Модели биологических молекул

Dytiscience.narod.ru

Модели биологических молекул

На этой странице содержатся картинки, в готовом виде скопированные из Интернета, а также созданные или отредактированные мной.

Для решения разных задач существует множество различных типов пространственных моделей молекул. Наиболее распространённые из них следующие:
1. Масштабные (объёмные, полусферические, сегментные) модели, называемые также моделями Стюарта (Стюарта-Бриглеба), называемые также Space-filling model (заполняющая пространство модель), называемые также calotte model (модель-шапочки), называемые также CPK (первые буквы фамилий химиков Роберта Кори, Линуса Полинга и Уолтера Колтуна, которые ввели их использование). Эти модели отражают взаимное расположение атомов, эффективные размеры атомов в масштабах пропорциональных реальным, в некоторой степени валентные углы и прочее, но не отражают электронную структуру моделируемых соединений.
2. Скелетные (каркасные) модели, называемые также моделями Драйдинга — в отличие от CPK, не учитывают объёмность атомов. Такие модели удобны для визуализации сложных структур типа биополимеров.
3. Шаростержневые модели, называемые также моделями Петресена — сходны со скелетными моделями, можно даже сказать, что являются их разновидностью.
4. Ленточные модели, или ленточные диаграммы — показывают укладку полимерной цепи в пространстве. Наиболее часто к этому методу прибегают при моделировании структур биополимеров и надмолекулярных комплексов.
5. Глобулярные модели отражают общую форму молекулы без детализации структуры до уровня отдельных атомов.
6. Орбитальные модели — отражают электронную структуру моделируемых соединений в соответствии с современными, основанными, как известно, на квантовой механике, представлениями.
Применяются также некоторые другие модели, а также различные гибриды этих основных типов. Существуют также менее распростренённые (устаревшие, нецелесообразные, непризнанные, альтернативные) модели: кольцегранные и всякие другие.
Можно отметить, что любая модель молекулы — это абстракция, которую не следует воспринимать совершенно буквально, т. е. как реальную молекулу. Я думаю, все согласятся, что, в принципе, абсолютно любая модель — это абстракция, с той или иной достоверностью тем или иным образом отражающая те или иные свойства моделируемого объекта (явления). Если кто-нибудь захочет узнать дополнительно о моделях молекул, можно обратиться к статьям "На заре молекулярной графики" и "Изваяние невидимого" на сайте http://biomolecula.ru/.

Аминокислоты — одни из самых важных, универсальных и фундаментальных составляющих живой материи. Рассмотрение важнейших классов соединений в учебниках биохимии традиционно начинается именно с аминокислот, и это вполне оправдано, ведь из остатков именно аминокислот построены рабочие лошадки всего живого — белки. Поэтому и я начну с моделей молекул не каких-нибудь там никотина, LSD и виагры, а именно с моделей молекул аминокислот.
В Интернете на нескольких сайтах (к примеру, здесь и здесь и здесь и здесь и ещё много где, но распространение пошло, по-видимому, отсюда) встречал одни и те же анимированные модели всех 20-ти протеиногенных (т. е. кодируемых, канонических, тех, из которых строятся белки всех живых организмов) аминокислот. Модельки весьма симпатичные, радует также, что рекомендованная схема цветового обозначения соблюдена (чёрным — углерод, белым — водород, красным — кислород, синим — азот, жёлтым — сера). Но вот были существенные, но не сразу бросающиеся в глаза нарушения — была неправильно показана конфигурация заместителей у стереогенных центров. В общем, выражаясь проще, многие молекулы способны существовать в 2-ух формах, называемых оптическими изомерами (зеркальными изомерами, энантиомерами) (это как левая и правая рука, как левый и правый ботинок и т. п. (см. картинку)):

D (R) и L (S) стереоизомеры аланина (2-аминопропановой кислоты)

В природных объектах преобладают L-аминокислоты (то есть с относительной конфигурацией L, что в данном случае соответствует абсолютной конфигурации S), а на картинках были изображены менее важные с биологической точки зрения D-изомеры (соответствует абсолютной конфигурации R). Я исправил этот недочёт, зеркально отразив картинки:


D (R) {{Исходная}}	L (S) {{Исправленная}}

В молекулах 2-ух аминокислот (трео-(анте)-изолейцин (№ 4) и треонин (№ 8)) содержится по 2 стереогенных центра. Так как конфигурация обоих центров в моделях была показана неверно, эти модели также легко были исправлены зеркальным отражением. Если бы конфигурация одного стереогенного центра была бы показана верно, а второго нет — то такую модель невозможно бы было исправить отражением. Не пришлось исправлять только модель молекулы глицина (№ 1), так как глицин не имеет оптических изомеров ввиду осутствия стереогенных центров (поэтому зеркальное отражение молекулы совпадает с оригиналом). Ну, можно ещё отметить, что в данных моделях имеются другие неточности, которых хотелось бы, чтобы не было (в молекулах пролина (№ 6) и аргинина (№ 16) почему-то нескольких водородов нехватает, в молекуле лизина (№ 15) — одного, в молекуле аспарагина (№ 12) не совсем верно показано геометрическое строение амидной группы). Искажения в моделе свойств реального объекта с какой-то долей условности можно разделить на "неточности" и "ошибки". Так как для рассмотрения аминокислот понятие оптической изомерии очень важно, то можно считать, что зеркально отразив, я исправил существенные ошибки в моделях. Вот, в общем, таблица аминокислот в виде теперь уже практически полностью корректных анимированных моделей: По поводу программы, при помощи которой изначально были созданы эти модели, на родном сайте написано: "This image was created using Cool 3D software from Ulead Systems".

