Gráficos moleculares

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Los gráficos moleculares son la disciplina y filosofía que estudia las moléculas y sus propiedades mediante representaciones gráficas. La IUPAC limita la definición a las representaciones en un "dispositivo de visualización gráfica". Desde los átomos de Dalton y el benceno de Kekulé, ha habido una rica historia de átomos y moléculas dibujados a mano, y estas representaciones han tenido una influencia importante en los gráficos moleculares modernos.

Los gráficos moleculares en color se utilizan a menudo en las portadas de revistas de química con fines artísticos.

Historia

Antes de que se utilizaran gráficos de computadora para representar la estructura molecular, Robert Corey y Linus Pauling desarrollaron un sistema para representar átomos o grupos de átomos de madera dura en una escala de 1 pulgada = 1 angstrom conectados por un dispositivo de sujeción para mantener la configuración molecular. Estos primeros modelos también establecieron el esquema de coloración CPK que todavía se utiliza hoy en día para diferenciar los diferentes tipos de átomos en los modelos moleculares (por ejemplo, carbono = negro, oxígeno = rojo, nitrógeno = azul, etc.). Este modelo inicial fue mejorado en 1966 por W.L. Koltun y ahora se conocen como modelos Corey-Pauling-Koltun (CPK).

Los primeros intentos de producir modelos de estructura molecular fueron realizados por el Proyecto MAC, utilizando modelos de estructura alámbrica que se mostraban en un tubo de rayos catódicos a mediados de los años 60. En 1965, Carroll Johnson distribuyó el gráfico de elipsoide térmico de Oak Ridge (ORTEP), que visualizaba las moléculas como un modelo de esferas y barras con líneas que representaban los enlaces entre átomos y elipsoides para representar la probabilidad de movimiento térmico. Los gráficos de elipsoide térmico se convirtieron rápidamente en el estándar de facto utilizado en la visualización de datos de cristalografía de rayos X, y todavía se utilizan ampliamente en la actualidad. El primer uso práctico de los gráficos moleculares fue una simple visualización de la proteína mioglobina utilizando una representación de estructura alámbrica en 1966 por Cyrus Levinthal y Robert Langridge, que trabajaban en el Proyecto MAC.

Entre los hitos de los gráficos moleculares de alto rendimiento se encuentra el trabajo de Nelson Max en la representación "realista" de macromoléculas utilizando esferas reflectantes.

Un par de gafas de obturador CrystalEyes

Al principio, gran parte de la tecnología se centraba en los gráficos 3D de alto rendimiento. Durante la década de 1970, se desarrollaron métodos para mostrar gráficos 3D mediante tubos de rayos catódicos utilizando gráficos informáticos de tono continuo en combinación con dispositivos de visualización con obturador electroóptico. Los primeros dispositivos utilizaban un sistema 3D de obturador activo, que generaba diferentes vistas en perspectiva para el canal izquierdo y derecho para proporcionar la ilusión de una visión tridimensional. Las gafas de visión estereoscópica se diseñaron utilizando cerámica de titanato de zirconato de plomo y lantano (PLZT) como elementos de obturador controlados electrónicamente. Las gafas 3D activas requieren pilas y funcionan en conjunto con la pantalla para cambiar activamente la presentación de las lentes a los ojos del usuario. Muchas gafas 3D modernas utilizan un sistema 3D pasivo y polarizado que permite al usuario visualizar efectos 3D en función de su propia percepción. Las gafas 3D pasivas son más comunes hoy en día, ya que son menos costosas.

