Шаростержневая модель молекулы: Модели молекул

  • Home
  • Разное
  • Шаростержневая модель молекулы: Модели молекул

Содержание

Модели молекул



Модели молекул

Модели молекул

Классические структурные формулы непригодны для изображения пространственного строения молекул, поскольку они не отражают ни валентные углы, ни длины связей, ни тем более ван-дер-ваальсов радиус атомов. Наглядное представление о геометрии молекул можно получить, используя выполенные в соответствующем масштабе трехмерные модели молекул. Известны несколько типов молекулярных моделей. Наиболее простыми из них являются шаростержневые модели и модели Драйдинга.

Шаростержневая модель
молекулы этана C2H6

Шаростержневая модель
молекулы циклогексана C6H12

Модель Драйдинга
молекулы циклогексана C6H12

Для просмотра щелкните на выбранной модели молекулы

С помощью таких моделей можно построить молекулу любой возможной геометрии. В моделях Драйдинга строго соблюдаются внутримолекулярные расстояния (0,1 нм соответствует 2,5 см), но не учитываются относительные размеры отдельных атомов, т.е. заполненность внутримолекулярного пространства.

Этот недостаток устранен в

полусферических моделях Стюарта-Бриглеба, где атомы представлены в виде усеченных сфер с учетом атомных радиусов (в масштабе 0,1 нм = 1,5 см).

Уксусная кислота СH3COOH

Фенол С6Н5OH

Для просмотра щелкните на выбранной модели молекулы

Тетраэдрический атом углерода, например, представлен в виде шара с радиусом, пропорциональным его ван-дер-ваальсову радиусу (r

1 = 0,18 нм).
Этот шар имеет четыре симметричных среза, сделанных таким образом, чтобы расстояние от центра шара до поверхности среза было пропорционально ковалентному радиусу атома углерода (r2 = 0,077 нм).
Модель молекулы собирают, соединяя между собой плоскостями срезов полусферические модели соответствующих атомов. Таким образом, модели Стюарта-Бриглеба отражают не только расстояния между атомами, но и эффективные радиусы.

 

Визуальные модели молекул . Абсолютный минимум [Как квантовая теория объясняет наш мир]

Молекула HF, подобно молекулам F2, O2

и N2, является двухатомной и потому линейной молекулой. В следующей главе мы будем говорить о молекулах более сложной формы. Есть целый ряд способов изобразить строение молекулы. Формулу молекулы HF можно записать в виде H?F, обозначив таким образом, что в ней имеет место одиночная связь. В более сложных молекулах такой способ представления может показывать, какие атомы с какими связаны и какого порядка связью. Однако этот способ не позволяет продемонстрировать трёхмерную геометрию и дать представление о том, как в действительности выглядит молекула.

Надо отметить, что уподобление молекулы какому-либо предмету фундаментально некорректно. Молекула HF — это два ядра, окружённых волнами амплитуды вероятности, которые являются электронами. Тем не менее существуют представления, полезные для обсуждения природы молекул. На рис. 13.12 показаны два таких представления молекулы HF. Вверху представлена шаростержневая модель молекулы

{22}. Она отражает связь между атомами и их относительные размеры. Атом H изображён светлым тоном, а атом F — тёмным. Связь между атомами преувеличенно длинная. Внизу изображена объёмная модель{23}. Бо?льшая часть электронной плотности сосредоточена внутри перекрывающихся сфер. Здесь верно передаются относительные размеры атомов и межъядерные расстояния. Тон и чёткие линии между атомами служат для большей наглядности. В действительности разделения электронов между атомами нет.

Материал этой и следующей глав необходим для понимания связей в многоатомных молекулах. В следующей главе нам понадобится расширить изложенные здесь идеи на молекулы, содержащие более двух атомов. Многоатомные молекулы могут иметь разные формы, и для их понимания мы введём новое понятие гибридных атомных орбиталей. В последующих главах материал глав 13 и 14 будет использоваться для анализа широкого круга вопросов, например для выяснения, что такое ненасыщенные жиры и чем они отличаются от других жиров.

Рис. 13.12. Различные представления молекулы HF. H — светлый тон; F — тёмный. Вверху: шаростержневая модель показывает, как связаны атомы, а также их относительные размеры. Внизу: объёмная модель, которая более реалистична

«Естествознание (химия)» на тему «ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШАРОСТЕРЖНЕВЫХ МОДЕЛЕЙ МОЛЕКУЛ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫХ»

Практическая работа  1

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШАРОСТЕРЖНЕВЫХ МОДЕЛЕЙ МОЛЕКУЛ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫХ

 Изготовление модели молекулы метана

Цель: научиться изготавливать шаростержневую модель молекулы метана,                                                   закрепить знания о химическом строении органических веществ как порядке соединения атомов в молекуле согласно их валентности.

Оборудование: набор цветных шаров  (пластмасса)   для изготовления моделей молекул веществ или пластилиновые шарики: 1 шт. тёмного цвета и 4 шт. светлого цвета (шарик тёмного цвета  должен быть диаметром  в 1,5 раза больше светлых шариков),  стержни 4 шт. (пластмасса или спички).

Содержание и порядок выполнения работы

1.  На тёмном шарике (атом углерода) наметить четыре равноудалённые друг от друга точки и вставить в них   пластмассовые стержни или палочки — спички  так, как показано на  рисунке 1.

 

Рис.1  Модель молекулы метана

2. Присоединить к палочкам светлые шарики (атомы водорода), как показано на рисунке .

3. Объяснить, что обозначают палочки в модели.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.  Записать формулы вещества,  модель молекулы которого вы собрали::

а) молекулярную _____________; 

 б) структурную ______________;

в) электронную ______________.

5. Указать вид химической связи, который устанавливается в молекуле метана между атомами С-Н.

6. На структурной формуле указать длину, прочность,направленность химических связей.

7. Вставить пропущенные цифры (римские).

В органических соединениях валентность углерода равна _______.

Валентность водорода во всех соединениях равна ________.

 

 Изготовление модели молекулы пропана и 1-хлорпропана

Цель: научиться изготавливать шаростержневую модель молекулы гомолога метана  — пропана и галогенопроизводного соединения 1-хлорпропана, закрепить знания о химическом строении органических веществ как порядке соединения атомов в молекуле, радикалах и гомологах.

 Оборудование:    набор цветных шаров  (пластмасса)   для изготовления   моделей молекул веществ или пластилиновые шарики: 3 шт. тёмного цвета, 12 шт. светлого цвета (шарик тёмного цвета должен  быть диаметром  в 1,5 раза больше светлых шариков) и 1 шт. зелёного цвета (в 2 раза больше диаметром светлых шариков),  пластмассовые стержни или спички.

 Содержание и порядок выполнения  опыта

1.      Собрать модель молекулы метана (см. в описании  предыдущего опыта).

2.      От изготовленной модели молекулы метана  убрать один  светлый шарик.

3.      Записать формулу частицы, модель которой вы собрали:

а) молекулярную ________________ ;

б) структурную __________________;

Назовите частицу____________________.

4.      На место убранного светлого шарика  присоединить  тёмный шарик (на котором предварительно нанесены четыре тетраэдрически расположенные точки).

5.      По месту двух других точек к нему присоедините  на стержнях два светлых шарика, а на оставшееся  четвёртое место  присоедините модель радикала метила..

6.      Записать формулу вещества,  модель молекулы которого вы собрали:

а) молекулярную _________________;   б) структурную ____________________ .

7. Назвать вещество, модель молекулы  которого вы  собрали.

_____________________________________________________________________________________________

8.      Указать вид химической связи, который устанавливается в молекуле пропана между атомами: а) С-С; б) С-Н.

_____________________________________________________________________________

9.      Kакая из связей С–Н будет активнее участвовать в реакции галогенирования? Почему?

_____________________________________________________________________________

10.    Заместить в модели светлый шарик (атом Н)  на зелённый шарик (атом Сl).

 

11.    Записать формулы вещества, модель молекулы которого вы собрали:

а) молекулярную ______________;  б) структурную _______________ .

 

Ответить на поставленные вопросы

1.      Почему для изготовления моделей молекул требуются шарики различных размеров?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.       Какое из основных положений теории А.М. Бутлерова вы использовали при изготовлении моделей молекул углеводородов и галогенопроизводных?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Оценка и комментарий преподавателя:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

  Проверь себя

Задания

1. Составить структурные формулы углеводородов, содержащих семь атомов С в молекуле:

а) линейного строения; б) с разветвленной цепью.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.

