Ćwiczenie
Struktura związków w przestrzeni X,Y,Z

Jednym ze sposobów zapisu struktury jest podanie współrzędnych kolejnych atomów w postaci położenia x,y,z – korzystając z poniższych danych przeprowadź wizualizacje podanych cząsteczek. Powinieneś otrzymać podobne wyniki jak przedstawiamy w galerii.

Amarant (E123) – barwnik organiczny używany jako barwnik spożywczy. Ma barwę ciemnoczerwoną oraz dobrą wytrzymałość na wysoką temperaturę i światło. Obecnie stosowany do barwienia nielicznych produktów spoŜywczych, takich jak: niskoprocentowe napoje alkoholowe oraz kawior, a także to barwienia produktów takich jak szminki.

Ćwiczenie
Testowanie różnych metod i baz do obliczeń geometrii

Obliczona geometria cząsteczki zależy od wybranej metody i bazy. Używając lepszych metod oraz baz, mamy większe prawdopodobieństwo, że obliczone parametry geometryczne zbliżą się do wartości eksperymentalnych, które wyznaczone są zawsze z pewnym błędem. Większa baza i dokładniejsza metoda pociągają za sobą większe wymagania sprzętowe. Dlatego zawsze wybierając metodę i bazę na podstawie studiów literaturowych z określonej dziedziny, w której chcemy prowadzić obliczenia, musimy oszacować, na jak dokładną metodę możemy sobie pozwolić.

Aby samemu zbadać, jaką różnice w parametrach geometrycznych (długość wiązań, kąty) dają różne metody przeprowadź optymalizację cząsteczki aldehydu mrówkowego H2C=O, oraz porównaj z wartościami eksperymentalnymi.[1] Obliczenia przeprowadź:
I za pomocą mechaniki kwantowej metodą Amber
II jedną z wybranych metod półempirycznych:
 a) AM1,
 b) PM3,
 c) PM3MM,
 d) CNDO,
 e) INDO,
III metodami ab inito: HF, MP2 oraz metodami DFT: B3LYP, B3PW91 w trzech wybranych bazach:
 a) STO-3G,
 b) 3-21G,
 c) 6-31G(d) równoważne w zapisie starej notacji 6-31G*,
 d) 6-31G(d,p) równoważne w zapisie starej  notacji 6-31G**,
 e) 6-31+G(d,p) równoważne w zapisie starej notacji 6-31+G**,
 f)* aug-pvdz,


Otrzymane wyniki porównaj z wartościami eksperymentalnymi wiedząc, że cząsteczka jest płaska oraz kąt tworzony przez atomy HCH wynosi 116.5°, długość wiązania C-H 1.116 Å, C=O 1.208 Å.

* Dodatkowo dla struktur z optymalizowanych metodami AM1 oraz B3LYP/6-31G(d) przeprowadź optymalizację metodą B3LYP/6-31G(d,p), porównaj czasy obliczeń. Od czego zależy czas przeprowadzonej optymalizacji?


[1]  Dallos, M.; Müller, T.; Lischka, H.; Shepard, R., Geometry optimization of excited valence states of formaldehyde using analytical multireference configuration interaction singles and doubles and multireference averaged quadratic coupled-cluster gradients, and the conical intersection formed by the 1 1B1(σ-π*) and 2 1A1(π-π*) states. J. Chem. Phys. 2001, 114, (2), 746-757.

PDBĆwiczenie
Badanie struktury przestrzennej hemoglobiny1 - posługiwanie się bazą PDB

 


Podczas modelowania układów biologicznych opartych na białkach pierwszym etapem jest uzyskanie struktury przestrzennej białka. Geometrię białka uzyskuje się z badań eksperymentalnych głównie z rentgenografii strukturalnej lub z badań techniką nuklearnego rezonansu magnetycznego (NMR). Białka o ustalonej już geometrii są zdeponowane w różnych bazach. Jedną z takich baz oferująca ok. 30 tysięcy struktur jest PDB (Protein Data Bank) dostępna pod adresem: http://www.rcsb.org/pdb/.

Po wejściu na stronę www.rscb.org/pdb/, wyszukiwanie odpowiedniej struktury zaczynamy od wpisania słów kluczowych. Wyszukiwanie hemoglobiny dokonujemy wpisując w polu Serach the Archive angielską nazwę: hemoglobin. Z uzyskanych rezultatów wybieramy odpowiednie białko np.:





Klikając na odpowiedni link (EXPLORE, lub numer 1BZ0), uzyskujemy więcej informacji o białku. Spakowaną strukturę białka pobieramy klikając ikonę . Po pobraniu struktury i jej rozpakowaniu, otwieramy ją odpowiednim programem. Struktura białka została ustalona metodami rentgenograficznymi związku z czym nie zawiera atomów wodoru, dlatego potrzebne jest uzupełnienie atomami wodoru brakujących miejsc.