Los requisitos de la cristalografía macromolecular también impulsaron los gráficos moleculares porque las técnicas tradicionales de construcción de modelos físicos no podían escalarse. Las dos primeras estructuras de proteínas resueltas mediante gráficos moleculares sin la ayuda de la Caja de Richards se construyeron con el programa FIT de Stan Swanson en la pantalla de gráficos Vector General en el laboratorio de Edgar Meyer en la Universidad Texas A&M: primero Marge Legg en el laboratorio de Al Cotton en A&M resolvió una segunda estructura de mayor resolución de la nucleasa de estafilococo (1975) y luego Jim Hogle resolvió la estructura de la lisozima monoclínica en 1976. Pasó un año completo antes de que se utilizaran otros sistemas de gráficos para reemplazar la Caja de Richards para modelar la densidad en 3-D. El programa FRODO de Alwyn Jones (y más tarde "O") se desarrollaron para superponer la densidad electrónica molecular determinada a partir de la cristalografía de rayos X y la estructura molecular hipotética.

Timeline

Desarrollado(s) Fecha aproximada Tecnología Comentarios
Crystallographers ▪ 1960 Tirado a mano Estructuras de cristal, con átomo oculto y eliminación de lazos. A menudo proyecciones clinográficas.
Johnson, madre. c.1970Pen plotter ORTEP, PLUTO. Muy ampliamente desplegado para la publicación de estructuras de cristal.
Cyrus Levinthal, Bob Langridge, Ward, Stots 1966 Proyecto MAC sistema de visualización, dos grados de libertad, muelle de velocidad de retorno para girar la imagen. Primera pantalla de proteínas en pantalla. Sistema para la construcción interactiva de estructuras de proteínas.
Barry 1969 Computador LINC 300 con una pantalla de osciloscopio dual. Sistema de visualización de la estructura molecular interactiva. Ejemplos tempranos de rotación dinámica, profundidad de intensidad·cate y estéreo lateral a lado. Uso temprano de las aproximaciones de ángulo pequeño (a = pecado a, 1 = por a) para acelerar los cálculos de rotación gráfica.
Ortony 1971 Diseñado un visor estéreo (British patent appl. 13844/70) para gráficos de computadora molecular. El espejo horizontal de dos vías (half-silvered) combina imágenes dibujadas en las mitades superiores e inferiores de una TRC. Los polarizadores cruzados aíslan las imágenes a cada ojo.
Ortony 1971 Bolígrafo ligero, cangrejo. Sistema de visualización de la estructura molecular interactiva. Seleccione el enlace girando otro botón hasta que el vínculo deseado se encienda en secuencia, una técnica más tarde utilizada en el sistema MMS-4 abajo, o seleccionando con el lápiz de luz. Los puntos en el espacio se especifican con un "bug" 3-D bajo control dinámico.
Barry, Graesser, Marshall 1971 CHEMAST: El ordenador LINC 300 conduce un osciloscopio. Joystick de dos ejes, similar a uno usado más adelante por GRIP-75 (bajo). Sistema de visualización de la estructura molecular interactiva. Estructuras giradas dinámicamente utilizando el joystick.
Tountas y Katz 1971 Adage AGT/50 display Sistema de visualización de la estructura molecular interactiva. Matemáticas de rotación anidada y de rotación de laboratorio-espacio.
Perkins, Piper, Tattam, White 1971 Honeywell DDP 516 ordenador, EAL TR48 ordenador analógico, osciloscopio Lanelec, 7 potenciómetros lineales. Stereo. Sistema de visualización de la estructura molecular interactiva.
Wright 1972 GRIP-71 en UNC-CH: IBM System/360 Model 40 time-shared computer, IBM 2250 display, botones, lápiz ligero, teclado. Manipulación discreta y relajación energética de las estructuras de proteínas. El código del programa se convirtió en la base del sistema GRIP-75 a continuación.
Barry and North 1972 Universidad de Oxford: Ferranti Argus 500 ordenador, Ferranti modelo 30 pantalla, teclado, pista bola, un botón. Stereo. Sistema de solución cristalográfica de gran molécula. La bola de pista gira un enlace, el botón ilumina la molécula vs. mapa de densidad de electrones.
North, Ford, Watson Principios de 1970 Universidad de Leeds: DEC PDP·11/40 ordenador, pantalla Hewlett-Packard. 16 botones, teclado, joystick de retorno de primavera. Stereo. Sistema de solución cristalográfica de gran molécula. Seis nubos rotan y traducen una pequeña molécula.
Barry, Bosshard, Ellis, Marshall, Fritch, Jacobi 1974 MMS-4: Universidad de Washington en St. Louis, ordenador LINC 300 y pantalla LDS-1 / LINC 300, módulos de visualización personalizados. Rotación joystick, pomos. Stereo. Sistema de solución cristalográfica de gran molécula. Seleccione el enlace para rotar girando otro botón hasta que el enlace deseado se encienda en secuencia.