2. Составить возможные структурные формулы изомеров пентана, назвать их по международной номенклатуре. Зарисовать модель одного из изомеров. Kакие еще виды изомерии свойственны этому веществу? Kакой из атомов С имеет наименее прочную связь С–Н? Почему? Ответ обосновать с привлечением сдвига электронной плотности.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

                          

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение наглядного моделирования при изучении органической и биологической химии

 

АННОТАЦИЯ

Современная система образования развивает и стимулирует интеллектуальное развитие учащихся. Использование метода моделирования позволяет изучать не непосредственно объект, а его модель, которая повторяет качественные характеристики объекта и позволяет рассмотреть его в трехмерном пространстве. Моделирование выступает способом познания и позволяет фиксировать в наглядной форме характеристики, которые отражают научно-теоретическую сущность изучаемых объектов.

ABSTRACT

The modern education system develops and stimulates the intellectual development of students. The use of the modeling method allows you to study not directly the object, but its model, which repeats the qualitative characteristics of the object and allows you to examine it in three-dimensional space. Modeling acts as a way of cognition and allows you to fix in a visual form characteristics that reflect the scientific and theoretical essence of the objects under study.

 

Ключевые слова: наглядное моделирование, органическая химия, биологическая химия, модели органических веществ.

Keywords: visual modeling, organic chemistry, biological chemistry, models of organic substances.

 

Учебные модели относятся к средствам реализации принципа наглядности, который повышает эффективность обучения за счёт привлечения органов чувств к восприятию и переработке учебного материала. Средства наглядности обеспечивают полное формирование образа, понятия и тем самым способствуют более прочному пониманию и усвоению новых научных знаний [1-2].

Для построения моделей используются два вида средств: средства самого сознания и средства окружающего материального мира. По способу воспроизведения реального объекта модели классифицируют на материальные или реальные и абстрактные или идеальные. Мысленные модели конструируются в идеальной форме, зафиксированной с помощью языка, знаковых средств, формул, схем, рисунков и подразделяются на образные и знаковые модели.

Цель работы – обосновать целесообразность создания и применения наглядных моделей органических веществ в ходе изучения курсов биологической и органической химии.

Для моделирования молекул органических веществ и формирования объективных представлений о их строении используют шаростержневые модели или модели Кекуле. Данные модели конструируют из шариков, символизирующих отдельные атомы, расположенных друг от друга на некотором расстоянии и скрепленных друг с другом стержнями, имитирующих химическую связь. Применение этих моделей позволяет визуализировать представление о строении молекул органических веществ и позволяет показать направление химических связей и величины валентных углов (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Примеры шаростержневых моделей [2]

 

В органической химии при изучении стереохимии используются скелетные модели или модели Дрейдинга, которые правильно отражают межатомные расстояния и валентные углы в молекулах. Модели Дрейдинга состоят из трубок и сплошных стержней, соединенных в точке, соответствующей ядру атома, под углами, равными валентным (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Примеры скелетных моделей [2]

 

Для отражения взаимного расположения атомов, эффективных размеров атомов в масштабах пропорциональных реальным и валентных углов в органической химии используются полусферические модели или модели Стюарта-Бриглеба (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Примеры полусферических моделей [2]

 

Для повышения результатов  образования и самообразования следует большую роль уделять выполнению творческих заданий, разработке образовательных проектов, что формирует практическую направленность обучения и способствует активизации познавательной деятельности студентов.

Системообразующим принципом в организации деятельности студентов является принцип самостоятельной деятельности. Поэтому одной из задач преподавателя является обучение студентов основам профессионального знания и научного познания, возможность самореализации через решение задач научного характера [3].

В процессе моделирования студенту необходимо проделывать логические операции – сравнение и аналогию, анализ и синтез, систематизацию и обобщение. Составление моделей способствует у студентов развитию мотивационной сферы, интеллекта, способности контролировать и управлять своей учебно-познавательной деятельностью.

В процессе моделирования у студента успешно формируется предметная химическая компетентность. Компетентность заключается в развитии представления о том, что окружающий мир состоит из веществ, которые характеризуются определённой структурой и способны к взаимным превращениям; существует связь между структурой, свойствами и применением веществ; в формировании химического мышления, умения анализировать явления окружающего мира в химических терминах, способности говорить и думать на химическом языке [4].

Материал и методы исследования. Моделирование молекул проводилось у студентов 2 курса специальности «Биология и химия». В экперименте принимало участие 27 студентов, которые были разделены на три группы: контрольная группа (n = 9), в этой группе не проводилось моделирование молекул; во 1-ую группу входили студенты (n = 9), которые занимались моделированием молекул только в рамках курса «Органическая химия» предусмотренного программой, во 2 группе – студенты (n = 9) выполняли задания по моделированию органических и биохимических молекул. Задания по моделированию биохимических молекул использовались как дополнительный материал при подготовке занятиям не предусмотренный учебными планами.

Примерами моделирования в рамках самостоятельной работы являются модели: бензола (рисунок 4), серотонина (рисунок 5), глюкозы (рисунок 6), сахарозы (рисунок 7).

Модель молекулы бензола. Бензол – ароматический углеводород. В молекуле бензола присутствуют три двойные связи С=С, три одинарные связи С–C и шесть одинарных связей С–Н. Для создания молекулы бензола необходимы 6 шариков (атомы углерода), 6 шариков (атомы водорода) и соединительные элементы. Затем атомы углерода и водорода в молекуле бензола, располагают так чтобы образовался правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости.

Рисунок 4. Модель молекулы бензола

 

Модель молекулы серотонина. Серотонин – биогенный амин (класс триптамины). Для создания молекулы серотонина необходимы 10 шариков (атомы углерода), 12 шариков (атомы водорода), 2 шарика (атомы азота), 1 шарик (атом кислорода) и соединительные элементы. Затем атомы углерода и водорода в молекуле сенротонина, располагают так чтобы образовались правильный шестиугольник и правильный пятиугольник, в которых все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости, а затем достраивают  недостающие элементы.

Рисунок 5. Модель молекулы серотонина

 

Модель молекулы глюкозы. Глюкоза – моносахарид (класс углеводы). Для создания молекулы глюкозы необходимы 6 шариков (атомы углерода), 12 шариков (атомы водорода), 6 шариков (атомы кислорода) и соединительные элементы. Затем атомы углерода, водорода и кислорода в молекуле глюкозы, располагают так чтобы образовались правильный шестиугольник или правильный пятиугольник.

 

Рисунок 6. Модель молекулы глюкозы

 

Модель молекулы глюкозы. Глюкоза – дисахарид (класс углеводы). Для создания молекулы сахарозы необходимы 12 шариков (атомы углерода), 22 шарика (атомы водорода), 11 шариков (атомы кислорода) и соединительные элементы. Затем атомы углерода, водорода и кислорода в молекуле глюкозы, располагают так чтобы образовались правильный шестиугольник и правильный пятиугольник, а затем достраивают  недостающие элементы.

 

Рисунок 7. Модель молекулы сахарозы

 

Оценку влияния заданий по моделированию на успеваемость по органической и биологической химии у студентов проводили по баллам промежуточной аттестации. Результаты представлены на рисунках 8-9.

Влияние моделирования на успеваемость студентов по органической химии представлена на рисунке 8.

 

Рисунок 8. Влияние заданий по моделированию на успеваемость студентов по органической химии

 

Из рисунка 8 видно, что уровень знаний в 1 и 2 группах повысился в 1,4 и 1,6 раз по сравнению с контрольной группой.

Влияние моделирования на успеваемость студентов по биологической химии представлена на рисунке 9.

 

Рисунок 9. Влияние  заданий по моделированию на успеваемость студентов по биологической химии

 

Из рисунка 9 видно, что уровень знаний в 1 и 2 группах повысился в 1,3 и 1,7 раз по сравнению с контрольной группой.

Заключение. Роль наглядного моделирования, как для фундаментальных, так и для прикладных исследований в области, химии и биохимии, молекулярной биологии неуклонно растёт. 

Использование знаково-символических средств, создание и преобразование их для решения задач, моделирование, поиск и выделение информации в разных формах, обработка, анализ, применение и представление являются важнейшими познавательными действиями, без которых нельзя достичь желаемых результатов. Применение моделирования, является одним из главных путей развития познавательных действий на занятиях по биологической и органической химии у студентов, активирует умственную деятельность, играет огромную роль в формировании понятийного аппарата, а также развивает самостоятельность и инициативность в процессе обучения.

Таким образом, на основе результатов экзаменационных срезов проведенных у студентов можно сделать следующие выводы: проведение занятий по моделированию в рамках курсов биологической и органической химии повышает успеваемость студентов, помогает студентам представлять себе сложные молекулы крупным планом и устанавливать логические связи между структурой и свойствами различных веществ, что подтверждается более высокими оценками в данных группах по сравнению с группами где моделирование проводилось только по одной дисциплине и контролем.

