Molekulare Grafiken

Molekulare Grafiken ist die Disziplin und Philosophie des Studiums Moleküle und ihre Eigenschaften durch grafische Darstellung.[1] IUPAC Begrenzt die Definition auf Darstellungen auf einem "grafischen Anzeigvorrichtung".[2] Seitdem DaltonAtome und Kekulé's BenzolEs gab eine reiche Geschichte von handgezeichneten Atomen und Molekülen, und diese Darstellungen haben einen wichtigen Einfluss auf die modernen molekularen Grafiken.

Farbmolekulare Grafiken werden häufig in künstlerischer Weise auf dem Chemie -Journal -Cover verwendet.[3]

Geschichte

Vor der Verwendung von Computergrafiken bei der Darstellung der molekularen Struktur, Robert Corey und Linus Pauling entwickelte ein System zur Darstellung von Atomen oder Gruppen von Atomen aus hartem Holz auf einer Skala von 1 Zoll = 1 Angstrom verbunden durch ein Klemmgerät, um die molekulare Konfiguration aufrechtzuerhalten.[4] Diese frühen Modelle etablierten auch die CPK Färbung Schema, das heute noch verwendet wird, um die verschiedenen Arten von Atomen in molekularen Modellen zu unterscheiden (z. B. Kohlenstoff = Schwarz, Sauerstoff = Rot, Stickstoff = blau usw.). Dieses frühe Modell wurde 1966 von W.L. Koltun und jetzt als Corey-Pauling-Kololtun (CPK) -Modelle bekannt.[5]

Die frühesten Bemühungen zur Herstellung von Modellen der molekularen Struktur wurden von durchgeführt Projekt MAC Verwendung Drahtrahmenmodelle auf a angezeigt Kathodenstrahlröhre Mitte der 1960er Jahre. 1965 verteilte Carroll Johnson die Oak Ridge Thermal Ellipsoid -Diagramm (Ortep) das visualisierte Moleküle als Ball-and-Stick-Modell mit Linien, die die Bindungen zwischen Atomen und Ellipsoiden darstellen, um die Wahrscheinlichkeit der Wärmebewegung darzustellen.[6] Thermische Ellipsoid -Diagramme wurden schnell zum de facto Standard, der in der Anzeige von verwendet wird Röntgenkristallographie Daten und werden heute noch in großer Bedeutung.[6] Die erste praktische Verwendung molekularer Grafiken war eine einfache Anzeige der Protein Myoglobin Verwenden einer Drahtrahmendarstellung im Jahr 1966 von Cyrus Levinthal und Robert Langridge arbeitet bei Project Mac.[7]

Unter den Meilensteinen in Hochleistungsmolekulargrafiken befand sich die Arbeit von Nelson Max in "realistisch" Rendern von Makromoleküle Verwenden reflektierend Kugeln.

Ein Paar Crystaleyes -Shutterbrillen

Zunächst ein Großteil der Technologie konzentrierte sich auf Hochleistungs 3D -Grafik.[8] In den 1970er Jahren Methoden zur Anzeige von 3D -Grafiken mithilfe Kathodenstrahlröhren wurden unter Verwendung von kontinuierlichen Toncomputergrafiken in Kombination mit elektrooptischen Verschlussgeräten entwickelt.[9] Die ersten Geräte verwendeten eine Active Shutter 3D -SystemErzeugen Sie unterschiedliche Perspektivansichten für den linken und rechten Kanal, um die Illusion einer dreidimensionalen Betrachtung zu ermöglichen. Stereoskopische Betrachtungsbrillen wurden unter Verwendung von Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat-Keramik (PLZT) als elektronisch kontrollierte Verschlusselemente entworfen.[10] Aktive 3D -Brillen erfordern Batterien und arbeiten zusammen mit dem Display, um die Präsentation durch die Objektive in die Augen des Trägers aktiv zu ändern. Viele moderne 3D -Brillen verwenden einen passiven, Polarisiertes 3D -System Dadurch kann der Träger 3D -Effekte basierend auf seiner eigenen Wahrnehmung visualisieren. Passive 3D -Brillen sind heute häufiger, da sie günstiger sind.[11]

Die Anforderungen von Makromolekulare Kristallographie Auch molekulare Grafiken, da die traditionellen Techniken des physikalischen Modellaufbaus nicht skalieren konnten. Die ersten beiden Proteinstrukturen, die durch molekulare Grafiken ohne Hilfe der Richards 'Box gelöst wurden löste eine zweite Struktur mit höherer Auflösung von Staph. Nuclease (1975) und dann Jim Hogle lösten die Struktur von monoklinisch Lysozym 1976. Ein ganzes Jahr, bevor andere Grafiksysteme verwendet wurden, um die Richards-Box für die Modellierung in Dichte in 3-D zu ersetzen. Das Frodo -Programm von Alwyn Jones (und später "O") wurde entwickelt, um das Molekular zu überlagern Elektronendichte bestimmt aus Röntgenkristallographie und der hypothetischen molekularen Struktur.