Cohen y Feldmann 1974 DEC PDP-10 ordenador, Pantalla de entrada, botones de empuje, teclado, botones Sistema de solución cristalográfica de gran molécula.
Stellman 1975 Princeton University: ordenador PDP-10, pantalla LDS-1, pomos Sistema de solución cristalográfica de gran molécula. Mapa de densidad de electrones no se muestra; en lugar de una figura de mérito "H Factor" se actualiza como la estructura molecular se manipula.
Collins, Cotton, Hazen, Meyer, Morimoto 1975 CRYSNET, Texas A plagaM Univ. DEC PDP-11/40 ordenador, Vector General Serie 3 pantalla, botones, teclado. Stereo. Sistema de solución cristalográfica de gran molécula. Variedad de modos de visualización: rocking, spinning y varios modos de visualización estéreo.
Cornelius y Kraut 1976 (aprox.) University of California at San Diego: DEC PDP-11/40 emulator (CalData 135), Evans y Sutherland Picture System display, teclado, 6 cubos. Stereo. Sistema de solución cristalográfica de gran molécula.
(Yale Univ.) 1976 (aprox.) PIGS: DEC PDP-11/70 ordenador, Evans y Sutherland Picture System 2 display, data tablet, pomos. Sistema de solución cristalográfica de gran molécula. La tableta fue utilizada para la mayoría de las interacciones.
Feldmann y Porter 1976 NIH: DEC PDP-11/70 computer. Evans y Sutherland Picture System 2 pantalla, pomos. Stereo. Sistema de visualización de la estructura molecular interactiva. Intended to display interactively molecular data from the AMSOM – Atlas of Macromolecular Structure on Microfiche.
Rosenberger et al. 1976 MMS-X: Universidad de Washington en St. Louis, ordenador TI 980B, Hewlett-Packard 1321A display, terminal de video Beehive, módulos de visualización personalizados, par de joysticks de retorno de resorte 3-D, pomos. Prototipo (y posterior exitoso) sistema de solución cristalográfica de gran molécula. Sucesor del sistema MMS-4 arriba. Los joysticks de retorno de resorte 3-D traducen y giran la estructura molecular para ver o una subestructura molecular para el ajuste, modo controlado por un interruptor de toggle.
Britton, Lipscomb, Pique, Wright, Brooks 1977 GRIP-75 en UNC-CH: Time-shared IBM System/360 Model 75 computer, DEC PDP 11/45 computer, Vector General Series 3 display, 3-D movement box from A.M. Noll and 3-D spring return joystick for substructure manipulation, Medi Systems nested joystick, knobs, sliders, buttons, keyboard, light pen. Primera solución cristalográfica de gran molécula.
Jones 1978 FRODO y RING Max Planck Inst., Alemania, RING: DEC PDP-11/40 y Siemens 4004 computadoras, Vector General 3404 pantalla, 6 botones. Solución de estructura cristalográfica de gran molécula. FRODO puede haber corrido en un DEC VAX-780 como un seguimiento a RING.
Diamante 1978 Bilder Cambridge, Inglaterra, DEC PDP-11/50 ordenador, Evans y Sutherland Picture System display, tablet. Solución de estructura cristalográfica de gran molécula. Toda la entrada es por la tableta de datos. Estructuras moleculares construidas en línea con geometría ideal. Más tarde pasa los lazos estirados con idealización.
Langridge, White, Marshall A finales de 1970 Sistemas departamentales (PDP-11, pantallas Tektronix o DEC-VT11, por ejemplo MMS-X) Mezcla de cálculo de productos básicos con pantallas tempranas.
Davies, Hubbard Mid-1980s CHEM-X, HYDRA Sistemas de laboratorio con dispositivos multicolores, raster y vectoriales (Sigmex, PS300).
Biosym, Tripos, Polygen Mid-1980s PS300 y terminales mudas de menor costo (VT200, SIGMEX) Paquetes de modelado y visualización integrados comerciales.
Gráficos de silicona, Sol A finales de 1980 Estaciones de trabajo IRIS GL (UNIX) Estaciones de trabajo de usuario único con precio de productos básicos con pantalla estereoscópica.
EMBL - Lo que si 1989, 2000 Máquina independiente Casi gratis, multifuncional, todavía totalmente compatible, muchos servidores gratuitos basados en él
Sayle, Richardson 1992, 1993 RasMol, Kinemage Plataforma independiente MG.
MDL (van Vliet, Maffett, Adler, Holt) 1995-1998 Chime propietario C++; plugin de navegador gratuito para Mac (OS9) y PCs
MolSoft 1997–presente ICM-Browser propietario; descarga gratuita para Windows, Mac y Linux.
1998- MarvinSketch " MarvinView. MarvinSpace (2005) propietario Aplicación Java applet o independiente.