 

Список литературы:

  1. Пак, М.С. Методология химико-педагогических исследований/ М.С. Пак// Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена.– СПб. – 2002.
  2. Ахметов, М.А. К методике применения средств наглядности при формировании химических понятий / М.А. Ахметов, О.Н. Исаева, Н.Н. Пильникова //Химия в школе. – 2010 №4 – С.28–31.
  3. Минченков, Е.Е. Общая методика обучения химии / Е.Е. Минченков // Лаборатория знаний. – М., 2015. – 597 с.
  4. Гузик, Н. П. Обучение органической химии / Н.П. Гузик // Лаборатория Просвещение. – М., 1988. – 224 с.

Химия — 10

II РАЗДЕЛ

ПРЕДЕЛЬНЫЕ АЛИФАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Как видно, связи, образованные между атомами углерода и водорода, также направлены к вершинам тетраэдра. Все связи одинаковы и расположены под углом 109°28. Из-за одинаковой длины C — H связи молекула метана приобретает в пространстве тетраэдрическое строение (в форме правильного тетраэдра). Ниже показаны тетраэдрическое строение метана, шаростержневая и шаровая модели молекулы метана.


Тетраэдрическое
строение молекулы метана
Шаростержневая
модель молекулы метана
Шаровая модель
молекулы метана

При образовании других представителей алканов, кроме перекрывания гибридных орбиталей атомов углерода и s орбитали атомов водорода, перекрываются гибридные орбитали атомов углерода между собой. Например, при образовании молекулы этана из четырёх sp3 гибридных орбиталей каждого атома углерода три из этих орбиталей перекрываются с s-орбиталью атома водорода, а одна перекрывается с другой sp3 орбиталью атома углерода (sp3sp3 перекрывание).


Схема образования σ-связей в молекуле этана

Как и в молекуле метана, в молекуле этана все валентные углы составляют 109°28. Длина связи между атомами углерода равна 0,154 нм. Ниже показаны шаростержневая и шаровая модели молекулы этана.


Шаростержневая модель
молекулы этан
Шаровая модель
молекулы этана

молекулярных моделей: шаростержневые модели и модели заполнения пространства | Химия

3.3: Молекулярные модели

Физические модели, представляющие молекулярную архитектуру химических соединений, играют важную роль в понимании химии. Использование молекулярных моделей облегчает визуализацию структур и форм атомов и молекул.

Модель скелета

Более простые двухмерные представления химических соединений выполняются с использованием скелетных моделей.На иллюстрации показан только молекулярный каркас или связи без явного отображения атомов. В этом представлении многие атомы углерода и водорода явно не показаны. Однако положения атомов подразумеваются соединениями или концами связей. Эта модель помогает представлять более крупные и сложные химические структуры.

Шариковый стержень Модель

Шарико-стержневые модели представляют собой трехмерные модели, в которых атомы изображаются в виде шаров или сфер с цветовой кодировкой, характерных для различных элементов.Химические связи, соединяющие атомы, представлены стержнями, и их легче визуализировать. При этом размеры шариков делаются относительно меньшими, тем самым нарушая пропорциональную корреляцию с фактическим размером атома. Тем не менее, шаростержневая модель определяет углы между атомами, четко отображая молекулярную геометрию от простых до более сложных структур по сравнению с другими молекулярными моделями.

Модель для заполнения пространства

Наиболее реалистичны модели заполнения пространства, в которых атомы увеличиваются в размерах, чтобы заполнить пространство между собой.Размер и положение атома в этой модели определяются его связующими свойствами и радиусом Ван-дер-Ваальса, или контактным расстоянием. Радиус Ван-дер-Ваальса описывает, насколько близко два атома могут приблизиться друг к другу, когда их не связывает ковалентная связь. Сферы в этой модели иллюстрируют относительное пространство, занимаемое каждым атомом внутри соединения, в то время как углы между атомами видны нечетко

Впервые разработанное химиками Робертом Кори и Лайнусом Полингом, а затем улучшенное Уолтером Колтуном, цветовое соглашение CPK обозначает определенные цвета для атомов каждого элемента.Например, согласно соглашению CPK, все атомы водорода окрашены в белый цвет, атомы углерода — в черный, атомы азота — в синий, атомы кислорода — в красный, атомы серы — в темно-желтый, а атомы фосфора — в фиолетовый. Щелочноземельные металлы представлены темно-зеленым цветом, а щелочные – фиолетовым.

Например, различные молекулярные модели уксусной кислоты (CH 3 COOH) могут быть представлены следующими способами:

Модель скелета Шарико-стержневая модель Модель для заполнения пространства

 

Этот текст взят из: Openstax, Chemistry 2e, Section 2.4: Химические формулы.


Рекомендуемое чтение

Ball-and-Stick Model – обзор

B. Пептиды на основе апротинина

Об успешном химическом синтезе цельного ингибитора трипсина поджелудочной железы крупного рогатого скота уже сообщалось в начале 1970-х годов. Их проводили как по методу Меррифилда (Noda и др. , 1971; Tan, Kaiser, 1976), так и методом конденсации фрагментов (Yajima, Kiso, 1974).С сегодняшней точки зрения некоторые сомнения в однородности выделенных белков, безусловно, понятны.

Текущий методологический статус хорошо иллюстрируется недавним синтезом апротинина и двух гомологов с тремя или двумя (C5–C55, C30–C51) дисульфидными мостиками, замененными парами остатков α-аминомасляной кислоты. Линейные последовательности были собраны с помощью пошагового твердофазного пептидного синтеза Fmoc, а конечные продукты были охарактеризованы с помощью аминокислотного анализа, секвенирования, масс-спектрометрии с ионным электрораспылением, аналитической высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), капиллярного зонного электрофореза и кругового дихроизма (CD). спектроскопия.Синтетический апротинин и природный ингибитор были неразличимы по всем применяемым критериям (Ferrer et al. , 1992). Таким образом, также доступны надежные способы химического получения апротинина и его гомологов. В последнем случае, однако, могут возникнуть проблемы правильного фолдинга, как это широко известно для гомологов, полученных рекомбинантными методами.

Вернемся теперь к проблеме уменьшения размеров и упрощения структуры, которая уже затрагивалась в предыдущем разделе. В комплексе трипсин-апротинин только 12 из 58 аминокислот ингибитора находятся на расстоянии Ван-дер-Ваальса от остатков фермента. Как хорошо видно из шаростержневой модели на рис. 9, эти остатки расположены в тонкой части апротинина, сгруппированы в две нити, удаленные в линейной последовательности, но удерживаемые вместе в близкой антипараллельной конформации в складчатой ​​последовательности. молекула. Эта часть стабилизирована дисульфидным мостиком, C14–C38, несколькими внутренними водородными связями и каркасом, обеспечиваемым остальной частью молекулы.

Рисунок 9. Проекция α-углеродных атомов ингибитора трипсина бычьей поджелудочной железы. Аминокислотные остатки, взятые за основу построения ингибирующих пептидов (табл. 2), показаны сплошными линиями и обозначены их однобуквенным кодом и номером положения, подчеркнуты те, которые находятся в тесном контакте с ферментом в комплексе трипсин-ингибитор. Пунктирные линии представляют три дисульфидных мостика.

Было предпринято несколько попыток синтезировать небольшие фрагменты апротинина, которые должны сохранять как можно большую ингибирующую активность. Пептиды, которые собраны в Таблице II , содержат некоторые или все 12 контактных остатков и часто имеют круглую форму, чтобы компенсировать потерю жесткости, вызванную удалением апротининового ядра.

Таблица II. Ингибирующая активность пептидов, подражавших амимированием апротинина контактной области

-2 1 M

Первые два модельных соединения, 18 и 19 , являются чрезвычайно слабыми конкурентными ингибиторами трипсина, хотя они уже содержат апротинин-реактивный центр связи K-A и соседний дисульфидный мостик. Ингибирование только немного улучшается, когда пептидная связь между двумя фрагментами закрыта ( 20 ) или когда пептидная цепь с дисульфидным мостиком увеличивается за счет двух остатков R и F ( 21 ) (Weber and Schmid, 1975, 1976; Wiejak and Rzeszotarska, 1974). Круглый гексапептид 22 (Wiejak and Rzeszotarska, 1975) и очень жесткий бициклический гексапептид 23 (Siemion et al. , 1973) не проявляют заметной антитриптической активности.

