Modèle de remplissage d'espace - Space-filling model

Cet article traite d'un sujet de chimie. Pour les courbes de remplissage d'espace en géométrie, voir Courbe de remplissage d'espace .
Un modèle de remplissage d'espace du n -octane , l' hydrocarbure à chaîne droite (normal) composé de 8 carbones et 18 hydrogènes, formules: CH 3 CH 2 (CH 2 ) 4 CH 2 CH 3 ou C
8 H
18 . Notez que le représentant montré est celui d'une seule «pose» conformationnelle d'une population de molécules, qui, en raison des faibles barrières énergétiques de Gibbs à la rotation autour de ses liaisons carbone-carbone (donnant à la «chaîne» carbone une grande flexibilité), est normalement composée de un très grand nombre de conformations de ce type différentes (par exemple, en solution).
Un exemple d'un modèle tridimensionnel remplissant l'espace d'une molécule complexe, le THC , l'agent actif de la marijuana.

En chimie , un modèle de remplissage d'espace , également connu sous le nom de modèle de calotte , est un type de modèle moléculaire tridimensionnel (3D) où les atomes sont représentés par des sphères dont les rayons sont proportionnels aux rayons des atomes et dont le centre-à -les distances au centre sont proportionnelles aux distances entre les noyaux atomiques , tous à la même échelle. Les atomes de différents éléments chimiques sont généralement représentés par des sphères de couleurs différentes.

Les modèles de calotte remplissant l'espace sont également appelés modèles CPK après les chimistes Robert Corey , Linus Pauling et Walter Koltun , qui, au fil du temps, ont développé le concept de modélisation sous une forme utile. Ils se distinguent des autres représentations 3D, telles que les modèles boule-et-bâton et squelette , par l'utilisation des sphères de remplissage d'espace «pleine grandeur» pour les atomes. Ils sont utiles pour visualiser la forme effective et les dimensions relatives de la molécule, ainsi que les formes de surface qu'un conformère statique donné pourrait présenter. D'un autre côté, ces modèles masquent les liaisons chimiques entre les atomes et rendent difficile la vision de la structure de la molécule qui est obscurcie par les atomes les plus proches du spectateur dans une pose particulière. Pour cette raison, de tels modèles sont d'une plus grande utilité s'ils peuvent être utilisés dynamiquement, en particulier lorsqu'ils sont utilisés avec des molécules complexes (par exemple, voir la meilleure compréhension de la forme des molécules donnée lorsque le modèle THC est cliqué pour tourner).

Histoire

Les modèles de remplissage d'espace naissent d'un désir de représenter des molécules de manière à refléter les surfaces électroniques que les molécules présentent, qui dictent leur interaction, les unes avec les autres (ou avec les surfaces, ou les macromolécules telles que les enzymes, etc.). Les données cristallographiques sont le point de départ pour comprendre la structure moléculaire statique, et ces données contiennent les informations rigoureusement requises pour générer des représentations de remplissage d'espace (par exemple, voir ces modèles cristallographiques ); le plus souvent, cependant, les cristallographes présentent les emplacements des atomes dérivés de la cristallographie via des " ellipsoïdes thermiques " dont les paramètres de coupure sont fixés par commodité à la fois pour montrer les emplacements des atomes (avec anisotropies ) et pour permettre la représentation des liaisons covalentes ou d'autres interactions entre les atomes comme des lignes. En bref, pour des raisons d'utilité, les données cristallographiques sont historiquement apparues dans des présentations plus proches des modèles boule-et-bâton. Par conséquent, alors que les données cristallographiques contiennent les informations nécessaires pour créer des modèles de remplissage d'espace, il est resté pour les individus intéressés par la modélisation d'une forme statique efficace d'une molécule, et l'espace qu'elle occupait, et les façons dont elle pourrait présenter une surface à une autre molécule, pour développer le formalisme montré ci-dessus.