Tipos

Modelos de bolas y palillos

Una molécula de ácido pamidrónico, como dibuja el programa Jmol. El hidrógeno es blanco, el carbono es gris, el nitrógeno es azul, el oxígeno es rojo y el fósforo es naranja.

En el modelo de esferas y barras, los átomos se dibujan como pequeñas esferas conectadas por barras que representan los enlaces químicos entre ellas.

Modelos de relleno de espacio

Modelo de llenado de espacio de ácido formico. El hidrógeno es blanco, el carbono es negro y el oxígeno es rojo.

En el modelo de relleno de espacio, los átomos se dibujan como esferas sólidas para sugerir el espacio que ocupan, en proporción a sus radios de van der Waals. Los átomos que comparten un enlace se superponen entre sí.

Superficies

Una molécula de agua dibujada con una isosurfa potencial electrostático sombreada. Las áreas destacadas en rojo tienen una densidad neta de carga positiva, y las áreas azules tienen una carga negativa.

En algunos modelos, la superficie de la molécula se aproxima y se sombrea para representar una propiedad física de la molécula, como la densidad de carga electrónica.

Diagramas de cinta

Imagen de hemagglutinina con helices alfa representados como cilindros y el resto del polipéptido como bobinas de plata. Los átomos individuales del polipéptido han sido ocultos. Todos los átomos no-hidrógeno en los dos ligandos se muestran cerca de la parte superior del diagrama.

Los diagramas de cinta son representaciones esquemáticas de la estructura de las proteínas y son uno de los métodos más comunes de representación de proteínas que se utilizan en la actualidad. La cinta muestra la ruta general y la organización de la estructura principal de la proteína en 3D y sirve como un marco visual en el que colgar detalles de la estructura atómica completa, como las bolas para los átomos de oxígeno unidos al sitio activo de la mioglobina en la imagen adyacente. Los diagramas de cinta se generan interpolando una curva suave a través de la estructura principal del polipéptido. Las hélices α se muestran como cintas enrolladas o tubos gruesos, las hebras β como flechas y las espirales o bucles no repetitivos como líneas o tubos delgados. La dirección de la cadena polipeptídica se muestra localmente mediante las flechas y puede indicarse en general mediante una rampa de color a lo largo de la cinta.

Véase también

  • Modelo molecular
  • Modelado molecular
  • Geometría molecular
  • Molecule editor
  • Software
    • Software gráfico molecular
    • Software de modelado mecánico molecular
    • Software de diseño molecular

Referencias

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  • Luminary Series Entrevista con Robert Langridge Entrevista de Russ Altman y diapositivas históricas.
  • Historia de la visualización de macromoléculas biológicas por Eric Martz y Eric Francoeur.
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