분자 모형

Molecular model

분자 모델은 분자와 그 과정을 나타내는 물리적인 모델이다. 분자 특성과 행동의 수학적 모델의 생성은 분자 모델링이며, 그 그래픽 묘사는 분자 그래픽이지만, 이러한 주제들은 밀접하게 연결되어 있고 각각 다른 주제들의 기법을 사용한다. 이 글에서 "분자 모델"은 주로 둘 이상의 원자를 포함하고 핵 구조가 방치되는 시스템을 가리킬 것이다. 전자 구조도 생략하거나 고도로 정교하게 표현되는 경우가 많다.

개요

원자론적 시스템의 물리적 모델은 화학을 이해하고 가설을 생성하고 테스트하는 데 중요한 역할을 해왔다. 비록 비누 필름과 다른 연속 매체와 같은 다른 접근법이 유용했음에도 불구하고, 가장 일반적으로 원자의 명시적인 표현이 있다. 물리적 모델을 만드는 데는 다음과 같은 몇 가지 동기가 있다.

  • 학생 또는 원자 구조에 익숙하지 않은 학생을 위한 교육 도구로서,
  • 이론을 생성하거나 테스트할 대상(예: DNA 구조)으로서,
  • 아날로그 컴퓨터(예: 플렉시블 시스템의 거리와 각도 측정용)로서,
  • 예술과 과학의 경계에 있는 미적으로 즐거운 물건으로

물리적인 모델의 구축은 종종 창조적인 행동이며, 많은 맞춤형 사례들이 과학부의 워크숍에서 조심스럽게 만들어지고 있다. 물리적 모델링에 대한 접근방식은 매우 광범위하며, 이 기사는 가장 보편적이거나 역사적으로 중요한 것만을 열거하고 있다. 주 스트라테기는 처음에는 교과서와 연구 기사에서, 최근에는 컴퓨터에서도 사용되었다. 분자 그래픽은 물리 분자 모델의 일부 기능을 대체했지만, 물리 키트는 계속해서 큰 인기를 끌고 있으며 대량으로 판매되고 있다. 이들의 고유한 강점은 다음과 같다.

  • 싸고 휴대할 수 있는 능력
  • 즉각적인 촉각 및 시각적 메시지
  • 여러 프로세스에 대한 손쉬운 상호작용성(예: 정합성 분석 및 유사성)

역사

1600년대에 요하네스 케플러는 눈송이의 대칭성과 과일과 같은 구형 물체의 근접 포장에도 대해 추측했다(이 문제는 아주 최근까지 미해결 상태로 남아 있었다). 촘촘히 채워진 구체들의 대칭적인 배열은 1800년대 후반 분자구조에 대한 이론을 알려줬고, 결정학과 고체상태 무기체구조에 대한 많은 이론들은 동일하고 불평등한 구들의 집합체를 사용해 포장을 시뮬레이션하고 구조를 예측했다.

그림 1. 호프만의 메탄 모델

존 달튼은 화합물을 원형 원자의 집합체로 나타냈으며 요한 요제프 로슈미트는 물리적 모델을 만들지 않았지만, 원형을 바탕으로 한 그의 도표는 후기 모델의 2차원적 유사점이다. 아우구스트 빌헬름 폰 호프만은 1860년경 최초의 물리 분자 모델을 인정받았다(그림 1). 탄소의 크기가 수소보다 어떻게 더 작아 보이는지 주목하라. 입체 화학의 중요성은 그때 인식되지 않았고 모델은 본질적으로 위상학적이다(3차원 사면체여야 한다).

야코부스 헤리쿠스 판 '트 호프'와 조셉 르벨은 우주에서의 화학 개념, 즉 스테레오케미컬을 3차원으로 소개했다. 판 호프는 탄소의 3차원 특성을 나타내는 사면 분자를 만들었다.