Zeitleiste

Entwickler (en) Geschätztes Datum Technologie Kommentare
Kristallografer < 1960 Handgemalt Kristallstrukturen mit verstecktem Atom und Bindungsentfernung. Oft klinografische Projektionen.
Johnson, Motherwell c.1970 Stiftplotter Ortep, Pluto. Sehr weit verbreitet für die Veröffentlichung von Kristallstrukturen.
Cyrus Levinthal, Bob Langridge, Ward, Stots[12] 1966 Project Mac Display-System, zwei Grad der Freiheit, Spring-Return-Geschwindigkeits-Joystick zum Drehen des Bildes. Erstes Proteindisplay auf dem Bildschirm. System zum interaktiven Aufbau von Proteinstrukturen.
Barry[13] 1969 Linc 300 Computer mit einer Doppelspur -Oszilloskop -Anzeige. Interaktiver Molekularstruktur -Betrachtungssystem. Frühe Beispiele für dynamische Rotation, Intensitätstiefe · Cueing und Side-by-Side-Stereo. Frühe Verwendung der kleinen Winkelnäherungen (a = sin a, 1 = cos a), um grafische Rotationsberechnungen zu beschleunigen.
Ortony 1971 Entwarf einen Stereo -Viewer (British Patent Appl. 13844/70) für molekulare Computergrafiken. Der horizontale Zwei-Wege-Spiegel (halb silvert) kombiniert Bilder, die auf den oberen und unteren Hälften einer CRT gezeichnet sind. Gekreuzte Polarisatoren isolieren die Bilder zu jedem Auge.
Ortony[14] 1971 Leichter Stift, Knopf. Interaktiver Molekularstruktur -Betrachtungssystem. Wählen Sie Bond aus, indem Sie einen weiteren Knopf drehen, bis die gewünschte Bindung nacheinander leuchtet, eine Technik, die später auf dem unten stehenden MMS-4-System verwendet wird oder mit dem leichten Stift pflücken. Punkte im Raum werden unter dynamischer Kontrolle mit einem 3-D-Fehler angegeben.
Barry, Graesser, Marshall[15] 1971 Chemast: Linc 300 Computer, das ein Oszilloskop antreibt. Zwei-Achsen-Joystick, ähnlich einem, der später von GRIP-75 (unten) verwendet wurde. Interaktiver Molekularstruktur -Betrachtungssystem. Strukturen drehten sich dynamisch mit dem Joystick.
Tountas und Katz[16] 1971 Sprichwort AGT/50 Display Interaktiver Molekularstruktur -Betrachtungssystem. Mathematik der verschachtelten Rotation und zur Rotation des Laborraums.
Perkins, Piper, Tattam, weiß[17] 1971 Honeywell DDP 516 Computer, EAL TR48 Analog Computer, Lanelec -Oszilloskop, 7 lineare Potentiometer. Stereo. Interaktiver Molekularstruktur -Betrachtungssystem.
Wright[18][19][20] 1972 GRIP-71 AT UNC-CH: IBM System/360 Model 40 Time-Shared Computer, IBM 2250 Display, Tasten, leichter Stift, Tastatur. Diskrete Manipulation und Energierelaxation von Proteinstrukturen. Der Programmcode wurde zur Grundlage des unten stehenden GRIP-75-Systems.
Barry und North[21] 1972 Oxford Univ.: Ferranti Argus 500 Computer, Ferranti Model 30 Display, Tastatur, Spurball, ein Knopf. Stereo. Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem. Die Spurkugel dreht sich um eine Bindung, Knopf hellt das Molekül gegen Elektronendichtekarte auf.
Norden, Ford, Watson Frühe 1970er Jahre Leeds Univ.: DEC PDP · 11/40 Computer, Hewlett-Packard-Display. 16 Knöpfe, Tastatur, Frühlingsrückgang Joystick. Stereo. Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem. Sechs Knöpfe drehen sich und übersetzen ein kleines Molekül.
Barry, Bosshard, Ellis, Marshall, Fritch, Jacobi 1974 MMS-4:[22][23] Washington Univ. In St. Louis, Linc 300 Computer und einem LDS-1 / Linc 300-Display, benutzerdefinierte Anzeigemodule. Rotations -Joystick, Knöpfe. Stereo. Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem. Wählen Sie Bond aus, um sich zu drehen, indem Sie einen weiteren Knopf drehen, bis die gewünschte Bindung nacheinander aufleuchtet.
Cohen und Feldmann[24] 1974 DEC PDP-10-Computer, Sprichwortanzeige, Drucktasten, Tastatur, Knöpfe Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem.
Stellman[25] 1975 Princeton: PDP-10-Computer, LDS-1-Display, Knöpfe Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem. Elektronendichtekarte nicht gezeigt; Stattdessen wird eine "H -Faktor" -Verginierungsbildung aktualisiert, wenn die molekulare Struktur manipuliert wird.