Можно навести курсор на вышеприведённые модели и убедиться, что они подходят для белого фона благодаря белому ареолу. Нижеприведённые модели специально адаптированы для чёрного фона — они имеют чёрный ареол:

Также модели важнейших аминокислот сделал я сам "de novo", использовав программы ChemSketch (для рисования формулы, преобразования в трёхмерную структуру с энергетической оптимизацией с последующем сохранением модели в формате MDL Molfiles [V2000] (*.mol), поддерживаемом программой ChemSite), затем ChemSite (для конвертации в *.ent, распознаваемый программой QuteMol) или же MarvinSketch (для конвертации в *.pdb, распознаваемый программой QuteMol), затем уже QuteMol (для создания анимированной картинки *.gif). Таким образом, при помощи этих трёх — четырёх программ можно легко и быстро создавать качественные модели практически любых молекул. На создание одной модели небольшой молекулы у меня уходит в среднем 4,5 минуты. Кто захочет повозиться с молекулярным моделированием — легко сможет сам отыскать все необходимые программы в Интернете. Сделанные мной CPK-модели молекул аминокислот (большишство в протонированной форме, но некоторые я сделал с непротонированными атомами азота) можно посмотреть пощёлкав по ссылкам:

Канонические кодируемые (протеиногенные) аминокислоты (их ровно 20):
Глицин Аланин Валин Изолейцин Лейцин Пролин Серин Треонин Цистеин Метионин
Аспартат Аспарагин Глутамат Глутамин Лизин Аргинин Гистидин Фенилаланин Тирозин Триптофан

Минорные и таксоноспецифичные трансляционно включаемые аминокислоты (известно 3 или 4 (есть недостоверная информация о трансляционном включении аминоцитрата) таких аминокислоты, но вероятно, что не все ещё открыты):
Селеноцистеин
Пирролизин
Аминоцитрат
Формилметионин

Некоторые возникающие в процессе посттрансляционных модификаций аминокислоты, большинство из которых можно назвать минорными:
Цистин
ε-(N', N', N')-триметиллизин
Тритирозин
3-Хлортирозин
γ-Метиловый эфир аспарагиновой кислоты
α-Аминоизобутират
Гликозилированный аспарагин (конформация 1) (конформация 2)
His-FAD (conformation 1) (conformation 2)

Некоторые синтетические, полусинтетические и встречающиеся в природе аналоги протеиногенных аминокислот:
4-Фторфенилаланин — аналог фенилаланина
L-канаванин — аналог аргинина
7-Азатриптофан — аналог триптофана

Вот ещё две неплохие анимированные картинки из найденных в Интернете — некоторая визуализация теплового движения полипептидной цепи, построенной из приблизительно 30 остатков аминокислот, и молекулы цитохрома С:

Фенилаланил-тРНК-синтетаза в комплексе с фенилаланиновой транспортной РНК. Код структуры в базе данных 1EIY. Динамическую картинку (модель Драйдинга) я создал при помощи программы QuteMol, воспользовавшись скачанным из Интернета файлом *.pdb (файл Protein Data Bank) с координатами всех атомов этой структуры. Атомы водорода в моделе опущены. Статические катринки (CPK-модели) были получены с того же файла *.pdb при помощи мощной программы визуализации химических структур Discovery Studio Visualizer. Для интереса можно посмотреть краткую информацию об этой структуре, щёлкнув сюда.

Физически точная CPK-модель одного витка B-формы ДНК — одна из моих самых любимых картинок (эту катринку создал не я, но создана она при помощи всё той же программы QuteMol):
Один виток ДНК

Нуклеосома (1¾ оборота ДНК вокруг специальной белковой катушки — так называемого нуклеосомного кора). Чтобы получить это изображение, пришлось действовать несколько извращённым способом, так как исходный файл *.pdb программа QuteMol обрабатывать корректно отказывалась:

Глобулярная модель некоторой молекулы. Методом силовых линий, как я понял, показаны электрические поля, порождённые заряженными группами молекулы:

Две модели одного и того же соединения (тетрагидроканнабинола), созданные при помощи двух разных программ:


1	2

P. S. Ну, страничка, конечно, тяжеловатой получилась из-за обилия анимации..., но пусть будет ;)

Copyright © Алексей Шелег (Alexey Sheleg) Dytiscience.narod.ru 2009 – 2010
Копирование и использование любых своих материалов автор одобряет только при условии указания ссылки на источник.

Сайт создан в системе uCoz