 
G

Posługując się programem GaussView wybieramy z menu File opcję Open?, a następnie ustawiamy w opcji Pliki Typu: Brookhaven PDB Files (*.pdb *.ent) i otwieramy rozpakowany plik ze strukturą białka. Program, podczas ładowania struktury, proponuje dodanie atomów wodoru (Would you like to add hydrogens to your PDB structure?), zgadzamy się wybierając Yes. Po tych operacjach możemy przystąpić do analizowania struktury i odpowiedzi na pytania.

HyperChem

Posługując się programem HyperChem, wybieramy z menu File opcję Open, a następnie ustawiając w opcji Pliki typu: Brookhaven PDB (*.ENT), otwieramy rozpakowany plik ze strukturą białka. Uzupełnienie wodorami dokonujemy wybierając z menu Build opcję Add Hydrogens. Po tych operacjach możemy przystąpić do analizowania struktury i odpowiedzi na pytania.

Rasmol

Dodatkowe informacje oraz podejrzenie struktury drugorzędowej białka możemy dokonać, korzystając z darmowego programu RasMol.2 Otwieramy plik ze strukturą, wybierając z menu File opcję Open. Zmianę sposobu wyświetlania struktury dokonujemy, korzystając z menu Display wybierając odpowiednią opcje (np.: Ribbons lub Wireframe), zaś zmianę kolorów elementów wyświetlanych dokonujemy wybierając którąś z opcję (np.: Chain) z menu Colours.

Oglądając i analizując strukturę hemoglobiny odpowiedz na następujące pytania:

  1. Z ilu podjednostek białkowych składa się hemoglobina?
  2. Jaka jest struktura szkieletu hemu -płaska czy wypukła?
  3. Z czym koordynują atomy żelaza występujące w białku (jakie to są aminokwasy, grupy)?
  4. Jakie struktury drugorzędowe występują w białku? -proszę skorzystać z programu RasMol.


[1] Ze względu na dużą ilość atomów w cząsteczce dokonujemy jedynie w tym ćwiczeniu analizy gotowej struktury białka po uzupełnieniu jej atomami wodoru.

[2] Więcej informacji oraz program można uzyskać na stronach: http://www.bernstein-plus-sons.com/software/rasmol/doc/rasmol.html

Ćwiczenie
Analiza konformacyjna 1,3-difluoropropanu

Zmień wartości poszczególnych kątów dwuściennych cząsteczki 1,3-difluoropropanu. Następnie przeprowadź optymalizację. Znajdź wszystkie struktury w minimach
energetycznych poprzez startowanie z różnych konformerów.


Określ minimum globalne. Obliczenia przeprowadź metodą B3LYP w bazie 6-31G(d) oraz w metodzie PM3. Bazując na lepszej metodzie B3LYP, porównaj z wynikami uzyskanymi metodą PM3.

Ćwiczenie
Ustalanie bezwzględnej konfiguracji R, S na podstawie wzorów przestrzennych


Narysuj jedną z wybranych struktur1 lub pobierz strukturę w postaci pliku xyz która jest umieszczona na koncu dokumnetu. Zoptymalizuj układ metodą półempiryczną PM3. Posługując się modelem trójwymiarowym określ konfigurację R, S chiralnych atomów węgla, poprzez obracanie cząsteczki w odpowiednich kierunkach.

 Strychnina kortyzon cholesterol



Opis określania konfiguracji R, S - zgodnej z konwencją Cahna-Ingolda-Preloga znajdziemy między innymi w książce R. T. Morrison, R. N. Boyd, Chemia Organiczna, PWN, W-wa, 1985, t. 1, str. 170-173.

Użytkownicy programu HyperChem mogą sprawdzić swoją odpowiedź wybierając z menu Display opcję Labels, a następnie w nowym oknie zaznaczając opcję Chirality.

