Embedded Files
http://ru.wikipedia.org/wiki/Поиск_количественных_соотношений_структура-свойство
Поиск количественных соотношений структура-свойство
Поиск количественных соотношений структура-свойство
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Поиск количественных соотношений структура-свойство — процедура построения моделей, позволяющих по структурам химических соединений предсказывать их разнообразные свойства. За моделями, позволяющими прогнозировать количественные характеристики биологической активности, исторически закрепилось англоязычное название Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR). Аббревиатура QSAR часто трактуется расширенно для обозначения любых моделей структура-свойство. За моделями, позволяющими прогнозировать физические и физикохимические свойства органических соединений, закрепилось англоязычное название Quantitative Structure-Property Relationship (QSPR). При качественном описании соотношений между структурами химических соединений и их биологической активностью употребляют англоязычный термин Structure-Activity Relationship (SAR).
Поиск количественных соотношений структура-свойство основан на применении методов математической статистики имашинного обучения для построения моделей, позволяющих по описанию структур химических соединений предсказывать их свойства (физические, химические, биологическую активность). При прогнозировании свойств на качественном уровне (например, будет ли данное химическое соединение обладать данным видом биологической активности) говорят о решении классификационной задачи, тогда как при прогнозировании числовых значений свойств говорят о решении регрессионной задачи. Описание структур химических соединений для этих целей может быть векторным либо невекторным (графовом).
[править]
[править]
Моделирование свойств при векторном описании химических соединений
Моделирование свойств при векторном описании химических соединений
При векторном описании химической структуре ставится в соответствие вектор молекулярных дескрипторов, каждый из которых представляет собой инвариант молекулярного графа.
Молекулярные дескрипторы
Молекулярные дескрипторы
Существующие наборы молекулярных дескрипторов могут быть условно разделены на следующие категории:
- Фрагментные дескрипторы[1][2][3] существуют в двух основных вариантах - бинарном и целочисленном. Бинарные фрагментные дескрипторы показывают, содержится ли данный фрагмент (подструктура) в структурной формуле (т.е. содержится ли данный подграф в молекулярном графе, описывающем данное химическое соединение), тогда как целочисленные фрагментные дескрипторы показывают, сколько раз данный фрагмент (подструктура) содержится в структурной формуле (т.е. сколько раз содержится данный подграф в молекулярном графе, описывающем данное химическое соединение). В обзоре[3] описано 11 основных категорий фрагментных дескрипторов. Уникальная роль фрагментных дескрипторов заключается в том, что, как показано в работах[4][5], они образуют базис дескрипторного пространства, т.е. любой молекулярный дескриптор (и любое молекулярное свойство), являющийся инвариантом молекулярного графа, может быть однозначно разложен по этому базису. Кроме моделирования свойств органических соединений, бинарные фрагментные дескрипторы в форме молекулярных ключей (скринов) и молекулярных отпечатков пальцев применяются при работе с базами данных для ускорения подструктурного поиска и организации поиска по подобию[3].
- Топологические индексы
- Физико-химические дескрипторы[6] - это числовые характеристики, получаемые в результате моделирования физико-химических свойств химеческих соединений, либо величины, имеющие четкую физико-химическую интерпретацию. Наиболее часто используются в качестве дескрипторов: липофильность (LogP), молярная рефракция (MR), молекулярный вес (MW), дескрипторы водородной связи[7], молекулярные объемы и площади поверхностей
- Квантово-химические дескрипторы[8] - это числовые величины, получаемые в результате квантово-химических расчетов. Наиболее часто в качестве дескрипторов используются: энергии граничных молекулярных орбиталей (ВЗМО и НСМО), частичные заряды на атомах и частичные порядки связей, индексы реакционной способности Фукуи (индекс свободной валентности, нуклеофильная и электрофильная суперделокализуемость), энергии катионной, анионной и радикальной локализации, дипольный и высшие мультипольные моменты распределения электростатического потенциала.
- Дескрипторы молекулярных полей - это числовые величины, аппроксимирующие значения молекулярных полей путем вычисления энергии взаимодействия пробного атома, помещенного в узел решетки, с текущей молекулой. На построении корреляций между значениями дескрипторов молекулярных полей и числовым значением биологической активности при помощи метода частичных наименьших квадратов (Partial Least Squares - PLS) основаны методы 3D-QSAR, наиболее известным из которых является CoMFA[9].
- Константы заместителей [10] впервые были введены Л.П.Гамметом в рамках уравнения, получившего его имя, которое связывает константы скорости реакции с константами равновесия для некоторых классов органических реакций. Константы заместителей вошли в практику QSAR после появления уравнения Ганча-Фуджиты, связывающего биологическую активность с константами заместителей и значением липофильности. В настоящее время известно несколько десятков констант заместителей.
