednodílné modely vložením souřadnic povrchu do počítače. Obrázek 6 ukazuje modely antrax toxin, vlevo (v měřítku přibližně 20 Å / cm nebo 1: 5 000 000) a zelený fluorescenční protein, vpravo (5 cm vysoký, v měřítku asi 4 Å / cm nebo 1:25 000 000) od 3D Molecular Design. Modely jsou vyrobeny ze sádry nebo škrobu pomocí procesu rychlého prototypování.

Nedávno bylo také možné vytvořit přesné molekulární modely uvnitř skleněných bloků pomocí techniky známé jako podpovrchové laserové gravírování. Obrázek vpravo (obr.7) ukazuje 3D strukturu souboru E-coli protein (beta-podjednotka DNA polymerázy, PDB kód 1MMI) vyleptané uvnitř bloku skla britskou společností Luminorum Ltd.

Obr. 7. Proteinový model ve skle.

Společné barvy

Některé z nejběžnějších barev používaných v molekulárních modelech jsou následující:^{[Citace je zapotřebí ]}

Vodík		bílý
Alkalické kovy		fialový
Kovy alkalických zemin		tmavozelený
Bor, většina přechodné kovy		Růžový
Uhlík		Černá
Dusík		modrý
Kyslík		Červené
Fluor		zelená žlutá
Chlór		Limetkově zelená
Bróm		tmavě červená
Jód		tmavě fialová
vzácné plyny		tyrkysová
Fosfor		oranžový
Síra		žlutá
Titan		šedá
Měď		meruňka
Rtuť		světle šedá

Chronologie

Tato tabulka je neúplnou chronologií událostí, kde fyzikální molekulární modely poskytovaly hlavní vědecké poznatky.

Viz také

• Software pro molekulární design
• Molekulární grafika
• Molekulární modelování
• Pás karet diagram
• Software pro modelování molekulární mechaniky
• Model vyplňující prostor (Calotte)

Reference

(Některé z nich mají zajímavé a / nebo krásné obrázky)

• Barlow, W. (1883). „Pravděpodobná povaha vnitřní symetrie krystalů“. Příroda. 29 (738): 186–8. Bibcode:1883Natur..29..186B. doi:10.1038 / 029186a0.
• Barlow, W .; Pope, W.J. (1906). „Vývoj atomové teorie, který koreluje chemickou a krystalickou strukturu a vede k demonstraci povahy valence“. J. Chem. Soc. 89: 1675–1744. doi:10.1039 / ct9068901675.
• Whittaker, A.G. (2009). "Molekulární modely - hmatatelné reprezentace abstraktu". Newsletter PDB. 41: 4–5. [1]
• Daltonův papír na atomech a chemických sloučeninách.
• historie molekulárních modelů Příspěvek prezentovaný na EuroScience Open Forum (ESOF), Stockholm 25. srpna 2004 W. Gerhard Pohl, Rakouská chemická společnost. Fotografie van't Hoffových čtyřstěnných modelů a Loschmidtových organických vzorců (pouze 2-dimenzionální).
• Wooster, W.A.; et al. (1945). „Sférická šablona pro vrtání koulí pro modely s krystalovou strukturou“. J. Sci. Instrum. 22 (7): 130. Bibcode:1945JScI ... 22..130W. doi:10.1088/0950-7671/22/7/405. Woosterovy životopisné poznámky včetně založení společnosti Crystal Structure Ltd.
• 3D molekulární design
• RealAtoms
• Snatoms
• xeo xeo je bezplatný (GPL) otevřený projektový management pro nanostruktury využívající Javu
• Historie vizualizace biologických makromolekul Eric Martz a Eric Francoeur. Obsahuje směs fyzických modelů a molekulární grafika.
• Zdarma můžete používat obrázky molekulárních modelů od společnosti Miramodus ltd.
• Modely ve Výzkumném ústavu Scripps

Reference