Константы диссоциации в микромолярном диапазоне достигаются только с пептидом 24 , содержащим все 12 остатков, контактирующих с апротинином (Tan and Kaiser, 1977). Практически такое же ингибирование достигается с помощью более короткого пептида 25 , содержащего мостиковый дипептидный фрагмент -d-фенилаланил-пролил-, который, как предполагается, направляет плотные β-повороты в пептидных структурах. Тот факт, что восстановленный линейный пептид 25 с ацетамидометильными группами на двух цистеинах по-прежнему является ингибитором трипсина ( K D = 5 × 10 -5 M ), может указывать на то, что благоприятная апротининоподобная конформация производится по крайней мере в связанном состоянии (Kitchell and Dyckes, 1982). Пептид 26 был разработан для имитации области контакта с апротинином путем соединения концов двух антипараллельных цепей с использованием фрагмента цистина и остатка глицина соответственно. Однако он лишен какой-либо ингибирующей активности, вероятно, из-за гибкой конформации, которой способствует делеция дисульфидного мостика, примыкающего к предполагаемому реактивному участку.

Следует отметить, что все ингибирующие пептиды подвержены более или менее быстрой деградации протеиназой. Таким образом, оказывается, что, хотя только небольшая часть апротинина непосредственно взаимодействует с трипсином, остальная часть молекулы, обеспечивающая жесткость, необходима для сильного взаимодействия.Огромный разрыв примерно в восемь порядков величины отделяет значение K D наиболее эффективного синтетического пептида от значения природного ингибитора.

Этот вывод подтверждается недавним исследованием линейных ацетилированных пептидных амидов на основе участка реактивного участка апротинина (Deshpande et al. , 1991). Ряд начинается с Ac-GP-NH 2 , соответствующих G12 и P13 апротинина, за которым следует Ac-GPα-аминобутирамид, в котором не встречающийся в природе остаток заменяет C14.Затем цепь удлиняется шаг за шагом на K, A, R, I и I, следуя последовательности апротинина. Слабое ингибирование свиного панкреатического калликреина обнаружено только с пента-, гекса-, гепта- и октапептидом; константа диссоциации последнего ( К D = 1,2 × 10 −4 М ) превышает таковую апротинина более чем на пять порядков. Опять же, жесткость имеет первостепенное значение: измерения ЯМР октапептида подтверждают предполагаемое отсутствие конформации стабильного раствора.

Молекулы в 3D

Молекулы в 3D
Последовательность (PuTatiation P 1 p 1 ‘выделено жирным шрифтом) соответствующие фрагменты апротинина (ср. Рис. 9) K D (трипсиновый комплекс)
18 C14-…-A16,G36-…-C38 2.00273 × 10 -2 1 m
19 G12- … -A16, G36- … -C38 4,9 × 10 0 -2 1 M
20 C14- . .. -C38 2.1 × 10
21
21 G12- … -R17-F-G36- … -C38 4,7 × 10 -4 M
22 K15- … -R17-Y35- … -G37 Нет ингибирования
23 P13-…-K15-G37-…-R39 Без блокировки
24 G12-…-R20-F33-…-A8 1.0022 9.00278 × 10 -6 1 M
25 P13- … -I18-DF-P-Y35- … -R39 2.1 × 10 0 -6 M
26 C-V34-…-G37-A-R39-…-K41-G-Y10-…-P13-A-K15- …-I19-C Без блокировки
Молекулы в 3D

A. Молекулярные модели

Атомы и молекулы настолько малы, что мы не можем увидеть их невооруженным глазом. Для просмотра трехмерных структур молекул мы используем модели. Молекулярные модели, созданные компьютерными программами или физическими моделями, основаны на точных данных, полученных в результате экспериментов. на длины связей, валентные углы и атомные радиусы.Для различения атомов были назначены цвета. (Взгляните на цвета. Держите паутину страница открыта для дальнейшего использования.)

Различные молекулярные модели подчеркивают определенные особенности трехмерного расположения. Например, модель «шар и стержень» помогает визуализировать точные валентные углы. На рисунке А ниже показана шаростержневая модель молекулы водорода. Атомы водорода, показанные белым цветом, соединены друг с другом коротким кусочком пластика. который представляет собой связь между двумя атомами.На рис. B показана та же шаростержневая модель для воды. Как вы видете атом кислорода в центре соединен с двумя атомами водорода. Угол между двумя атомами водорода точен.

Рисунок А Фигура В


Определите каждую из следующих двухатомных молекул. Напишите их названия и химические формулы в листе данных.

Обратите внимание, что эти молекулы показаны в модели заполнения пространства.Он показывает размеры атомов в молекуле. Этот тип модели дает нам представление о размере молекулы.

B. Молекулярные формы

Атомы объединяются в трехмерные агрегаты с определенными молекулярными формами. На форму молекулы влияют следующие факторы: число связей, несвязывающих электронов, атомных радиусов, длины связи и др. Первые два фактора являются результатом электрон-электронного отталкивания. Облигации состоит из двух электронов. Если молекула состоит из 3 атомов, вероятно, что связи между атомами расположены как можно дальше друг от друга, что уменьшает отталкивание.

Рассмотрим пример. Молекула воды состоит из 3 атомов. Из его точечной структуры Льюиса (показана слева) обратите внимание, что есть две связи и две пары несвязывающих электронов (электроны, не используемые в склеивание). Эти несвязывающие электроны помимо того, что занимают место, они отталкивают другие несвязывающие и связывающие электроны. (Какой была бы форма молекулы воды, если бы в ней не было несвязывающих электронов? Наведите указатель мыши на фигуру, чтобы узнать.) Конечным результатом является то, что молекула форма изогнутая .

Ниже показаны некоторые другие молекулярные формы. В листе данных напишите химическую формулу, название и молекулярную форму каждого из них.

Линейный Изогнутый Тригональная планарная
Треугольная пирамида Тетраэдрический


Упражнение:

В свой лист данных напишите химические формулы, названия и молекулярные формы молекул, перечисленных ниже.


С. Алканы

Соединения, состоящие исключительно из углерода и водорода в цепи со всеми одинарными связями, называются алканы. Ниже приведены трехмерные формы первых восьми алканов.

D. Другие молекулы

Есть и другие молекулы, с которыми мы столкнемся в курсе. Полезно познакомиться с их формами. На листе данных нарисуйте их химическую структуру (не забудьте двойные связи) вместе с их названиями.

Бензол Этен или этилен

Метиламин Уксусная кислота или этановая кислота

Ссылки

Станицкий, К.Л., Юбэнкс, Л.П., Миддлкэмп, К.Х. and Stratton, WJ Химия в контексте Применение химии в обществе Американское химическое общество, 2006 г.

Альтернатива шаровидным моделям

J Microbiol Biol Educ. 2014 декабрь; 15(2): 295–296.

Sawyer R. Masonjones

1

1 Департамент биологии, Флорида, Университет Флорида, Гейнсвилл, FL 32601

Хизер Д.

Масонжонес

2 Департамент биологии, Университет Тампа, Тампа, FL 33606

Megan C. Malone

3 Средняя школа Ривервью, Ривервью, Флорида 33569

Энн Х.Williams

2 Департамент биологии, Университет Тампа, Тампа, FL 33606

Margaret M. Beemer

4 Sky Ridge Медицинский центр, Одинокое дерево, CO 80124

Rebecca J. Waggett

2 Биология Факультет, Университет Тампы, Тампа, Флорида 33606

1 Факультет биологии, Университет Флориды, Гейнсвилл, Флорида 32601

2 Факультет биологии, Университет Тампы, Тампа, Флорида 33606

4 High School View , Riverview, FL 33569

4 Медицинский центр Sky Ridge, Lone Tree, CO 80124

* Автор, ответственный за переписку.Почтовый адрес: Университет Тампы, Box U, 401 W. Kennedy Blvd., Tampa, FL 33606. Телефон: 813-257-3801. Факс: 813-258-7496. Электронная почта: ude. [email protected] Copyright © 2014 Автор(ы). Опубликовано Американским обществом микробиологии.
Дополнительные материалы
  • Приложение 1: Молекулярное моделирование Kit Инструкции

  • Приложение 2: Периодическая таблица

  • Приложение 3: Пример урок для использования наборов для простого молекулярного моделирования

GUID: BD81562A- 8BA3-42B7-8606-4E9BCD1A2BCC

ВВЕДЕНИЕ

Для учащихся, изучающих биологию на начальном уровне, одним из наиболее значительных учебных барьеров является отсутствие у них подготовки по химии.На курсах химии в старших классах колледжа студенты используют шарико-стержневые модели для визуализации молекулярных структур, но на вводном уровне биологии модели используются непоследовательно, а на уровне средней школы их вообще избегают. Традиционные шарико-стержневые модели плохо работают на всех уровнях, потому что они показывают только связи, а не валентные электроны. Это создает проблему для студентов, которые являются визуальными или кинестетическими учениками, поскольку моделирование электронов в процессе связывания может иметь решающее значение для понимания механизмов биохимических реакций, которые служат основой для биологических концепций.Наши наборы для молекулярного моделирования показывают действие валентных электронов и правильно решают вопросы полярности и частичного заряда, при этом по-прежнему иллюстрируя структуру и функции, аналогичные моделям шарика и стержня, что позволяет учащимся моделировать почти каждую реакцию или молекулу, которые им могут понадобиться. учить. Кроме того, этот комплект поможет выполнять упражнения по построению моделей, необходимые в рамках научных стандартов следующего поколения.

