Farkas Ödön és Gáspári Zoltán Molecular Informatics lecture T.O.C.

Átírás

1 Farkas Ödön és Gáspári Zoltán Molecular Informatics lecture T.O.. 1., istory; Representation of molecules I. 2. Representation of molecules II. 3. Representation of molecules and their reactions 4. Databases in hemistry I. 5. Databases in hemistry II. Search in databases 6. Modeling I. 7. Modeling, docking II. 8. Data management 9. Structure/activity relationship 10. Drug discovery 1

2 Farkas Ödön és Gáspári Zoltán Molecular Informatics gyakorlat Tematika 1. Data available on the internet, databases; Representation, file formats 2. Programing environment for chemical informatics 3. Modeling in practice 4. Data mining, building and validating models 2

3 Experimental hemistry Molecular Informatics Location Preparative hemistry Spectroscopy Structure determination Separation Reaction kinetics Biochemistry Drug design, etc. h e m i c a l i n f o r m a t I c s omputational, theoretical chemistry Theory Quantum hrmistry Theoretical structural studies Molecular modeling, etc. Optimization algorithm for molecular mechanics - Newton-Raphson step The basis of the most commonly used quasi-newton related optimization methods is the Newton-Raphson step. It has the following form with the projected MM essian: q x t qfq B B t t B B fq B B B f MM MM x t t S B MMB fx PTR B MMB fx We need a bit complicated way for calculating the established force change related to the actual internal coordinate step ( q ): t t S t B MMB B B B q f x 3

4 Molecular Informatics Locating Quantum chemistry, computational chemistry hemistry Quantum mechanics Biology Kémiai informatika Bioinformatics 4

5 Molecular informatics Why molecular? Number of known compunds Organic Inorganic ~ ~ ? The number of possible carbon containing compunds with separate identities is practically infinit, most of molecular chemistry is under the umbrella of organic chemistry.? 5

6 Locating molecular chemistry in terms of temperature T ( K ) The core of Sun Molekuláris kémia The surface of Sun The core of Earth The surface of Earth Space 0 6

7 Molecular chemistry Athe cause of variability: extremly complicated potential energy surface Transitional states Stable structures 7

8 Insight into the history of organic chemistry Idő Személy Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet ~ Boyle Lavoisier Dalton korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis Liebig Wöhler Berzelius ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend Liebig, Wöhler Dumas benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet 1848 Pasteur optikailag tiszta borkősav enantiomerek elválasztása optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria Gerhardt, Laurent Frankland típuselmélet vegyértékfogalom , ouper, Butlerov van t off, Le Bel benzol szerkezete képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 8

9 Insight into the history of organic chemistry Idő Személy Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet ~ Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria hidrogén optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete Type theory l sósav : benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása metán O víz N ammónia korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 9

10 Insight into the history of organic chemistry Idő Személy Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet ~ Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel O 2 ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria 3 ouper benzol szerkezete Formula writing benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet The changes of the structural formula of the ethanol optikailag tiszta enantiomerek elválasztása borkősav with chemical formula 2 6 O 3 2 O Butlerov optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet O 1870-től vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 10

11 Insight into the history of organic chemistry Idő Személy Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet Which one is correct? ~ Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel s dream: the structure of benzene ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása Structural formulas for benzene, 6 6 Melyik az igazi? korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 11

12 Insight into the history of organic chemistry Idő Személy Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet ~ Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland metán, ouper, Butlerov methane van t off, Le Bel ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria optikailag tiszta borkősav R benzol szerkezete Stereochemistry Q Y X benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása Y X Q enantiomer pár enatiomeric pair R korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet R Q X Y vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 12

13 Insight into the history of organic chemistry Idő Személy Anyagismeret Reakciók, technikák Elmélet ~ Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete Stereochemistry benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása eptahelicene, conformational enantiomers korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia 13

14 Insight into the history of organic Tautomerization chemistry Idő Személy onstitutional Anyagismeret isomerism based Reakciók, on the placement technikák of ydrogens Elmélet ~ Boyle Lavoisier Dalton Liebig Wöhler Berzelius Liebig, Wöhler Dumas Pasteur Gerhardt, Laurent Frankland, ouper, Butlerov van t off, Le Bel ezüst-cianát ezüst-fulmiát izomeria more stable optikailag tiszta borkősav benzol szerkezete benzaldehid átalakítása szubsztitúciós reakciók enantiomerek elválasztása More stable korpuszkula-elmélet kémiai elem atom hipotézis azonos összegképlet, különböző kapcsolódási sorrend dualista gyökelmélet dualista gyökelmélet optikai aktivitás oka a molekuláris disszimetria típuselmélet vegyértékfogalom képletírás, struktúratan, szerkezeti képlet tetraéderes vegyértékek, sztereokémia Dynamic equilibrium of constitutional izomers (like keto enol tautomerism): 14

15 What is the molecule ow to visualize? - X-ray eyes: Methane Ammonia Water - Eyes of the chemist: 15

16 What is this molecule? Ethanol 16

17 Molecular informatics Ways of treating problems 1. The theoretical foundation of molecular chemistry is quantum mechanics but the direct use of quantum mechanics for solving real-life chemical problems is usually not practical. owever, quantum chemistry and molecular modeling with the use of approximations can expand the limits of theoretical treatment of chemical problems. (deductive approach) 2. hemical systems, problems are not easy to be trated via the tools of informatics. urrently, the most efficent way is using analogies instead of building theories. owever, this needs the collection, storage and management of a huge amount data. (inductive approach) 17

18 Molecular informatics hallenges The primary task for a chemist is to synthesize compounds with the required properties. property structure structure-, activity, property relationship (Q)SAR, (Q)SPR structure reactants reaction design synthesis product structure determination 18

19 Molecular informatics istory Structural databases The National Bureau of Standards develops a method for finding matching molecular structures based on a substructure (substructure search). NSF supports hemical Abstracts Service (AS) from 1960 to work out methods for storing, managing data related to chemical structures and information. ompanies in the chemical and drug industry starts up their own databases. Structure-activity relationships ammet and Taft (1950s), ansh (1964-), Free-Wilson (1964). The primary goal is to predict biological activities. Drug industry Molecular modeling End of 1960s: visualization of 3D structures on display, the first molecular mechanics forcefields appear. Structure determination Stanford, DENDREL project for mass spectorscopy. Reaction design 1967 reaction database, University of Sheffield computer aided reaction design, arvard University 19

20 Molecular informatics Some locally accessible computer program hemaxon ( independent of operating system MarvinSketch Drawing molecules omputations are through plugins MarvinView Display molecules MarvinSpace Display structure, biomolecular applications Jhem / Instant Jhem Database management for chamical structures, reactions Reaction design ambridgesoft hemoffice, Windows applications Integrated chemical informatics applications Gaussian Quantum chemical program package 20