Hyprechem - konstrukcja czasteczek

2.2.1 Przygotowanie obliczeń

Podstawowym oknem programu jest:¹

Wykorzystując dostępne menu oraz ikony znajdujące się pod linią menu możemy w łatwy sposób przygotować obliczenia. W skład menu wchodzą najczęściej używane opcje:

-Draw umożliwia rysowanie cząsteczek oraz wstawianie i kasowanie atomów.

-Select umożliwia zaznaczanie atomów, wiązań poprzez kliknięcie lewym przyciskiem myszy. Odznaczenie następuje poprzez kliknięcie prawym klawiszem myszy.

-Rotate out-of-plane po wybraniu tej opcji możemy, poprzez kliknięcie i trzymanie przycisku podczas poruszania kursorem, obracać cząsteczką w trzech wymiarach w oknie konstruowania.

-Rotate in-plane po kliknięciu możemy w podobny sposób jak wyżej obracać cząsteczką, ale w płaszczyźnie ekranu.

-Translate umożliwia w podobny sposób jak wyżej przesuwanie cząsteczek lub atomów na ekranie,.

-Translate-Z umożliwia przesuwanie cząsteczki w płaszczyźnie prostopadłej do ekranu, możemy w ten sposób ?wejść? w głąb struktury dużych cząsteczek (np.: białka),obsługa przycisku jak wyżej.

-Magnify/Shrink umożliwia powiększanie i pomniejszanie widoku na ekranie.

-Z-clipping planes umożliwia ustawienie płaszczyzny widoku prostopadłej do ekranu.

-przyciski te umożliwiają wstawienie komentarzu: tekstu, linii i kształtów.

-przyciski te umożliwiają utworzenie nowego dokumentu, jego otwarcie i zapisanie.

- przyciski te umożliwiają prace na zaznaczonych elementach, ich usuwanie oraz kopiowanie.

- dwa pierwsze przyciski odpowiednio: umożliwiają drukowanie oraz podają informację o programie, kolejny to przycisk pomoc.

2.2.1.2 Konstruowanie cząsteczek

Konstruowanie cząsteczki zaczynamy od kliknięcia ikony , a następnie klikamy lewym przyciskiem myszy w oknie, w którym będziemy budować cząsteczkę. Pojedyncze kliknięcie dodaje atom, kliknięcie i przesunięcie kursora myszy umożliwia stworzenie wiązania. Kliknięcie na wiązanie zmienia typ wiązania (pojedyncze, podwójne, potrójne, zdelokalizowane). Kliknięcie prawym przyciskiem myszy umożliwia w prosty sposób skasowanie elementu.

2.2.1.3 Wybór pierwiastka

Wyboru pierwiastka dokonujemy poprzez wybranie z menu Build opcji Default Element?, wówczas program otwiera okno (rysunek po prawej), z którego wybieramy odpowiedni pierwiastek:

2.2.1.4 ?Standaryzacja? cząsteczki

Konstruując cząsteczkę najpierw tworzymy jej szkielet z ciężkich atomów (C, N, P, S, O, Se ?), a następnie ?uzupełniamy? atomami wodoru, wybierając z menu Build opcję Add Hydrogens. Atomy wodoru w cząsteczce są dokładane na zasadzie ?uzupełnienia? do standardowej wartościowości pierwiastka.

Rysunek przedstawia cząsteczkę cyklopentanu po dodaniu atomów wodorów

Po dodaniu atomów wodoru możemy ?standaryzować? kąty oraz długości wiązań przyrównując je do standardowych wartości występujących w typowych związkach (np.: zgodnie z tetraedrycznym modelem węgla). Wówczas z menu Build wybierając opcję Model Build, uzyskujemy strukturę bardziej zbliżoną do rzeczywistości:

Rysunek przedstawia cząsteczkę cyklopentanu po dodaniu atomów wodorów oraz po ?standaryzowaniu? struktury

Jeśli posiadamy w menu Build odznaczoną (brak ?) zakładkę Explicit Hydrogens (lub w oknie wyboru pierwiastka -Element Table tą opcję odznaczoną) wówczas możemy te dwa etapy konstruowania cząsteczki przeprowadzić wybierając Add H & Model Build.

