Page 76 - Perdih, Andrej, Katja Lakota, Alja Prah. 2020. Strukture bioloških molekul. Univerzitetni učbenik z recenzijo in navodila za vaje. Koper: Založba Univerze na Primorskem.
P. 76
andrej perdih, katja lakota, alja prah
Velikokrat tridimenzionalne strukture bioloških molekul obravnavamo tudi z računskimi
metodami, da lahko pridobimo vpogled v njihovo strukturo in funkcijo, ki je povezana na primer
s konformacijskimi spremembami ali z vezavo različnih ligandov. To področje teoretičnih
raziskav imenujemo tudi računska kemija (ang. computational chemistry), kjer raziskujemo s
pomočjo računalnika. Pogosto za tak tip raziskav uporabljamo tudi izraz molekulsko
modeliranje (ang. molecular modelling) kot krovni izraz za teoretične metode in tehnike, ki
omogočajo opisovanje in simuliranje strukture in obnašanja atomov in molekul. Da bomo lahko
razumeli, kako uporabljamo te metode pri študiju 3D stukture bioloških molekul, se bomo
najprej seznanili s osnovami molekulskega modeliranja, ki jih bomo potrebovali za poglobljeno
razumevanje.
1. VIZUALIZACIJA MOLEKUL IN BIOMOLEKUL
Molekulska grafika se ukvarja z grafično predstavitvijo molekulskih modelov. Omogoča prikaz
oz. vizualizacijo 3D modelov atomov in molekul, uporabljamo pa jo tudi, kot bomo videli, za
predstavitev drugih rezultatov računov z molekulami, kot so simulacije molekulske dinamike,
kvantnokemijskih računov, molekulskega sidranja, farmakofornega modeliranja itd.
Molekulsko modeliranje se prične z izgradnjo tridimenzionalnega molekulskega modela, ki
predstavlja atomistično predstavitev strukture obravnavane molekule. Za gradnjo 3D
molekulskega modela uporabimo gradnike, tj. atome, ki jih s pomočjo grafičnega vmesnika
povežemo med seboj s standardnimi geometrijami, znanimi medatomskimi razdaljami, tipi
hibridizacije in valenčnimi koti. Pri takšnem pristopu izgradnje tridimenzionalnih modelov
moramo previdno definirati vse parametre strukture, kot so povezanost atomov, stereokemija
ter tavtomerija, saj vse nadaljnje računske operacije temeljijo na kvaliteti teh vhodnih
podatkov. Spodaj je predstavljen primer take gradnje molekule.
Primer
Gradnja 3D konformacije 4-etil-metoksifenila s pomočjo grafičnega vmesnika.
Druga možnost pridobitve začetnih koordinat 3D molekulskega modela je uporaba
eksperimentalnih struktur, ki jih pridobimo s prej obravnavanimi metodami rentgenske
difrakcije (X-ray) ali pa NMR spektroskopije. Ta način pogosto uporabljamo takrat, ko z
metodami molekulskega modeliranja preučujemo biološke makromolekule - encime,
receptorje, DNA, RNA, včasih pa tudi pri raziskavah majhnih organskih molekul.
76
Velikokrat tridimenzionalne strukture bioloških molekul obravnavamo tudi z računskimi
metodami, da lahko pridobimo vpogled v njihovo strukturo in funkcijo, ki je povezana na primer
s konformacijskimi spremembami ali z vezavo različnih ligandov. To področje teoretičnih
raziskav imenujemo tudi računska kemija (ang. computational chemistry), kjer raziskujemo s
pomočjo računalnika. Pogosto za tak tip raziskav uporabljamo tudi izraz molekulsko
modeliranje (ang. molecular modelling) kot krovni izraz za teoretične metode in tehnike, ki
omogočajo opisovanje in simuliranje strukture in obnašanja atomov in molekul. Da bomo lahko
razumeli, kako uporabljamo te metode pri študiju 3D stukture bioloških molekul, se bomo
najprej seznanili s osnovami molekulskega modeliranja, ki jih bomo potrebovali za poglobljeno
razumevanje.
1. VIZUALIZACIJA MOLEKUL IN BIOMOLEKUL
Molekulska grafika se ukvarja z grafično predstavitvijo molekulskih modelov. Omogoča prikaz
oz. vizualizacijo 3D modelov atomov in molekul, uporabljamo pa jo tudi, kot bomo videli, za
predstavitev drugih rezultatov računov z molekulami, kot so simulacije molekulske dinamike,
kvantnokemijskih računov, molekulskega sidranja, farmakofornega modeliranja itd.
Molekulsko modeliranje se prične z izgradnjo tridimenzionalnega molekulskega modela, ki
predstavlja atomistično predstavitev strukture obravnavane molekule. Za gradnjo 3D
molekulskega modela uporabimo gradnike, tj. atome, ki jih s pomočjo grafičnega vmesnika
povežemo med seboj s standardnimi geometrijami, znanimi medatomskimi razdaljami, tipi
hibridizacije in valenčnimi koti. Pri takšnem pristopu izgradnje tridimenzionalnih modelov
moramo previdno definirati vse parametre strukture, kot so povezanost atomov, stereokemija
ter tavtomerija, saj vse nadaljnje računske operacije temeljijo na kvaliteti teh vhodnih
podatkov. Spodaj je predstavljen primer take gradnje molekule.
Primer
Gradnja 3D konformacije 4-etil-metoksifenila s pomočjo grafičnega vmesnika.
Druga možnost pridobitve začetnih koordinat 3D molekulskega modela je uporaba
eksperimentalnih struktur, ki jih pridobimo s prej obravnavanimi metodami rentgenske
difrakcije (X-ray) ali pa NMR spektroskopije. Ta način pogosto uporabljamo takrat, ko z
metodami molekulskega modeliranja preučujemo biološke makromolekule - encime,
receptorje, DNA, RNA, včasih pa tudi pri raziskavah majhnih organskih molekul.
76