Collins, Baumwolle, Hazen, Meyer, Morimoto 1975 Crysnet,[26] Texas A & M Univ. DEC PDP-11/40 Computer, Vektor General Series 3-Display, Knöpfe, Tastatur. Stereo. Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem. Vielfalt der Betrachtungsmodi: Schaukel, Spinnen und mehrere Stereo -Anzeigemodi.
Cornelius und Kraut 1976 (ca.) Univ, von Kalifornien in San Diego: DEC PDP-11/40-Emulator (Caldata 135), Evans und Sutherland Bildsystem-Display, Tastatur, 6 Knöpfe. Stereo. Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem.
(Yale Univ.) 1976 (ca.) Schweine: DEC PDP-11/70 Computer, Evans und Sutherland Picture System 2 Display, Datentablette, Knöpfe. Prototyp großer Molekül kristallographischer Strukturlösungssystem. Das Tablet wurde für die meisten Interaktionen verwendet.
Feldmann und Porter 1976 NIH: DEC PDP - 11/70 Computer. Evans und Sutherland Bildsystem 2 Display, Knöpfe. Stereo. Interaktiver Molekularstruktur -Betrachtungssystem. Beabsichtigt, interaktiv molekulare Daten aus dem AMSOM -Atlas der makromolekularen Struktur auf Mikrofiche anzuzeigen.[27]
Rosenberger et al. 1976 MMS-X:[28] Washington Univ. In St. Louis, Ti 980b Computer, Hewlett-Packard 1321A-Display, Bienenstock-Videoterminal, benutzerdefinierte Displaymodule, Paar 3-D-Spring-Return-Joysticks, Knöpfe. Prototypen (und später erfolgreicher) kristallographischer Strukturlösungssystem mit großem Molekül. Nachfolger des MMS-4-Systems oben. Die 3-D-Federrücklauf-Joysticks übersetzen und drehen die molekulare Struktur zum Betrachten oder eine molekulare Unterstruktur zum Anpassung, der durch einen Kippschalter gesteuert wird.
Britton, Lipscomb, Pique, Wright, Brooks 1977 Grip-75[20][29][30][31][32] bei UNC-CH: Zeitübertragung IBM System/360 Modell 75 Computer, DEC PDP 11/45 Computer, Vektor General Series 3 Display, 3-D-Bewegungsbox von BIN. Noll und 3-D-Frühlingsrückgabe-Joystick für die Manipulation von Unterstrukturen, Messsysteme verschachtelte Joystick, Knöpfe, Schieberegler, Knöpfe, Tastatur, leichter Stift. Erste Lösung für kristallographische Struktur mit großer Moleküle.[33]
Jones 1978 Frodo und Ring[34][35] Max Planck Inst., Deutschland, Ring: DEC PDP-11/40 und Siemens 4004 Computer, Vector General 3404 Display, 6 Knöpfe. Kristallographische Strukturlösung mit großer Moleküle. Frodo hat möglicherweise auf einem DEC VAX-780 als Follow-On-Ring-Ring ausgeführt.
Diamant 1978 Bilder[36] Cambridge, England, DEC PDP-11/50 Computer, Evans und Sutherland Bildsystem Display, Tablet. Kristallographische Strukturlösung mit großer Moleküle. Die gesamte Eingabe erfolgt nach Datenplet. Molekulare Strukturen, die online mit idealer Geometrie gebaut wurden. Spätere Pässe strecken Bindungen mit Idealisierung.
Langridge, weiß, Marshall Ende der 1970er Jahre Abteilungssysteme (PDP-11, Tektronix Zeigt oder dec-vt11, z. MMS-X) Mischung aus Commodity Computing mit frühen Anzeigen.
Davies, Hubbard Mitte der 1980er Jahre Chem-X, Hydra Laborsysteme mit mehrfarbigen, Raster- und Vektorgeräten (Sigmex, PS300).
Biosym, Tripos, Polygen Mitte der 1980er Jahre PS300 und niedrigere Kosten dumme Terminals (VT200, Sigmex) Kommerzielle integrierte Modellierung und Anzeigepakete.
Siliziumgrafik, Sonne Ende der 1980er Jahre Iris GL (UNIX) Workstations Ein-Benutzer-Workstationen mit stereoskopischer Anzeige.
Embl - WAS WÄRE WENN 1989, 2000 Maschinell unabhängig Fast kostenlos, multifunktional, immer noch vollständig unterstützt, viele kostenlose Server basieren darauf
Sayle, Richardson 1992, 1993 Rasmol, Kinemage Plattformunabhängige mg.
Mdl (Van Vliet, Maffett, Adler, Holt) 1995–1998 Chime proprietär C ++; Kostenloses Browser -Plugin für Mac (OS9) und PCs
Molsoft 1997 - present ICM-Browser proprietär; Kostenloser Download für Windows, Mac und Linux.[37][38]
1998- Marvinsketch & Marvinview. Marvinspace (2005) proprietär Java Applet oder eigenständige Anwendung.