ПРОЦЕДУРА

В этих наборах атомы моделируются с помощью шариков STYROFOAM, покрытых для повышения прочности (подробности о строительных наборах см. в Приложении 1, а также видео-демонстрацию использования набора на http://www. jht.com/icuf/Science-Math%20Master/Science-Math_Master_Molecules.html). Каждый период в таблице элементов различается по размеру, начиная с шаров диаметром 5 см для первого периода, а затем увеличивая диаметр примерно на 2 см для каждого последующего периода. Мягкие (со стороны петли) патчи VELCRO используются для представления каждой валентной орбитали в периоде (обычно 1 или 4 патча), равномерно распределенных для демонстрации тетраэдрической структуры. Один мягкий пластырь на липучке определенного цвета, «ионный» пластырь, удерживает то, что означает положительный или отрицательный заряд.

Электроны представлены флажками из клейкой ленты с боковыми крючками VELCRO для крепления. Заряды представлены квадратиками изоленты, также с липучками для крепления. Чтобы собрать определенный элемент, валентные электроны размещаются так же, как они размещаются на орбитальной диаграмме в соответствии с принципом исключения Паули: по одному электрону на каждой орбитали, пока все не получат по одному, а затем перемещаются до двух на каждом участке. Только два электрона поместятся на орбитали, и они соединятся вместе, чтобы сформировать прямоугольную форму.

С помощью этих моделей ковалентные, ионные и водородные связи можно моделировать различными способами. Ковалентные связи образуются путем размещения одного орбитального участка на другом с использованием двух электронов для связи, имитируя совместное использование электронов. Двойные и тройные связи выполняются с помощью удлинителей связей (показаны в Приложениях 1 и 2), каждый конец которых имеет мягкую заплату VELCRO (1 × 2 см) на орбитальных заплатах. На каждом атоме присутствует один электрон, и удлинитель связи используется для их соединения. Это повторяется для других вовлеченных связей.

Ионные связи создаются с использованием зарядовых пластин для соединения между ионными пластинами. Например, натрий отдает один электрон хлору, заполняя каждую из их валентных оболочек, но придавая каждой из них заряд. Так, на натрий приходится один положительный (красный) заряд, а на хлор – один отрицательный (синий) заряд (). Затем их можно соединить, соединив два заряда вместе.

На панели А показаны Na и Cl, Na + и Cl , а также ионная связь между ними.Панель B представляет 2 атома H и 1 атом O, а затем H 2 O.

Водородные связи могут образовываться аналогично ионным связям. Когда водород связан с сильно электроотрицательным атомом, может быть добавлен положительный заряд, что означает его частичный положительный заряд. Затем его можно присоединить к любой несвязанной паре электронов на другой полярной молекуле, моделируя места, где образуются частичные отрицательные заряды, как в воде ().

С помощью этих смоделированных элементов и связей можно смоделировать почти любую реакцию.Во время демонстрации на обучающем семинаре для учителей биологии средней школы мы смоделировали нуклеофильное замещение в реакции конденсации между аминокислотами (Приложение 2). Мы продемонстрировали несвязанную электронную пару в аминогруппе, атакующую углерод в карбоксильной группе, промежуточное состояние, а затем уход воды. Эти комплекты можно использовать для моделирования многих других реакций, поскольку по замыслу ученики должны отслеживать электроны и их движение во время реакции.Это то, чего не могут сделать шарико-стержневые модели, но это жизненно важно для понимания органических реакций. Простые упражнения, подходящие для вводных курсов в колледже, проиллюстрированы в Приложении 3, а более сложные тематические исследования также приводятся для расширения охвата междисциплинарных концепций (1).

Поскольку эти наборы отлично иллюстрируют атомную структуру и реакции, крупные процессы, такие как клеточное дыхание, можно моделировать путем образования исходной молекулы и выполнения каждой реакции с образованием промежуточных продуктов, хотя для этого требуется больше времени.Это позволило бы учащимся очень визуально и кинестетически понять широкий спектр жизненных процессов, которые просто невозможно смоделировать с помощью традиционных наборов, поскольку учащиеся могут отслеживать электроны на протяжении всего процесса и «обращаться» с соединениями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эти наборы представляют собой новый способ изучения химии учащимися, начиная с -го класса и заканчивая биохимией. Они опускают традиционные модели шарика и стержня до уровня валентных электронов, чтобы увидеть, что на самом деле происходит в реакциях и при связывании, понятия, которые многие студенты не могут понять.Этот комплект был протестирован с несколькими группами учителей биологии старших классов в рамках гранта Министерства образования Флориды и был хорошо принят, поскольку многие из этих учителей планируют использовать наборы для преподавания понятий химии на уроках биологии. Дальнейшее тестирование эффективности этих наборов проводилось в классе общей биологии из 60 студентов в Университете Тампы, и реакция студентов была исключительно положительной. В результате использования моделей в классе учащиеся потребовали, чтобы наборы для моделирования были доступны для изучения вне класса, что продемонстрировало потребность в кинестетических инструментах для обучения химическим понятиям, неотъемлемым элементом понимания основных биохимических принципов.

Дополнительные материалы

  • Приложение 1: Молекулярное моделирование Набор набор

  • Приложение 2: Периодическая таблица Ключ

  • Приложение 3: Пример Урок для использования наборов для простого молекулярного моделирования

Благодарности

Разработка модуля был поддержан грантом качества учителей Флориды через Государственный совет по образованию Департамента образования Флориды (FLDOE) (Программа профессионального развития магистров естественных наук и математики).Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Разница между мячом и клюшкой и моделью заполнения пространства

Опубликовано Madhu

Ключевое различие между шаром и палкой и моделью заполнения пространства заключается в том, что в модели шара и палки молекулярные структуры изображаются сферами и стержнями, тогда как в пространстве- модели заполнения молекулярные структуры изображаются полноразмерными сферами без стержней.

Мы можем использовать различные молекулярные модели для представления молекулярных структур в виде трехмерных структур. Однако модель мяча и клюшки является наиболее распространенной среди них. Кроме того, модель заполнения пространства также полезна в разных случаях.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и ключевые отличия
2. Что такое модель заполнения пространства
3. Что такое модель мяча и стержня
4. Сравнение бок о бок — модель мяча и клюшки и модели заполнения пространства в табличной форме
5. Резюме

Что такое модель мяча и клюшки?

Модель

Ball and Stick — это молекулярная модель, в которой мы можем изобразить молекулу с помощью сфер и стержней.Сферы представляют атомы молекулы, а стержни дают химические связи между атомами. Это трехмерные структуры. Мы также можем представить двойные и тройные связи, используя эту модель. Мы должны использовать два стержня между двумя сферами, чтобы показать двойную связь, и три стержня между двумя сферами, чтобы показать тройную связь.

Кроме того, мы можем представить и валентные углы. Мы должны расположить связи под правильным углом и правильно расположить сферы, измеряя центры сфер на правильном расстоянии между ними.Часто цвет сферы дает химический элемент атома.

Рисунок 01: Модель шара и стержня, показывающая одинарные связи с одним стержнем и двойную связь с двумя стержнями между двумя атомами (две сферы)

Кроме того, радиус сферы должен быть меньше длины стержня. Таким образом, он обеспечивает четкое представление об атомах и связях между ними. Однако мы не можем получить четкого представления о пространстве, занимаемом моделью.

Что такое модель заполнения пространства?

Space-filling model — это молекулярная модель, в которой мы можем изобразить молекулу с помощью сфер.В отличие от модели шара и палки, в этой модели для представления атомов используются только сферы; нет стержней для представления химических связей между атомами. Вместо этого сферы полноразмерные. В этой модели радиусы сфер пропорциональны радиусам атомов.