2.2.1.5 Tworzenie struktur o niestandardowej liczbie wiązań, ustawianie ładunku

Konstruując cząsteczki, a w szczególności jony, jesteśmy czasami zmuszeni do konstruowania indiwiduów chemicznych, które mają nietypową liczbę wiązań np.: grupa ?NH₃⁺, czy też cząsteczka CH₅⁺. Aby móc takie cząsteczki konstruować musimy zaznaczyć odpowiednim symbolem (?) opcję Allow Arbitary Valence w menu Build (lub zaznaczyć tą opcję w oknie wyboru pierwiastka -Element Table)

Ładunek cząsteczki ustawiamy podczas wyboru metody w menu Setup:

Po wybraniu jednej z trzech metod: Semi-empirical?, Ab Initio?, Density Functional? w nowym oknie, które się pojawi wybieramy przycisk Options?. W następnym oknie ustawiamy całkowity ładunek cząsteczki - Total Charge (dla anionów np.: -1, dla molekuł obojętnych 0, dla kationów np.: 1), oraz multipletowość ? Spin Multiplicity (dla niektórych opcji może być wyłączone ustawienie multipletowości).

Multipletowośc (patrz rozdział 1.2) przeważnie wynosi:

- dla obojętnej cząsteczki ze sparowanymi elektronami 1,

- dla jonu, który powstał przez oderwanie atomu wodoru z obojętnej cząsteczki związku organicznego multipletowość 1,

- dla anionu, który powstał jedynie przez dodanie elektronu 2.

Możliwe są większe wartości multipletowości np.: zamiast 1 wartość 3, ale dotyczy wyłącznie stanu wzbudzonego. W stanie podstawowym wybieramy przeważnie wartość najniższe.

HyperChem oferuje również ustawienie ładunku na konkretnym atomie. Robimy to przez zaznaczenie atomu a następnie z menu Build wybranie Set Charge?, a następnie wpisanie ładunku w nowym oknie, które się ukaże. Ładunek zadany w opcji Total Charge zostanie podczas obliczeń rozmieszony automatycznie na cząsteczce.

2.2.1.6 Wybór elementu

Do konstruowania skomplikowanych cząsteczek możemy posłużyć się gotowymi elementami zawartymi w bibliotekach programu, wówczas korzystamy z menu Databases:

i wybieramy odpowiednie elementy-cząsteczki. Umożliwia to konstruowanie peptydów, cukrów, kwasów nukleinowych czy polimerów.

Dla aminokwasów możemy ustawić jon obojnaczy (Make Zwitterion). Możemy również, wykorzystując opcję (Sequence Editor?), w prosty sposób budować skomplikowane polipeptydy na podstawie skrótów aminokwasów oraz ich struktury drugorzędowej. Proste konstruowanie peptydów jedynie z możliwością ustawienia dla aminokwasów formy L, D oraz struktury II rzędowej ?, ? uzyskujemy, wybierając z menu Databases opcję Amino Acids?. Podobnie postępujemy, konstruując fragmenty kwasów nukleinowych.

Okna do konstruowania peptydów oraz fragmentów kwasów nukleinowych

Autorzy programu HyperChem włożyli dosyć duży wysiłek, aby można było w łatwy sposób konstruować białka oraz fragmenty kwasów nukleinowych, przez co uczynili ten program atrakcyjny dla biotechnologów.

Rysunek przedstawia fragment kwasu nukleinowego skonstruowanego przy pomocy HyperChem?a

2.2.2 Zaznaczanie atomów, wiązań, kątów, cząsteczek

Przycisk Select umożliwia zaznaczanie² atomów i wiązań, poprzez kliknięcie lewym przyciskiem myszy. Odznaczenie następuje poprzez kliknięcie prawym klawiszem myszy. Chcąc zaznaczyć całą cząsteczkę, klikamy lewym klawiszem dwa razy na wolne pole w oknie konstruowania, odznaczamy w podobny sposób tylko prawym klawiszem.

Opcje zaznaczenia możemy ustawiać w menu Select. Mając odznaczoną opcję Multiple Selections, możemy jedynie zaznaczyć:

-pojedynczy atom poprzez kliknięcie

-wiązanie poprzez kliknięcie na określone wiązanie lub kliknięcie na pierwszy atom lewym przyciskiem myszy i trzymając przycisk, przeciągnięcie kursora myszy na drugi atom.

-kąt poprzez kliknięcie lewym przyciskiem myszy na pierwszy atom tworzący kąt, a następnie trzymając przycisk, przeciągnięcie kursora myszy do ostatniego atomu tworzącego kąt

-powiązanych ze sobą ?ciągu? atomów w cząsteczce (A) poprzez kliknięcie lewym klawiszem myszy (B) na pierwszy atom a następnie trzymając klawisz przeciągnięcie kursora myszy (C) na ostatni atom tworzący ?ciąg? wyniku, czego uzyskujemy zaznaczenie atomów powiązanych ze sobą (D).