구를 기반으로 한 모델

단위를 반복하면 원자를 나타내는 공으로 분자를 나타내는 것이 얼마나 쉬운지를 보여주고 또 명확하게 하는 데 도움이 될 것이다.

그림 2. 염화나트륨(NaCl) 격자, NaCl 및 대부분의 다른 알칼리할라이드와 유사한 얼굴 중심 입방 AB 격자를 나타내는 촘촘한 구를 보여준다. 이 모델에서 구체는 크기가 동일한 반면, 보다 "실제적인" 모델은 양이온과 음이온에 대해 서로 다른 반경을 가질 수 있다.

염화 나트륨(NaCl)과 염화 세슘(CsCl)의 이항 화합물은 입방 구조는 있지만 공간 그룹은 다르다. 이것은 크기가 다른 구들을 촘촘히 싸는 관점에서 합리화할 수 있다. 예를 들어 NaCl은 팔면 구멍에 나트륨 이온이 있는 밀접하게 포장된 염화 이온(얼굴 중심의 입방 격자)으로 설명할 수 있다. 수정 구조를 결정하는 도구로서 X선 결정학이 개발된 후, 많은 실험실이 구를 기반으로 모델을 만들었다. 플라스틱이나 폴리스티렌 공의 개발로 이제 그러한 모델을 만드는 것은 쉽다.

볼앤스틱 기반 모델

원자 사이의 직접적인 연결고리로서의 화학적 결합의 개념은 공(atoms)을 막대/로드(bonds)와 연결시켜 모델링할 수 있다. 이것은 매우 인기가 있었고 오늘날에도 널리 사용되고 있다. 처음에 원자들은 막대들을 위해 특별히 뚫은 구멍이 있는 구형 나무 공으로 만들어졌다. 따라서 탄소는 사면각도에−1 4개의 구멍이 있는 구체로 표현될 수 있다.1⁄3) ≈ 109.47°.

단단한 결합과 구멍의 문제는 임의의 각도를 가진 시스템을 구축할 수 없다는 것이다. 이것은 원래 나선형 스프링이지만 지금은 플라스틱으로 된 유연한 결합으로 극복할 수 있다. 이것은 또한 복수 단일 결합에 의해 이중 결합과 삼중 결합을 근사하게 할 수 있다(그림 3).

그림 3. 현대의 플라스틱 공과 스틱 모델 표시된 분자는 프롤라인이다.

그림 3은 프로라인의 볼앤스틱 모델을 나타낸다. 공의 색상은 검은색은 탄소(C), 빨간색, 산소(O), 파란색, 질소(N), 흰색, 수소(H)이다. 각 공은 4면체의 정점을 향해 전통적인 발랑스(C: 4; N: 3; O: 2; H: 1)만큼 많은 구멍을 뚫는다. 단일 결합은 (공정하게) 단단한 회색 막대로 표현된다. 이중 결합과 삼중 결합은 회전을 제한하고 기존의 시스/트랜스 입체화학을 지원하는 두 개의 더 긴 유연 결합을 사용한다.

그림 4. 미라모도스 주식회사가 아크릴 공과 스테인리스강봉으로 만든 루비(Cr-doped corundum)의 비버 공과 스틱 모델

그러나 대부분의 분자는 다른 각도에 구멍을 뚫어야 하고 전문 회사들은 키트와 맞춤형 모델을 만든다. 사면체, 삼면체, 팔면체 구멍 외에 24홀의 만능 공이 있었다. 이 모델들은 단일 로드 본드에 대한 회전을 허용했는데, 이는 장점(분자 유연성 표시)과 단점(모델은 플로피)이 될 수 있다. 대략적인 스케일은 å스트룀 당 5 cm(0.5 m/nm 또는 500,000,000:1)이었지만 모든 요소에 걸쳐 일관성이 없었다.