Рисунок 02: Модель заполнения пространства показывает эффективную форму молекулы

Межцентровые расстояния сфер также пропорциональны расстояниям между атомными ядрами. Более того, мы можем отображать атомы различных химических элементов разными цветами, чтобы легко отличать их друг от друга.Относительно полезности этой модели; этот тип молекулярных моделей важен для визуализации эффективной формы молекулы и относительного размера молекулы.

В чем разница между мячом и клюшкой и моделью заполнения пространства?

Модель шара и стержня и модель заполнения пространства — два распространенных способа представления трехмерной структуры молекул. Эти две модели отличаются друг от друга в зависимости от способа представления химических связей. Ключевое различие между моделью шара и палки и моделью заполнения пространства заключается в том, что в модели шара и палки молекулярные структуры задаются с помощью сфер и стержней, тогда как в модели заполнения пространства молекулярные структуры задаются в виде полноразмерных сфер без стержни.

Кроме того, мы можем показать двойные связи, тройные связи, валентные углы и т. д., используя модель шара и стержня, но в модели заполнения пространства мы можем показать эффективную форму молекулы и относительный размер молекулы. Таким образом, это также является основным отличием между мячом и клюшкой и моделью заполнения пространства.

Резюме

— Мяч и клюшка против модели заполнения пространства

Модель шара и стержня и модель заполнения пространства — два распространенных способа представления трехмерной структуры молекул.Эти две модели отличаются друг от друга в зависимости от способа представления химических связей. Ключевое различие между шаром и палкой и моделью заполнения пространства заключается в том, что в модели шара и палочки молекулярные структуры изображаются в виде сфер и стержней, тогда как в модели заполнения пространства молекулярные структуры изображаются в виде полноразмерных сфер без стержни.

Артикул:

1. «Модель шарика и стержня». Википедия , Фонд Викимедиа, 9 окт.2019, доступно здесь.

Изображение предоставлено:

1. «Ацетон-3D-шарики» Бена Миллса — собственная работа (общественное достояние) через Commons Wikimedia
2. «Гуанозин-дифосфат-анион-3D-заполнение пространства» Джинто (разговор) — собственная работа Это изображение было создано с помощью Discovery Studio Visualizer (CC0) через Commons Wikimedia

Avogadro: расширенный семантический химический редактор, платформа визуализации и анализа | Journal of Cheminformatics

Графический пользовательский интерфейс

Первое, что увидит большинство людей, — это главное окно приложения Avogadro, как показано на рисунке 4.Двоичные установщики предоставляются для Apple Mac OS X и Microsoft Windows, а также пакеты для всех основных дистрибутивов Linux. Это означает, что Avogadro можно легко установить в большинстве операционных систем. На основном веб-сайте Avogadro [60, 61] также можно найти простые инструкции по компиляции последнего исходного кода для более предприимчивых или тех, кто использует операционную систему, которая еще не поддерживается.

Рисунок 4

Графический пользовательский интерфейс Avogadro. Снято в Mac OS X, показывает интерфейс редактирования молекулы.

Инструментарий Qt позволяет Avogadro работать в трех основных поддерживаемых операционных системах — Linux, Apple Mac OS X и Microsoft Windows. Были реализованы основные функции, ожидаемые от молекулярного конструктора и средства просмотра, а также несколько менее распространенных функций. Новым пользователям очень легко установить Avogado и построить свои первые молекулы за считанные минуты. Благодаря библиотеке Open Babel [51] Avogadro поддерживает большую часть широко используемых форматов химических файлов.Подавляющее большинство этой функциональности было написано с использованием интерфейса, доступного для авторов плагинов, и загружается во время выполнения. Мы обсудим эти интерфейсы плагинов и описания типов плагинов позже.

Семантическая химия

Avogadro с самого начала использовала CML [19, 20] в качестве формата файла по умолчанию; этот формат был выбран среди других форматов файлов из-за расширяемой семантической структуры, обеспечиваемой CML, и поддержки, доступной в Open Babel [51]. Формат CML предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими широко используемыми форматами, включая возможность расширения формата.Это позволяет Avogadro и другим программам быть ориентированными на будущее, добавляя новую информацию и функции, необходимые для расширенного семантически осведомленного редактора, в более позднее время, оставаясь при этом читаемым в более старых версиях Avogadro.

Благодаря использованию Open Babel [51] можно интерпретировать большое количество форматов файлов. При расширении Avogadro для считывания больших объемов выходных данных из квантовых кодов необходимо было выделить значительные ресурсы разработки на понимание и добавление семантического значения в выходные данные квантового кода.Эта работа была разработана в виде плагина, который позже был выделен в небольшую независимую библиотеку под названием OpenQube [62, 63]. Совсем недавно в рамках проекта Quixote [64], JUMBO-Converters и семинара Semantic Physical Science была проделана большая работа по расширению квантовых кодов для вывода большего количества этих данных непосредственно из кода. Поскольку CML можно расширить, можно повторно использовать существующие соглашения для данных о молекулярной структуре и добавить новые соглашения для дополнительных квантовых данных.

Построение молекулы: атом за атомом

После открытия Avogadro появляется окно, подобное показанному на рисунке 4.По умолчанию выбран инструмент рисования. Просто щелкнув левой кнопкой мыши по черной части дисплея, пользователь может нарисовать атом углерода. Если пользователь нажимает левую кнопку мыши и перетаскивает, связанный атом углерода рисуется между начальной точкой и конечной позицией, где мышь отпущена.

Много усилий было потрачено на создание интуитивно понятного инструмента для рисования малых молекул. Общие химические элементы можно выбрать из раскрывающегося списка, или можно отобразить периодическую таблицу для выбора менее распространенных элементов.Щелчок по существующему атому изменяет его на текущий выбранный элемент, перетаскивание изменяет атом обратно на его предыдущий элемент и рисует новый атом, связанный с оригиналом. Если щелкнуть левой кнопкой мыши по облигациям, то порядок связи меняется между одинарным, двойным и тройным. Также доступны сочетания клавиш, например, ввод символа атома (например, «C-o» для кобальта) изменяет выбранный элемент или ввод чисел «1», «2» и «3» изменяет порядок связи.

Щелчок правой кнопкой мыши по атомам или связям удаляет их.Если флажок «Настроить водороды» установлен, количество водородов, связанных с каждым атомом, автоматически регулируется в соответствии с валентностью. Кроме того, это также можно сделать в конце сеанса редактирования, используя расширение «Добавить водороды» в меню сборки.

В дополнение к инструменту рисования есть два инструмента для корректировки положения атомов в существующих молекулах. Инструмент «манипулирование атомами» можно использовать для перемещения атома или группы выбранных атомов. Инструмент «манипулирование связью» можно использовать для выбора связи, а затем различными способами регулировать положение всех атомов относительно выбранной связи (например,г. , изменение длины связи, валентных углов или двугранных углов). Эти три инструмента обеспечивают большую гибкость при построении небольших молекул в интерактивном режиме на экране.

После завершения молекулярной структуры можно использовать расширение силового поля для оптимизации геометрии. При нажатии на «Расширения» и «Оптимизировать геометрию» выполняется быстрая оптимизация геометрии молекулы. Силовое поле и параметры расчета можно настроить, но значения по умолчанию подходят для большинства молекул.Этот рабочий процесс типичен при создании небольших молекулярных структур для использования в качестве входных данных для квантовых расчетов или показателей качества публикации.

Альтернативой является объединение инструмента «Автоматическая оптимизация» с инструментом рисования. Это представляет собой уникальный способ лепки молекулы, в то время как геометрия постоянно минимизируется в фоновом режиме. Оптимизация геометрии анимирована, и эффект изменения порядка связей, добавления новых групп или удаления групп можно наблюдать в интерактивном режиме.

Реализовано несколько диалоговых окон для предоставления информации о свойствах молекулы и для точного изменения параметров, таких как декартовы координаты атомов в молекуле.

Построение молекулы: из фрагментов

Помимо построения молекул по атомам, пользователи могут вставлять предварительно построенные фрагменты общих молекул, лигандов или аминокислотных последовательностей, как показано на рисунке 5. Во всех случаях после вставки фрагмента выбирается инструмент манипулирования с центрированием атомов, что позволяет легко перемещать или поворачивать фрагмент в нужное положение.

Рисунок 5

Диалоги для вставки готовых фрагментов. Слева показаны молекулы, а справа аминокислотные последовательности.

Пользователи также могут вставить строку SMILES [65, 66] для молекулы. В этом случае грубая трехмерная геометрия создается с использованием Open Babel и быстрой оптимизации силового поля.

Подготовка входных данных для квантовых кодов

Для Avogadro было разработано несколько расширений, которые помогают пользователю в подготовке входных файлов для популярных квантовых кодов, таких как GAMESS-US, [67] NWChem, [68] Gaussian, [69] Q-Chem, [70] Молпро, [71] и MOPAC200x [72].Графические диалоги представляют функции, необходимые для выполнения основных квантовых вычислений; некоторые примеры показаны на рисунке 6.