A. B. C. D.

Mając zaznaczoną (?) opcję Multiple Selections możemy zaznaczać kilka elementów w podobny sposób jak wyżej. Zaznaczona opcja Molecules umożliwia zaznaczanie poszczególnych całych cząsteczek.

W opcji Select? możemy wybrać zaznaczenie poszczególnych atomów lub fragmentów cząsteczek:

Mając zaznaczone odpowiednie elementy (E) - atomy czy też cząsteczki możemy obrócić zaznaczenie (F) wybierając opcję Complement Selection np.:

E. F.

Zaznaczonemu elementowi możemy nadać nazwę wybierając opcje Name Selection?.

2.2.3 Zmiana długości wiązania, kątów, kątów dwuściennych

Zmianę parametrów konstrukcyjnych cząsteczki (odległości i katów) dokonujemy poprzez zaznaczenie odpowiedniego wiązania, kąta, bądź kąta dwuściennego (patrz 3.2.6):

wiązanie

po zaznaczeniu wiązania z menu Build wybieramy Constrain Bond Lenght? w oknie, które się pojawi wybieramy opcję Other i wpisujemy żądaną odległość w Angstremach.

kąt

po zaznaczeniu kąta wybieramy z menu Build opcję Constrain Bond Angle?, a następnie w oknie które się pojawi wybieramy któryś z kątów (Lineal, Trigonal, Tetrahedral, Orthogonal) lub wpisujemy własną wartość, zaznaczając Other.

kąt dwuścienny ?torsyjny

po zaznaczeniu kąta wybieramy z menu Build opcję Constrain Bond Torsion? w oknie które pojawi się możemy ustawić odpowiednie położenie (trans, Cis, Gauche+, Gauche-) lub wpisać wartość kąta dwuściennego.

Ustawienie wartości długości wiązań i kątów możemy także wykonać po zaznaczeniu odpowiednich elementów, wybierając z menu Edit opcji Set Bond?. Program nie oferuje zmian parametrów konstrukcyjnych cząsteczki (odległości, katów) gdy atomy nie są powiązane ze sobą.

2.2.4 Przesuwanie cząsteczek

Jeśli w oknie konstruowania cząsteczek mamy skonstruowane kilka niepołączonych fragmentów cząsteczek lub kilka cząsteczek wówczas po zaznaczeniu cząsteczki możemy go przesuwać względem innych wybierając przycisk .

2.2.5 Zapisywanie struktury

Po narysowaniu cząsteczki oraz przeprowadzeniu obliczeń możemy zapisać strukturę oraz wyniki wybierając z menu File opcję Save. Zapisany plik jest w formacie Hyperchem?a i posiada rozszerzenie .hin. Strukturę cząsteczki możemy jeszcze zapisać w innych formatach, wybierając odpowiednią opcje. Dostępne formaty zapisu: Brookhaven PDB (*.ENT), ISIS Sketch (*.SKC), Cartesian (*.XYZ), HCData (*.HDF), MDL MOL (*.MOL), MOPAC Z-Matrix (*.ZMT), Tripos MOL2 (*.ML2), ChemDraw CHM (*.CHM). HyperChem oferuje także możliwość zapisania pliku w postaci html (menu File opcja Save As HTML?) jednak należy pamiętać, aby mieć odpowiednią przeglądarkę oraz zainstalowaną wtyczkę z możliwością wyświetlania struktur z programu HyperChem.

Strukturę cząsteczki możemy zaimportować do programu używając formatów wyżej wymienionych.

1 Kolor tła został ustawiony na kolor biały, aby druk widoku okien był wyraźniejszy. Praca w standardowych ustawieniach programu zakłada kolor tła czarny. Wybór koloru na czarny jest podyktowany tym, że wzrok podczas pracy z komputerem w kolorach ciemniejszych mniej się meczy niż w kolorach jasnych. Zmianę koloru tła można dokonać w następujący sposób: w menu File wybrać opcję Preferences? i w nowym oknie, które ukaże się w zakładce Window Color, ustawić odpowiedni kolor.

2 W programie standardowy kolor zaznaczonych elementów jest zielony. Zmianę koloru można dokonać w menu File wybierając opcję Preferences? a następnie w zakładce Selection Color ustawiając żądany kolor.