에든버러의 아놀드 비버는 PMMA 공과 스테인리스 스틸 로드를 사용하여 작은 모델을 만들었다. 이러한 모델에서 정밀한 결합 각도와 결합 길이를 가진 개별적으로 드릴링된 볼을 사용함으로써, 큰 결정 구조를 정확하게 만들되 가볍고 단단한 형태를 가지고 만들어진다. 그림 4는 이런 스타일의 루비 단위 셀을 보여준다.

골격 모형

크릭과 왓슨의 DNA 모델과 켄드루의 단백질 구축 키트는 최초의 골격 모델 중 하나였다. 이것들은 발사가 막대기로 표현되는 원자 구성 요소에 기초했다; 원자들은 교차점에 있는 지점이었다. 잠금 나사로 관형 커넥터와 부품을 연결하여 결합을 만들었다.

안드레 드라이딩은 1950년대 후반에 커넥터에 분사된 분자 모델링 키트를 선보였다. 주어진 원자는 단단하고 속이 빈 용기의 스파이크를 가질 것이다. 고형 막대는 보통 자유 회전으로 결합을 형성하는 관 속으로 찰칵 소리를 냈다. 이것들은 유기 화학 학과에서 매우 널리 사용되었고 매우 정확하게 만들어져서 원자간 측정은 자에 의해 이루어질 수 있었다.

최근에는 저렴한 플라스틱 모델(예: Orbit)도 비슷한 원리를 사용한다. 작은 플라스틱 구체는 플라스틱 튜브를 장착할 수 있는 돌출부를 가지고 있다. 플라스틱의 유연성은 왜곡된 기하학적 구조를 만들 수 있다는 것을 의미한다.

다면 모형

많은 무기질 고형물은 전기 원자의 조정 영역(예: PO4 테트라헤드라, TiO6 옥타헤드라)에 둘러싸인 원자로 구성된다. 구조물은 종이 또는 플라스틱으로 만들어진 폴리헤드라를 함께 붙여서 모델링할 수 있다.

복합 모형

그림 5. Nicholson 모델, 사이드 체인(회색)이 있는 단백질 등뼈(흰색)의 짧은 부분을 보여준다. 수소 원자를 나타내는 잘린 스터브에 주목하십시오.

복합 모델의 좋은 예는 1970년대 후반부터 생물학적 고분자 모델을 만드는 데 널리 사용되었던 니콜슨 접근법이다. 성분들은 주로 아미노산과 핵산으로, 원자 그룹을 나타내는 미리 형성된 잔류물을 가지고 있다. 이들 원자의 상당수는 템플릿에 직접 성형되어 있으며, 플라스틱 스터브를 작은 구멍에 밀어 넣음으로써 결합된다. 플라스틱은 잘 잡으며 결합을 회전하기 어렵게 하여 임의의 비틀림 각도를 설정하고 그 값을 유지할 수 있다. 백본과 사이드 체인의 순응은 비틀림 각도를 사전 계산한 다음 연장기로 모델을 조정하여 결정한다.

플라스틱은 흰색이고 O 원자와 N 원자를 구별하기 위해 칠할 수 있다. 수소 원자는 일반적으로 바퀴살을 잘라냄으로써 암묵적이고 모델링된다. 약 300개의 잔류물을 가진 전형적인 단백질의 모델은 만드는 데 한 달이 걸릴 수 있다. 실험실이 해결된 단백질마다 모델을 만드는 것이 일반적이었다. 2005년까지, 너무 많은 단백질 구조가 결정되어 상대적으로 적은 수의 모델이 만들어졌다.

컴퓨터 기반 모델

그림 6. 통합 단백질 모델

컴퓨터 기반의 물리적 모델링의 발달로 이제는 표면의 좌표를 컴퓨터에 공급함으로써 완전한 단일 피스 모델을 만들 수 있게 되었다. 그림 6은 3D Molecular Design에서 나온 탄저균 독소 모델 왼쪽(약 20 å/cm 또는 1:500,000,000)과 녹색 형광 단백질 오른쪽(높이 5 cm, 약 4 å/cm 또는 1:25,000,000,000)을 보여준다. 모델은 빠른 시제품 제작 과정을 이용하여 석고나 전분으로 만들어진다.