En 1952, Robert Corey et Linus Pauling ont décrit des modèles à l'échelle précise de molécules qu'ils avaient construites à Caltech . Dans leurs modèles, ils envisageaient la surface de la molécule comme étant déterminée par le rayon de van der Waals de chaque atome de la molécule, et fabriquaient des atomes comme des sphères en bois dur de diamètre proportionnel au rayon de van der Waals de chaque atome , à l'échelle 1 pouce = 1 Å . Pour permettre des liaisons entre les atomes, une partie de chaque sphère a été coupée pour créer une paire de faces plates correspondantes, avec les coupes dimensionnées de telle sorte que la distance entre les centres des sphères soit proportionnelle aux longueurs des types standard de liaisons chimiques. Un connecteur a été conçu - une bague métallique qui se visse dans chaque sphère au centre de chaque face plate. Les deux sphères ont ensuite été fermement maintenues ensemble par une tige métallique insérée dans la paire de douilles opposées (avec fixation par vis). Les modèles avaient également des caractéristiques spéciales pour permettre la représentation des liaisons hydrogène .

Un exemple de modèle 3D remplissant l'espace d'une simple molécule, le dioxyde de soufre , SO 2 , montrant la surface de potentiel électrostatique , calculée pour la molécule à l'aide de la suite logicielle Spartan d' outils de chimie computationnelle . Il est ombré du bleu pour les zones électropositives au rouge pour les zones électronégatives . La surface a été générée en calculant l'énergie d'interaction d'une charge positive ponctuelle sphérique (par exemple, un proton, H + ) avec les atomes de la molécule et les électrons de liaison, dans une série d'étapes de calcul discrètes. Ici, la surface électrostatique souligne la déficience électronique de l'atome de soufre, suggérant des interactions dans lesquelles il pourrait s'engager et des réactions chimiques qu'il pourrait subir.
Un exemple de modèle 3D de remplissage d'espace d'une macromolécule très complexe , une protéine , l' adrénorécepteur β2 couvrant la membrane cellulaire , un récepteur couplé à une protéine G , dans cette image, vue comme si elle regardait vers le bas sur la surface extracellulaire. La surface de potentiel électrostatique a été appliquée à un modèle avec des positions d'atome déterminées par cristallographie ( code PDB 2RH1); la surface électrostatique a été calculée à l'aide du logiciel gratuit Adaptive Poisson-Boltzmann Solver (APBS). Il est à nouveau ombré en bleu pour les zones électropositives et en rouge pour les zones électronégatives . Un peu apparent, dans une représentation en bâton en jaune, rouge et bleu, dans une rainure au sommet du récepteur , est un ligand de petite molécule qui lui est lié , l'agent carazolol , un agoniste inverse partiel qui, par cette liaison, antagonise la liaison du ligand normal, le neurotransmetteur / hormone épinéphrine . En réponse à l' adrénaline de liaison , ce récepteur, en conjonction avec un canal calcique de type L , intervient dans les réponses physiologiques telles que la relaxation des muscles lisses et la bronchodilatation . Toutes ces interactions de liaison et la fonction du récepteur dans la transduction du signal sont médiées par des effets électrostatiques, et dans le travail de structure moderne, elles sont souvent étudiées en utilisant des modèles de remplissage d'espace similaires.

En 1965, Walter L. Koltun a conçu et breveté un système simplifié avec des atomes de plastique moulés de différentes couleurs , qui étaient reliés par des connecteurs à pression spécialement conçus; ce système plus simple accomplissait essentiellement les mêmes fins que le système Corey-Pauling et permettait le développement des modèles en tant que moyen populaire de travailler avec des molécules dans des environnements de formation et de recherche. Ces modèles de remplissage d'espace de type van der Waal à code couleur, définis par la longueur de liaison, sont maintenant communément appelés modèles CPK, d'après ces trois développeurs du concept spécifique.

Dans les efforts de recherche modernes, l'attention est revenue sur l'utilisation de modèles cristallographiques riches en données en combinaison avec des méthodes de calcul traditionnelles et nouvelles pour fournir des modèles de remplissage d'espace de molécules, à la fois simples et complexes, où des informations supplémentaires telles que les parties de la surface de la molécule étaient facilement accessibles au solvant , ou comment les caractéristiques électrostatiques d'une représentation remplissant l'espace - qui dans le cas du CPK sont presque entièrement laissées à l'imagination - pourraient être ajoutées aux modèles visuels créés. Les deux images de clôture donnent des exemples de ce dernier type de calcul et de représentation, et de son utilité.

Voir également

Les références

Liens externes

Galerie

Un modèle de remplissage d'espace du cyclohexane C
6 H
12 . Les atomes de carbone, partiellement masqués, sont en gris et les atomes d' hydrogène sont présentés sous forme de sphères blanches.