- Фармакофорные дескрипторы показывают, могут ли простейшие фармакофоры, состоящие из пар или троек фармакофорных центров со специфицированным расстоянием между ними, содержатся внутри анализируемой молекулы[11].
Молекулярные дескрипторы наиболее полно описаны в монографии[12], которую можно считать энциклопедией молекулярных дескрипторов.
Методы построения моделей
Методы построения моделей
Для решения регрессионной задачи при векторном описании структур химических соединений чаще всего в хемоинформатике применяются следующие методы математической статистики и машинного обучения:
- Множественная линейная регрессия
- Метод частичных наименьших квадратов (Partial Least Squares - PLS)
- Искусственные нейронные сети
- Регрессия на опорных векторах
- Метод k ближайших соседей
Для решения классификационной задачи при векторном описании структур химических соединений чаще всего в хемоинформатике применяются следующие методы математической статистики и машинного обучения:
- Байесовские методы
- Линейный дискриминантный анализ
- Искусственные нейронные сети
- Метод опорных векторов
- Деревья принятий решений
- Метод k ближайших соседей
Моделирование свойств при невекторном (графовом) описании химических соединений
Моделирование свойств при невекторном (графовом) описании химических соединений
Моделирование свойств при невекторном описании химических соединений осуществляется либо при помощи нейронных сетей специальных архитектур, позволяющих работать непосредственно с матрицами смежности молекулярных графов, либо при помощи ядерных (kernel) методов с использованием специальных графовых (либо химических, фармакофорных) ядер.
Примерами служащих для этой цели нейронных сетей со специальной архитектурой являются:
Примерами служащих для этой цели графовых (либо химических, фармакофорных) ядер являются:
[править]
Примеры прогнозирования
Примеры прогнозирования
Примеры прогнозирования физико-химических свойств органических соединений
Примеры прогнозирования физико-химических свойств органических соединений
- Физические свойства индивидуальных низкомолекулярных соединений
[править]
- Температура кипения (Тк) [25] [26]
- Критическая температура (Tкр) [25]
- Вязкость [27] [26]
- Давление насыщенного пара [25] [26] [27]
- Плотность [25] [26] [27]
- Показатель преломления [25]
- Температура плавления (Тпл) [25]
- Шкалы полярности растворителей [25]
- Индексы удержания в газовой хроматографии [25]
- Поляризуемость [28]
- Магнитная восприимчивость [29]
- Энтальпия сублимации [30]
- Физические свойства низкомолекулярных соединений в зависимости от условий
- Температура кипения углеводородов в зависимости от давления [31]
- Плотность углеводородов в зависимости от температуры [31]
- Динамическая вязкость углеводородов в зависимости от температуры [31]
- Спектроскопические свойства
- Физическо-химические свойства низкомолекулярных соединений
- Температура вспышки и темпертура самовоспламенения [25] [36]
- Октановые числа углеводородов [37]
- Константы ионизации (кислотности или основности) [38]
- Физические свойства, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями молекул разного типа
- Растворимость в воде (LogSw) [39] [25]
- Коэффициент распределения n-октанол/вода (LogP) [40]
- Коэффициент распределения низкомолекулярных веществ между водой и мицеллами Pluronic P85 [41]
- Свободная энергия сольватации органических молекул в различных растворителях [42]
- Реакционная способность органических соединений
- Супрамолекулярные свойства
- Константа скорости кислотного гидролиза сложных эфиров [43]
- Стабильность комплексов включения органических соединений с бета-циклодекстрином [44]
- Сродство красителей к целлюлозному волокну [45]
- Константы устойчивости комплексов ионофоров с ионами металлов [46]
- Физические свойства поверхностно-активных веществ (ПАВ)
- Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) [25]
- Температура помутнения [25]
- Физические и физико-химические свойства полимеров
- Температура стеклования [25]
- Показатель преломления полимеров [25]
- Ускорение вулканизации резин [25]
- Коэффициент проницаемости через полиэтилен низкой плотности [47]
[править]
Примеры прогнозирования свойств ADMET
Примеры прогнозирования свойств ADMET
- Фармакокинетические свойства
- Проникновение через гематоэнцефалический барьер [48]
- Скорость проникновения через кожу [49]
[править]
[править]
Литература
Литература
- ↑ N. S. Zefirov, V. A. Palyulin (2002). "Fragmental Approach in QSPR". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 42 (5): 1112-1122.DOI:10.1021/ci020010e.