또한 최근에는 표면 아래 레이저 판화라고 알려진 기술을 사용하여 유리 블록 안에서 정확한 분자 모델을 만드는 것이 가능해졌다. 오른쪽 이미지(그림 7)는 영국 기업 루미노룸이 유리 블록 안에 식각한 대장균 단백질(DNA 중합효소 베타 서브유닛, PDB 코드 1MMI)의 3D 구조를 보여준다.

그림 7. 유리 안의 단백질 모델

컴퓨터 모델

컴퓨터는 또한 분자를 수학적으로 모형화할 수 있다. 아보가드로와 같은 프로그램은 일반적인 데스크톱에서 실행될 수 있으며 결합 길이와 각도, 분자 극성 및 전하 분포, 심지어 흡수 및 방출 스펙트럼과 같은 양자 기계적 특성까지 예측할 수 있다. 그러나, 이러한 종류의 프로그램들은 더 많은 원자가 추가됨에 따라 분자를 모형화할 수 없다. 왜냐하면 계산의 수는 관련 원자의 수에 있어서 이차적이기 때문이다. 분자에 네 배의 원자를 사용한다면, 이차적인 계산은 16배의 시간이 걸린다. 약물 설계나 단백질 접힘과 같은 대부분의 실용적인 목적을 위해, 모델의 계산은 슈퍼컴퓨팅을 요구하거나 또는 고전적인 컴퓨터에서 합리적인 시간 내에 전혀 수행될 수 없다. 양자 컴퓨터는 양자 컴퓨터가 각 사이클에서 수행하는 계산 유형이 분자 모델링에 잘 적합하기 때문에 더 적은 계산으로 분자를 모델링할 수 있다.

공통색

참고 항목: CPK 컬러링

분자 모델에 사용되는 가장 일반적인 색상은 다음과 같다.[citation needed]

수소 백색의
알칼리 금속 보랏빛의
알칼리성 토금속 암녹색
붕소, 대부분의 전이 금속 핑크
탄소 검게 하다
질소 파랑의
산소 적색의
플루오린 녹색 노랑
염소 석회녹색
브로민 검붉은색
요오드 짙은 보랏빛
노블 가스 청록색의
인 주황색의
유황 노랑색의
티타늄 회색의
구리 살구 같은
수성. 연회색의

연대기

이 표는 물리 분자 모델이 주요한 과학적 통찰력을 제공했던 사건들의 불완전한 연대기다.

개발자 날짜 기술 평.
요하네스 케플러 c. 1600 구체 포장, 눈송이의 대칭
요한 요제프 로슈미트 1861 2-D 그래픽 원자를 만져서 원자와 결합을 나타냄
아우구스트 빌헬름 폰 호프만 1860 공과 채찍의 최초의 인식 가능한 물리적 분자 모형
야코부스 헤리쿠스 판 '트 호프 1874 종이? 원자를 테트라헤드라로 나타낸 것은 입체화학학의 발전을 뒷받침했다.
존 데스몬드 베르날 c. 1930 플라스틱 및 스포크 액체 상태의 물 모형
로버트 코리, 리너스 폴링, 월터 콜툰(CPK 컬러링) 1951 알파-헬릭스 등의 공간충전 모델 Pauling의 "화학 결합의 특성"은 분자 구조의 모든 측면을 다루었고 모델의 많은 측면에 영향을 주었다.
프랜시스 크릭과 제임스 D. 왓슨 1953 스파이크, 플랫 템플릿 및 나사가 있는 커넥터 DNA 모형
분자그래픽 c. 1960년 컴퓨터 화면에 표시하다 물리적 모델을 대체하지 않고 보완

참고 항목

참조

(이 중 일부는 흥미롭고 아름다운 이미지를 가지고 있다)