Cholesterol


6 12.127000000 -9.188000000 2.015000000
6 12.222000000 -10.488000000 1.238000000
6 9.738000000 -10.570000000 1.811000000
6 10.977000000 -11.387000000 1.386000000
6 8.469000000 -11.401000000 1.491000000
6 13.514000000 -8.621000000 1.722000000
6 10.984000000 -8.339000000 1.430000000
6 9.732000000 -9.191000000 1.105000000
6 13.562000000 -11.082000000 1.699000000
6 14.452000000 -9.828000000 1.908000000
6 11.171000000 -12.516000000 2.411000000
6 8.715000000 -12.913000000 1.798000000
6 9.814000000 -13.111000000 2.860000000
6 13.914000000 -7.438000000 2.638000000
6 11.883000000 -9.397000000 3.525000000
6 8.118000000 -11.267000000 0.000000000
6 7.302000000 -10.876000000 2.354000000
6 16.449000000 -7.552000000 2.339000000
6 15.169000000 -6.751000000 2.081000000
6 7.434000000 -13.655000000 2.244000000
6 12.806000000 -6.374000000 2.646000000
6 17.631000000 -6.774000000 1.752000000
6 5.979000000 -11.609000000 2.032000000
6 6.211000000 -13.050000000 1.544000000
1 12.298000000 -10.213000000 0.173000000
1 10.769000000 -11.831000000 0.395000000
1 9.765000000 -10.393000000 2.901000000
1 13.553000000 -8.285000000 0.666000000
6 18.959000000 -7.449000000 2.109000000
6 19.054000000 -8.840000000 1.471000000
6 20.111000000 -6.588000000 1.592000000
8 5.051000000 -13.832000000 1.780000000
1 11.306000000 -7.902000000 0.591000000
1 10.734000000 -7.637000000 2.097000000
1 8.919000000 -8.687000000 1.397000000
1 9.695000000 -9.339000000 0.117000000
1 13.944000000 -11.683000000 0.998000000
1 13.450000000 -11.592000000 2.552000000
1 14.844000000 -9.824000000 2.829000000
1 15.189000000 -9.802000000 1.232000000
1 11.647000000 -12.148000000 3.210000000
1 11.724000000 -13.238000000 1.996000000
1 9.021000000 -13.323000000 0.939000000
1 9.526000000 -12.662000000 3.706000000
1 9.928000000 -14.091000000 3.024000000
1 14.072000000 -7.796000000 3.558000000
1 12.531000000 -8.842000000 4.047000000
1 12.012000000 -10.362000000 3.753000000
1 10.949000000 -9.120000000 3.753000000
1 7.187000000 -10.912000000 -0.092000000
1 8.177000000 -12.163000000 -0.438000000
1 8.759000000 -10.636000000 -0.438000000
1 7.182000000 -9.899000000 2.177000000
1 7.524000000 -11.016000000 3.319000000
1 16.382000000 -8.447000000 1.899000000
1 16.579000000 -7.672000000 3.323000000
1 15.262000000 -5.855000000 2.514000000
1 15.060000000 -6.636000000 1.094000000
1 7.324000000 -13.566000000 3.234000000
1 7.507000000 -14.622000000 2.001000000
1 12.570000000 -6.147000000 3.591000000
1 11.998000000 -6.731000000 2.177000000
1 13.131000000 -5.553000000 2.177000000
1 17.627000000 -5.844000000 2.121000000
1 17.539000000 -6.739000000 0.757000000
1 5.496000000 -11.104000000 1.317000000
1 5.417000000 -11.638000000 2.858000000
1 6.330000000 -13.089000000 0.552000000
1 19.013000000 -7.545000000 3.103000000
1 19.101000000 -9.533000000 2.189000000
1 19.876000000 -8.890000000 0.904000000
1 18.246000000 -9.001000000 0.904000000
1 20.617000000 -6.209000000 2.367000000
1 19.745000000 -5.841000000 1.036000000
1 20.723000000 -7.150000000 1.036000000
1 4.572000000 -14.260000000 1.013000000