- ↑ I. Baskin, A. Varnek (2008). "Building a chemical space based on fragment descriptors". Combinatorial Chemistry & High Throughput Screening 11 (8): 661-668.
- ↑ 1 2 3 I. Baskin, A. Varnek. "Fragment Descriptors in SAR/QSAR/QSPR Studies, Molecular Similarity Analysis and in Virtual Screening". In: Chemoinformatic Approaches to Virtual Screening, A. Varnek, A. Tropsha, eds., RCS Publishing, 2008, ISBN 978-0-85404-144-2, P. 1-43
- ↑ И. И. Баскин, М. И. Скворцова, И. В. Станкевич, Н. С. Зефиров (1994). "О базисе инвариантов помеченных молекулярных графов". Докл. РАН 339 (3): 346-350.
- ↑ I. I. Baskin, M. I. Skvortsova, I. V. Stankevich, N. S. Zefirov (1995). "On basis of invariants of labeled molecular graphs". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 35 (3): 527-531. DOI:10.1021/ci00025a021.
- ↑ О. А. Раевский (1999). "Дескрипторы молекулярной структуры в компьютерном дизайне биологически активных веществ".Успехи химии 68 (6): 555-575.
- ↑ О. А. Раевский (2006). "Дескрипторы водородной связи в компьютерном молекулярном дизайне". Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева) L (2): 97-107.
- ↑ M. Karelson, V. S. Lobanov, A. R. Katritzky (1996). "Quantum-Chemical Descriptors in QSAR/QSPR Studies". Chem. Rev. 96 (3): 1027-1044. DOI:10.1021/cr950202r.
- ↑ R. D. Cramer, D. E. Patterson, J. D. Bunce (1988). "Comparative molecular field analysis (CoMFA). 1. Effect of shape on binding of steroids to carrier proteins". J. Am. Chem. Soc. 110 (18): 5959-5967. DOI:10.1021/ja00226a005.
- ↑ Пальм, В. А. Основы количественной теории органических реакций. — 2-е, пер. и доп.. — Л.: Химия, 1977. — 360 с.
- ↑ F. Bonachera, B. Parent, F. Barbosa, N. Froloff, D. Horvath (2006). "Fuzzy Tricentric Pharmacophore Fingerprints. 1. Topological Fuzzy Pharmacophore Triplets and Adapted Molecular Similarity Scoring Schemes". J. Chem. Inf. Model. 46 (6): 2457-2477.DOI:10.1021/ci6002416.
- ↑ R. Todeschini, V. Consonni: Handbook of Molecular Descriptors. WILEY-WCH Publishers, Weinheim, 2000, ISBN 3-52-29913-0
- ↑ И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (1993). "Методология поиска прямых корреляций между структурами и свойствами органических соединений при помощи вычислительных нейронных сетей". Докл. РАН 333 (2): 176-179.
- ↑ I. I. Baskin, V. A. Palyulin, N. S. Zefirov (1997). "A Neural Device for Searching Direct Correlations between Structures and Properties of Organic Compounds". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 37 (4): 715-721.DOI:10.1021/ci940128y.
- ↑ D. B. Kireev (1995). "ChemNet: A Novel Neural Network Based Method for Graph/Property Mapping". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 35(2): 175-180. DOI:10.1021/ci00024a001.
- ↑ A. M. Bianucci (2000). "Application of Cascade Correlation Networks for Structures to Chemistry". Applied Intelligence 12 (1-2): 117-146.
- ↑ A. Micheli, A. Sperduti, A. Starita, A. M. Bianucci (2001). "Analysis of the Internal Representations Developed by Neural Networks for Structures Applied to Quantitative Structure-Activity Relationship Studies of Benzodiazepines". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 41 (1): 202-218. DOI:10.1021/ci9903399.
- ↑ O. Ivanciuc (2001). "Molecular Structure Encoding into Artificial Neural Networks Topology". Roumanian Chemical Quarterly Reviews 8: 197-220.
- ↑ A. Goulon, T. Picot, A. Duprat, G. Dreyfus (2007). "Predicting activities without computing descriptors: Graph machines for QSAR".SAR and QSAR in Environmental Research 18 (1-2): 141-153.DOI:10.1080/10629360601054313.
- ↑ H. Kashima, K. Tsuda, A. Inokuchi, Marginalized Kernels Between Labeled Graphs, The 20th International Conference on Machine Learning (ICML2003), 2003. PDF
- ↑ H. Fröhlich, J. K. Wegner, A. Zell, Optimal Assignment Kernels For Attributed Molecular Graphs, The 22nd International Conference on Machine Learning (ICML 2005), Omnipress, Madison, WI, USA, 2005, 225-232. PDF
- ↑ H. Fröhlich, J. K. Wegner, A. Zell (2006). "Kernel Functions for Attributed Molecular Graphs - A New Similarity Based Approach To ADME Prediction in Classification and Regression". QSAR Comb. Sci. 25 (4): 317-326. DOI:10.1002/qsar.200510135.
