Химическое пространство: обзор и методы исследования.
Chemical space
Химическое пространство: определение, свойства и применение в хемоинформатике. Библиотека для молекулярного докинга, потенциально активные соединения (10^60).
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химическое пространство — это концепция в химиоинформатике, обозначающая пространство свойств, охватываемое всеми возможными молекулами и химическими соединениями, соответствующими заданному набору принципов построения и граничным условиям. Оно содержит миллионы соединений, которые легко доступны для исследователей. Оно используется в качестве библиотеки в методе молекулярного докинга.
Chemical space is a concept in cheminformatics referring to the property space spanned by all possible molecules and chemical compounds adhering to a given set of construction principles and boundary conditions. It contains millions of compounds which are readily accessible and available to researchers. It is a library used in the method of molecular docking.
Теоретические пространства
Химическое пространство, часто упоминаемое в химиоинформатике, – это пространство потенциально фармакологически активных молекул. Его размер оценивается в 10⁶⁰ молекул. Строгих методов для определения точного размера этого пространства не существует. Однако при оценке числа потенциально фармакологически активных молекул используются правила Липинского, в частности ограничение молекулярной массы в 500. Оценка также ограничивает используемые химические элементы углеродом, водородом, кислородом, азотом и серой. Кроме того, предполагается максимальное количество атомов – 30, чтобы оставаться ниже 500 дальтонов, допускается наличие разветвлений и не более 4 циклов, что приводит к оценке 10⁶³. Это число часто ошибочно цитируется в последующих публикациях как предполагаемый размер всего пространства органической химии, которое было бы значительно больше, если бы включало галогены и другие элементы. Помимо пространства, подобного лекарственным препаратам, и пространства, подобного лидерам, которые частично определяются правилом пяти Липинского, была введена концепция пространства известных лекарственных препаратов (KDS), определяемого молекулярными дескрипторами препаратов, находящихся в продаже. KDS может использоваться для прогнозирования границ химических пространств при разработке лекарств путем сравнения структуры разрабатываемых и синтезируемых молекул с параметрами молекулярных дескрипторов, определяющими KDS.
A chemical space often referred to in cheminformatics is that of potential pharmacologically active molecules. Its size is estimated to be in the order of 1060 molecules. There are no rigorous methods for determining the precise size of this space. The assumptions used for estimating the number of potential pharmacologically active molecules, however, use the Lipinski rules, in particular the molecular weight limit of 500. The estimate also restricts the chemical elements used to be Carbon, Hydrogen, Oxygen, Nitrogen and Sulfur. It further makes the assumption of a maximum of 30 atoms to stay below 500 daltons, allows for branching and a maximum of 4 rings and arrives at an estimate of 1063. This number is often misquoted in subsequent publications to be the estimated size of the whole organic chemistry space, which would be much larger if including the halogens and other elements. In addition to the drug like space and lead like space that are, in part, defined by the Lipinski's rule of five, the concept of known drug space (KDS), which is defined by the molecular descriptors of marketed drugs, has also been introduced. KDS can be used to help predict the boundaries of chemical spaces for drug development by comparing the structure of the molecules that are undergoing design and synthesis to the molecular descriptor parameters that are defined by the KDS.
Эмпирические пространства
По состоянию на июль 2009 года в Службе химических рефератов было зарегистрировано 49 037 297 органических и неорганических веществ, что свидетельствует об их упоминании в научной литературе. Химические библиотеки, используемые для лабораторного поиска соединений с заданными свойствами, служат примерами реальных химических библиотек малого размера (от нескольких сотен до сотен тысяч молекул).
As of July 2009, there were 49,037,297 organic and inorganic substances registered with the Chemical Abstracts Service, indicating that they have been reported in the scientific literature. Chemical libraries used for laboratory based screening for compounds with desired properties are examples for real world chemical libraries of small size (a few hundred to hundreds of thousands of molecules).
Поколение
Систематическое исследование химического пространства возможно путем создания in silico баз данных виртуальных молекул, которые можно визуализировать, проецируя многомерное пространство свойств молекул в пространства меньшей размерности. Генерация химических пространств может включать создание стехиометрических комбинаций электронов и атомных ядер для получения всех возможных топологических изомеров, соответствующих заданным принципам построения. В хемоинформатике для генерации множества химических структур, удовлетворяющих заданным ограничениям, используются программные средства, называемые генераторами структур. Например, генераторы конституционных изомеров могут генерировать все возможные конституционные изомеры для заданной молекулярной формулы. В реальном мире химические реакции позволяют перемещаться в химическом пространстве. Отображение между химическим пространством и молекулярными свойствами часто не является однозначным, то есть могут существовать совершенно разные молекулы, демонстрирующие очень похожие свойства. Разработка материалов и поиск лекарственных средств оба включают в себя исследование химического пространства.
Systematic exploration of chemical space is possible by creating in silico databases of virtual molecules, which can be visualized by projecting multidimensional property space of molecules in lower dimensions. Generation of chemical spaces may involve creating stoichiometric combinations of electrons and atomic nuclei to yield all possible topology isomers for the given construction principles. In Cheminformatics, software programs called Structure Generators are used to generate the set of all chemical structure adhering to given boundary conditions. Constitutional Isomer Generators, for example, can generate all possible constitutional isomers of a given molecular gross formula. In the real world, chemical reactions allow us to move in chemical space. The mapping between chemical space and molecular properties is often not unique, meaning that there can be very different molecules exhibiting very similar properties. Materials design and drug discovery both involve the exploration of chemical space.