Рисунок 6

Диалоговое окно для генерации входных данных для квантовых кодов. Диалоги для создания входных данных для Q-Chem, NWCchem, Molpro и MOPAC200x. Обратите внимание, что диалоговые окна похожи по интерфейсу, что позволяет пользователям использовать несколько пакетов вычислительной химии.

Предварительный просмотр входного файла в нижней части каждого диалогового окна обновляется по мере изменения параметров.Этот подход помогает новым пользователям квантовых кодов изучить синтаксис входных файлов для различных кодов и быстро создавать полезные входные файлы по мере их изучения. Ввод также можно отредактировать вручную в диалоговом окне, прежде чем файл будет сохранен и отправлен в квантовый код. Расширение MOPAC также может напрямую запускать программу MOPAC200x, если она доступна на компьютере пользователя, а затем перезагружать выходной файл в Avogadro после завершения расчета. Эта функция будет распространена на другие квантовые коды в будущих версиях Avogadro.

Плагин GAMESS-US является одним из наиболее совершенных и включает в себя базовый диалог, присутствующий в большинстве других генераторов входных колод, а также расширенный диалог, раскрывающий многие из более необычных и сложных типов вычислений. В дополнение к расширенному диалоговому окну входную колоду можно редактировать в процессе работы, а также имеется подсветка синтаксиса (рис. 7), используемая во многих популярных редакторах, предназначенных для разработчиков программного обеспечения. Это может указывать на простые опечатки в ключевых словах, а также на более трудные для обнаружения ошибки пробелов, которые в противном случае могли бы привести к сбою отредактированной вручную входной колоды при чтении GAMESS-US.

Рисунок 7

Генератор входной деки GAMESS-US. Этот генератор ввода имеет расширенную панель и подсветку синтаксиса.

Выравнивание и измерения

Одним из специализированных инструментов, включенных в стандартный дистрибутив Avogadro, является инструмент выравнивания. Этот инструмент мыши облегчает выравнивание молекулярной структуры относительно начала координат, если выбран один атом, и вдоль заданной оси, если выбраны два атома. Инструмент выравнивания можно комбинировать с инструментами измерения, выбора и управления для создания входных данных для квантовых кодов, где важны положение и ориентация молекулы.Одним из примеров этого являются расчеты, в которых к молекуле прикладывается внешнее электрическое поле. В этих типах вычислений выравнивание молекулы может иметь большое значение. На рис. 8 показан инструмент измерения в действии с диалоговым окном настройки инструмента выравнивания, которое отображается в левом нижнем углу.

Рисунок 8

Измерительный инструмент. Инструмент измерения, используемый для измерения валентных углов и длин (в Linux с KDE 4).

Можно создавать более сложные инструменты выравнивания для конкретных задач.Инструмент выравнивания был создан всего за несколько часов под конкретный исследовательский проект. Это яркий пример, когда расширяемость была очень важна для проведения исследований с использованием графического инструмента вычислительной химии. Было бы нецелесообразно вкладывать средства в создание нового приложения только для выравнивания молекулярных структур по оси, но создание плагина для расширяемого проекта вполне разумно.

Визуализация

Приложение Avogadro использует OpenGL для интерактивной визуализации молекулярных представлений на экране.OpenGL предлагает высокоуровневый кроссплатформенный API для рендеринга трехмерных изображений с использованием графики с аппаратным ускорением. OpenGL 1.1 и более ранние версии используются в большей части кода рендеринга, поэтому Avogadro можно использовать даже на старых компьютерных системах или без более современной ускоренной графики. Он может использовать некоторые из новых функций, доступных в OpenGL 2.0, как описано ниже, но это было сохранено как необязательная дополнительная функция при работе над новыми визуализациями молекулярной структуры.

Стандартные представления

В химии существует несколько стандартных представлений молекулярной структуры, первоначально основанных на возможностях физических моделей. Приложение Avogadro реализует каждое из этих представлений, показанных на рис. 2, в виде подключаемого модуля. Они варьируются от простого каркасного представления, палочки/солодки, мяча и палочки до сфер Ван-дер-Ваальса.

Также возможно комбинировать несколько представлений, таких как шар и палка с визуализацией кольца (рис. 2 (d)) и полупрозрачное представление Ван-дер-Ваальса, заполняющее пространство, с представлением палочки для пояснения молекулярной основы (рис. 2). (е)).

Квантовые расчеты и электронная структура

Квантовые коды изначально были разработаны для линейных принтеров, и, к сожалению, с тех пор в стандартных файлах журналов мало что изменилось. Существует несколько форматов, разработанных для использования в других кодах и специально для визуализации и анализа, но в сообществе вычислительной квантовой химии нет согласия относительно любого стандартного формата файла. В Avogadro был разработан плагин для визуализации вывода различных квантовых кодов и преобразования данных в нужный формат для дальнейшей визуализации и анализа.

Первоначально в Open Babel была добавлена ​​и расширена поддержка файлов куба Гаусса. Этот формат предоставляет атомарные координаты и одну или несколько регулярно расположенных сеток скалярных значений. Это можно прочитать, и такие методы, как алгоритм марширующих кубов, можно использовать для вычисления треугольных сеток изоповерхностей, например, при значениях плотности электронов. После того, как был разработан код для визуализации этих изоповерхностей, стало ясно, что было бы полезно иметь возможность вычислять эти кубы на лету и с различными уровнями детализации в зависимости от предполагаемого использования.

Первый формат, который был несколько задокументирован во время его разработки, — это формат контрольных точек по Гауссу. Этот формат намного легче анализировать, чем файлы журналов, созданные во время работы программы, и предоставляет все детали, необходимые для расчета скалярных значений молекулярной орбитали или плотности электронов в любой точке пространства. После того, как структура классов была разработана для орбиталей гауссового типа, этот подход был расширен для чтения в нескольких других популярных форматах выходных файлов, включая Q-Chem, GAMESS-US, NWChem и Molpro.Поддержка MOPAC200x была добавлена ​​позже, наряду с поддержкой формата AUX и орбиталей типа Слейтера, используемых в этом коде. Все эти коды выводят свои окончательные конфигурации, используя стандартную линейную комбинацию атомных орбиталей, а это означает, что распараллеливание чрезвычайно просто.

Этот подключаемый модуль был разработан для использования преимущества подхода уменьшения карты, предлагаемого QtConcurrent, для использования всех доступных процессорных ядер. Это обеспечивает почти линейное масштабирование, поскольку каждая точка сетки может быть рассчитана независимо от всех других точек, результаты чего можно увидеть на рисунке 9.Альтернативный подход к вычислению молекулярных орбиталей был разработан во втором плагине, который с тех пор был выделен в отдельный проект под названием «OpenQube». Библиотека «OpenQube» также была добавлена ​​в качестве дополнительной серверной части в VTK во время Google Summer of Code 2011, обеспечивая поддержку нескольких форматов выходных файлов и вычисление кубических файлов, которые впоследствии можно будет использовать в более продвинутых конвейерах данных.

Рисунок 9

Молекулярные орбитали и поверхности. Визуализация изоповерхности молекулярной орбиты (слева) и электростатического поверхностного потенциала, нанесенного на карту электронной плотности (справа).

Для квантового вывода предусмотрена иерархия классов со стандартным API. Добавление поддержки новых кодов включало разработку нового синтаксического анализатора и обеспечение заполнения набора Гаусса или Слейтера правильным порядком и ожидаемой схемой нормализации. Поддерживаются гауссовские орбитали s-, p- и d-типа, а поддержка f и g запланирована для поддержки растущего числа вычислений с использованием этих орбиталей более высокого порядка. Обмен базисными наборами, поддерживаемый EMSL, обеспечивает доступ к широко используемым базисным наборам, хотя в настоящее время эти базисные наборы обычно считываются непосредственно из выходных файлов.Существует несколько связанных проектов для добавления семантического значения к этому типу вывода, в том числе проект JUMBO-Converters и Quixote. Есть надежда, что в будущем больше кодов будут использовать семантический вывод с использованием общего формата, чтобы упростить обмен данными, проверку и анализ в нескольких кодах. Это было предметом недавней встречи с несколькими кодами вычислительной химии, которые начали использовать FoX для вывода CML. Началась разработка кода для чтения в выводе CML либо непосредственно из кодов, либо путем преобразования других форматов с использованием Open Babel или JUMBO-Converters.Если в CML можно добавить достаточно семантической структуры, а преобразователи поддерживают достаточно большой диапазон выходных данных, это может заменить большую часть кода синтаксического анализа, присутствующего в OpenQube. Семантическое значение является одним из самых сложных для извлечения из файлов журналов, и объединение в сообщество поможет таким проектам, как Avogadro, извлечь больше смысла из выходных данных этих кодов.