Kortyzon

6 10.500000000 -11.438000000 1.641000000
6 10.588000000 -12.956000000 1.425000000
6 9.206000000 -11.061000000 2.391000000
6 9.490000000 -13.736000000 1.457000000
6 7.971000000 -11.663000000 1.714000000
6 8.152000000 -13.160000000 1.694000000
6 13.041000000 -11.676000000 2.258000000
6 13.006000000 -12.516000000 0.974000000
6 11.690000000 -10.907000000 2.503000000
6 11.935000000 -13.601000000 1.163000000
6 14.058000000 -9.491000000 1.416000000
6 14.255000000 -10.725000000 2.262000000
6 13.049000000 -8.608000000 2.135000000
6 11.748000000 -9.383000000 2.265000000
6 15.468000000 -8.904000000 1.254000000
6 16.430000000 -10.072000000 1.539000000
6 15.546000000 -11.322000000 1.718000000
8 7.200000000 -13.882000000 1.886000000
6 10.483000000 -10.790000000 0.239000000
8 10.704000000 -8.776000000 2.171000000
1 11.432000000 -11.087000000 3.565000000
1 14.408000000 -10.390000000 3.304000000
1 15.593000000 -8.572000000 0.207000000
1 13.166000000 -12.387000000 3.094000000
6 13.547000000 -9.802000000 0.000000000
6 15.763000000 -7.731000000 2.169000000
8 15.181000000 -7.623000000 3.223000000
6 16.769000000 -6.686000000 1.748000000
8 17.922000000 -6.790000000 2.570000000
1 9.113000000 -10.066000000 2.403000000
1 9.259000000 -11.403000000 3.329000000
1 9.661000000 -14.710000000 1.310000000
1 7.887000000 -11.321000000 0.778000000
1 7.146000000 -11.431000000 2.230000000
1 13.898000000 -12.940000000 0.819000000
1 12.772000000 -11.937000000 0.193000000
1 11.875000000 -14.160000000 0.336000000
1 12.178000000 -14.180000000 1.941000000
1 12.894000000 -7.773000000 1.608000000
1 13.393000000 -8.371000000 3.044000000
1 16.953000000 -9.894000000 2.373000000
1 17.059000000 -10.199000000 0.771000000
1 15.387000000 -11.786000000 0.847000000
1 15.948000000 -11.965000000 2.371000000
1 10.458000000 -9.795000000 0.332000000
1 9.674000000 -11.099000000 -0.261000000
1 11.307000000 -11.057000000 -0.261000000
1 12.693000000 -10.319000000 0.060000000
1 14.231000000 -10.342000000 -0.490000000
1 13.384000000 -8.945000000 -0.490000000
1 16.390000000 -5.766000000 1.855000000
1 17.047000000 -6.824000000 0.798000000
1 18.815000000 -6.973000000 2.158000000

Strychnina

C -3.93272093 1.49162791 -1.41904651
C -4.39672093 0.18562791 -1.26604651
C -2.70772093 1.87862791 -0.88804651
C -3.64272093 -0.76337209 -0.58204651
C -1.97172093 0.92462791 -0.20904651
C -2.42572093 -0.36737209 -0.05604651
C -0.65272093 2.07962791 1.62895349
C -0.63772093 1.08762791 0.46895349
N -1.50272093 -1.16137209 0.67095349
C -0.26372093 -0.37737209 0.76795349
C 0.58927907 1.51462791 -0.23704651
C 0.83127907 1.12962791 -1.64604651
C 0.58627907 -1.02137209 -0.36604651
C 1.62727907 -0.09237209 -1.08404651
C 0.78827907 2.66062791 1.66095349
N 1.35527907 2.61062791 0.29495349
C -1.31872093 -2.63237209 0.84195349
C 1.17327907 -2.22237209 0.26895349
C 0.00227907 -3.23037209 0.19795349
C 2.70427907 0.37662791 -0.07004651
C 3.56327907 -0.51637209 0.45195349
O 2.33927907 -2.58137209 -0.46304651
C 3.55427907 -2.01637209 0.06795349
C 2.69427907 1.91062791 0.35395349
H 1.24927907 0.75262791 0.21195349
H 0.20327907 -0.46237209 1.76495349
H 1.46027907 -2.02637209 1.31895349
H 2.10427907 -0.64337209 -1.91604651
H -0.10272093 -1.35637209 -1.16504651
H -4.48572093 2.16062791 -1.91604651
H -5.28172093 -0.07437209 -1.65204651
H -2.36772093 2.81362791 -0.99004651
H -3.96672093 -1.70237209 -0.47104651
H -0.87072093 1.61162791 2.48495349
H -1.32672093 2.79962791 1.46195349
H 1.37227907 1.79262791 -2.16404651
H 0.00227907 0.90462791 -2.15604651
H 1.37127907 2.12162791 2.26895349
H 0.77727907 3.61262791 1.96695349
H -2.11672093 -3.06937209 0.42895349
H -1.31572093 -2.80637209 1.82695349
H -0.16572093 -3.45237209 -0.76304651
H 0.26827907 -4.05937209 0.68995349
H 4.18727907 -0.08137209 1.10095349
H 3.76627907 -2.56037209 0.87995349
H 4.24927907 -2.17737209 -0.63204651
H 3.01527907 1.98862791 1.29795349
H 3.30827907 2.41862791 -0.25104651
 

[1] W 1965 roku Robert Burns Woodward (USA) otrzymał Nagrodę Nobla za wybitne osiągnięcia w sztuce syntezy organicznej -for his outstanding achievements in the art of organic synthesis? za opracowanie między innymi syntezy cholesterolu, kortyzolu, strychniny, chlorofilu.