Typen

Ball-and-Stick-Modelle

Ein Molekül von Pamidronsäure, wie von der gezeichnet JMOL Programm. Wasserstoff ist weiß, Kohlenstoff ist grau, Stickstoff- ist blau, Sauerstoff ist rot und Phosphor ist orange.

Im Ball-and-Stick-Modell werden Atome als kleiner Kulissen gezeichnet, die durch Stäbe verbunden sind, die die chemischen Bindungen zwischen ihnen darstellen.

Raumfüllungsmodelle

Raumfüllungsmodell von Ameisensäure. Wasserstoff ist weiß, Kohlenstoff ist schwarz und Sauerstoff ist rot.

Im raumfüllenden Modell werden Atome als feste Kugeln gezeichnet, um den Raum zu vermuten, den sie einnehmen, im Verhältnis zu ihrer Van der Waals Radien. Atome, die eine Bindung überlappen, überlappen sich miteinander.

Oberflächen

A Wasser Molekül mit schattiertem Molekül elektrostatisches Potential ISOS -Oberfläche. Die in Rot hervorgehobenen Bereiche haben ein Netto -positiv Ladungsdichteund die blauen Bereiche haben eine negative Ladung.

In einigen Modellen wird die Oberfläche des Moleküls angenähert und schattiert, um eine physikalische Eigenschaft des Moleküls wie die elektronische Ladungsdichte darzustellen.[39][40]

Banddiagramme

Bild von Hämagglutinin mit Alpha -Helices als Zylinder und der Rest des Polypeptids als Silberspulen dargestellt. Die einzelnen Atome des Polypeptids wurden verborgen. Alle Nicht-Hydrogen-Atome in beiden Liganden werden in der Nähe der Oberseite des Diagramms gezeigt.

Banddiagramme sind schematische Darstellungen von Proteinstruktur und sind eine der häufigsten Methoden zur Proteindarstellung, die heute verwendet wird. Das Band zeigt den Gesamtweg und die Organisation des Protein Rückgrats in 3D und dient als visuelles Gerüst, um Details der vollständigen Atomstruktur aufzuhängen Bild. Banddiagramme werden erzeugt, indem eine glatte Kurve durch die interpoliert wird Polypeptid Rückgrat. α-Helices werden als gewickte Bänder oder dicke Röhrchen dargestellt, β-Stränge als Pfeile und nicht repetitive Spulen oder Schleifen als Linien oder dünne Röhrchen. Die Richtung der Polypeptidkette wird lokal durch die Pfeile dargestellt und kann insgesamt durch eine Farbrampe entlang der Länge des Bandes angezeigt werden.[41]

Siehe auch

Verweise

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Externe Links