Вторичная биологическая структура

Авогадро использует программу чтения PDB от Open Babel для чтения вторичной биологической структуры.Для обработки и отображения этой информации существуют два плагина. Первый — это плагин, который визуализирует простую трубку между атомами скелета биомолекулы. Второй, более продвинутый плагин, вычисляет сетки для альфа-спиралей и бета-листов. В то время как первый плагин работает намного быстрее, расширенный плагин более точно выдает результаты, ожидаемые в полевых условиях. Это позволяет пользователям гибко отображать вторичные биологические структуры.

GLSL, новая визуализация

GLSL, или язык шейдеров OpenGL, представляет собой C-подобный синтаксис, который можно использовать для разработки кода, который будет работать на графических картах и ​​включен в OpenGL 2.0 спецификация. Он успешно используется в игровой индустрии, а также во многих областях визуализации данных. В нескольких недавних работах подчеркивается потенциал химии, такой как QuteMol [5], в добавлении поддержки таких функций, как окружающее затенение, для добавления глубины изображениям.

Avogadro поддерживает программы вершинных и фрагментных шейдеров, и несколько примеров включены в пакет. Если графическая карта пользователя позволяет, эти программы можно загружать во время выполнения и использовать с большим эффектом для визуализации структуры.Некоторые из них включают в себя методы суммирования, такие как визуализация изоповерхности, при которой видны только края, ортогональные плоскости обзора, что дает гораздо лучшую визуализацию как молекулярной, так и электронной структуры (рис. 10).

Рис. 10

Рендеринг молекулярных орбиталей с использованием шейдеров GLSL. Рендеринг изоповерхности молекулярных орбиталей с использованием двух шейдеров GLSL для выделения краев поверхностей. Рентгеновский эффект (слева) и красный и синий (справа) показывают положительные и отрицательные формы молекулярных орбиталей.

Трассировка лучей

Avogadro использует абстракцию рисовальщика, которая значительно упрощает разработчикам добавление новых типов отображения. Он также абстрагирует средство визуализации, позволяя добавить поддержку альтернативных серверных частей. В настоящее время поддерживаются только OpenGL и POV-Ray. Благодаря абстракции мы можем использовать неявные поверхности, доступные в трассировщиках лучей, для визуализации молекулярной структуры с очень высоким уровнем четкости и без каких-либо артефактов треугольника, присутствующих в стандартных визуализированных изображениях OpenGL.Гораздо более высокое качество прозрачности и отражения также позволяет использовать изображения в постерных и устных презентациях, а также в исследовательских статьях (рис. 11).

Рисунок 11

Изоповерхности ВЗМО с трассировкой лучей различной кубической плотности. Рендеринг изоповерхности молекулярной орбиты с помощью POV-Ray с кубами низкой (слева) и высокой (справа) плотности.

Эта функция реализована в расширении с дополнительным классом рисовальщика, производным от базового класса, и диалоговым окном, позволяющим пользователю редактировать основные элементы управления визуализацией.Входной файл POV-Ray также можно сохранить и отредактировать для создания более сложных изображений или для более точного управления процессом рендеринга, если это необходимо.

Библиотека Avogadro в использовании

Библиотека Avogadro впервые использовалась в приложении Avogadro, за которым последовала программа периодической таблицы Kalzium, которая является частью коллекции программного обеспечения KDE. Эта первоначальная работа была частично профинансирована программой Google Summer of Code в 2007 году, а также привела к добавлению нескольких других функций в библиотеку Avogadro для поддержки Kalzium и общей визуализации и редактирования молекулярной структуры (рис. 12).

Рисунок 12

Приложение Kalzium в KDE использует Avogadro для рендеринга молекулярных структур.

Пакет Q-Chem [70] разработал «QUI — пользовательский интерфейс Q-Chem» [73] вокруг Avogadro, первоначально как расширение Avogadro. Это более продвинутая версия генератора входных данных, разработанного в Avogadro, с гораздо более тесной интеграцией. Компания Molpro [71] также опубликовала некоторые результаты своей разработки интерфейса Molpro с использованием библиотеки Avogadro [74].

Packmol

Packmol — сторонний пакет, предназначенный для создания исходных «упакованных» конфигураций молекул для молекулярной динамики или других симуляций [75, 76]. Примеры включают окружение белка растворителем, смесями растворителей, липидными бислоями, сферическими мицеллами, размещением противоионов, добавлением лигандов к наночастицам и т. д. Как правило, пользователи могут иметь уравновешенные «боксы с растворителем», которые были запущены для длительного моделирования, чтобы обеспечить надлежащую плотность, и как короткодействующие, так и дальнодействующие взаимодействия между молекулами растворителя.Использование таких боксов с растворителями позволяет поместить молекулы растворенных веществ, например белков, в примерно правильную исходную структуру, как показано на рис. 13. Растворенное вещество добавляется в бокс, а молекулы растворителя с перекрывающимися атомами удаляются. Хотя этих утилит часто достаточно, создание сложных входных файлов не всегда просто. Для более сложных систем Packmol может создать начальную конфигурацию на основе определенных плотностей, геометрии (например, сфера, коробка и т. д.) и молекул, которые необходимо разместить.Разработчик Avogadro написал внешний плагин для облегчения использования Packmol, в том числе для оценки количества молекул в заданном объеме.

Рисунок 13

Липидный слой PackMol, созданный расширением PackMol.

Плагин в настоящее время не распространяется с Avogadro в качестве стандартной функции, хотя это планируется в какой-то будущей версии. Это служит примером того, как Avogadro может упростить рабочий процесс с помощью текстового пакета (Packmol), включая сохранение файлов в формате PDB, требуемом Packmol, создание входного файла и чтение вывода для визуализации, анализа и дальнейшего моделирования. .

XtalOpt

Программный пакет XtalOpt [77, 78] реализован как стороннее расширение C++ для Avogadro и активно использует API libavogadro. Расширение реализует эволюционный алгоритм, адаптированный для предсказания кристаллической структуры. Команда разработчиков XtalOpt выбрала Avogadro в качестве платформы из-за его лицензии с открытым исходным кодом, хорошо разработанного API, мощных инструментов визуализации и интуитивно понятного пользовательского интерфейса. XtalOpt существует в виде диалогового окна (рис. 14) и использует главное окно Avogadro для визуализации структур-кандидатов по мере их развития.API хорошо подходит для нужд XtalOpt, предоставляя простой механизм, позволяющий пользователю просматривать, редактировать и экспортировать структуры, сгенерированные во время поиска. XtalOpt, использующий кроссплатформенные возможности Avogadro и его зависимостей, доступен для Linux, Windows и Mac.

Рисунок 14

Расширение XtalOpt. Расширение XtalOpt, показывающее график зависимости стабильности от хода поиска суперячейки TiO 2 .

Пример шарико-стержневой модели молекулы (S)-2-бутанола и…

Контекст 1

… используют два основных типа пространственных представлений трехмерных пространственных структур: модели и диаграммы. Такие модели, как шаростержневая модель молекулы, показанная на рис. 1а, и настольные модели солнечной системы в астрономии, напрямую представляют трехмерные пространственные отношения между частями референтной структуры. Диаграммы, напротив, представляют три измерения в двух измерениях печатной страницы, поэтому обычно показывают определенную перспективу или проекцию трехмерного объекта и часто используют соглашения для представления трех измерений в двух измерениях….

Контекст 2

… является важным элементом органических соединений. Ряд связанных атомов углерода создает непрерывную цепь, известную как углеродный скелет (обозначенный на рисунке 1b), к которому присоединены другие атомы и группы атомов (называемые заместителями). Вращение заместителей (таких как OH или NH 2 ) вокруг связи приводит к различным конформациям молекулы, но не меняет идентичность или химические свойства молекулы. …

Контекст 3

… & Simon, 1987), но они изображают молекулу с трех разных точек зрения и следуют различным соглашениям для представления трехмерных отношений в двух измерениях печатной страницы. На диаграммах Дэш-клин молекула ориентирована горизонтально (вид сбоку), пунктирные линии представляют связи, входящие в страницу, клиновидные линии представляют связи, выходящие из страницы, а сплошные линии представляют связи в плоскости страницы ( см. рисунок 1b). В проекциях Фишера два центральных атома углерода основной цепи ориентированы вертикально в плоскости бумаги.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.