- ↑ H. Fröhlich, J. K. Wegner, A. Zell, Assignment Kernels For Chemical Compounds, International Joint Conference on Neural Networks 2005 (IJCNN'05), 2005, 913-918. CiteSeer
- ↑ P. Mahe, L. Ralaivola, V. Stoven, J. Vert (2006). "The pharmacophore kernel for virtual screening with support vector machines". J. Chem. Inf. Model. 46 (5): 2003-2014.DOI:10.1021/ci060138m.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 A. R. Katritzky, U. Maran, V. S. Lobanov, M. Karelson (2000). "Structurally Diverse Quantitative Structure-Property Relationship Correlations of Technologically Relevant Physical Properties". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 40 (1): 1-18. DOI:10.1021/ci9903206.
- ↑ 1 2 3 4 Н. В. Артеменко, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (2001). "Прогнозирование физических свойств органических соединений при помощи искусственных нейронных сетей в рамках подструктурного подхода". Докл. АН381 (2): 203-206.
- ↑ 1 2 3 Н. В. Артеменко, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (2003). "Искусственные нейронные сети и фрагментный подход в прогнозировании физико-химических свойств органических соединений". Известия РАН, Серия химическая (1): 19-28.
- ↑ Н. И. Жохова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, А. Н. Зефиров, Н. С. Зефиров (2003). "Фрагментные дескрипторы в QSPR: применение для расчета поляризуемости молекул". Известия РАН, Серия химическая (5): 1005-1009.
- ↑ Н. И. Жохова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, А. Н. Зефиров, Н. С. Зефиров (2004). "Фрагментные дескрипторы в QSPR: применение для расчета магнитной восприимчивости". Журнал структурной химии 45 (4): 660-669.
- ↑ Н. И. Жохова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, А. Н. Зефиров, Н. С. Зефиров (2003). "Расчет энтальпии сублимации методом QSPR с применением фрагментного подхода". Журнал прикладной химии 76 (12): 1966-1970.
- ↑ 1 2 3 Н. М. Гальберштам, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (2002). "Построение нейросетевых зависимостей структура-условия-свойство. Моделирование физико-химических свойств углеводородов". Докл. АН 384 (2): 202-205.
- ↑ И. И. Баскин, А. О. Айт, Н. М. Гальберштам, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (1997). "Применение методологии искусственных нейронных сетей для прогнозирования свойств сложных молекулярных систем. Предсказание положения длинноволновой полосы поглощения симметричных цианиновых красителей". Докл. АН 357 (1): 57-59.
- ↑ Y. Binev, J. Aires-de-Sousa (2004). "Structure-Based Predictions of 1H NMR Chemical Shifts Using Feed-Forward Neural Networks".J. Chem. Inf. Comput. Sci. 44 (3): 940-945.DOI:10.1021/ci034228s.
- ↑ J. P. Doucet, A. Panaye, E. Feuilleaubois, P. Ladd (1993). "Neural Networks and 13C NMR Shift Prediction". J. Chem. Inf. Comput. Sci.33 (3): 320-324. DOI:10.1021/ci00013a007.
- ↑ G. M. J. West (1993). "Predicting Phosphorus NMR Shifts Using Neural Networks". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 33 (4): 577-589.DOI:10.1021/ci00014a009.
- ↑ Н. И. Жохова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, А. Н. Зефиров, Н. С. Зефиров (2003). "Фрагментные дескрипторы в QSAR: применение для расчета температуры вспышки". Известия РАН, Серия химическая (9): 1787-1793.
- ↑ А. В. Сидорова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Д. Е. Петелин, Н. С. Зефиров (1996). "Исследование зависимостей между структурой и октановыми числами углеводородов". Докл. АН350 (5): 642-646.
- ↑ А. А. Иванова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (2007). "Оценка значений констант ионизации для различных классов органических соединений с использованием фрагментного подхода к поиску зависимостей «структура-свойство»". Докл. АН 413 (6): 766-770.
- ↑ D. Butina, J. M. R. Gola (2003). "Modeling Aqueous Solubility". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 43 (3): 837-841. DOI:10.1021/ci020279y.
- ↑ I. V. Tetko, V. Yu. Tanchuk, A. E. P. Villa (2001). "Prediction of n-Octanol/Water Partition Coefficients from PHYSPROP Database Using Artificial Neural Networks and E-State Indices". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 41 (5): 1407-1421. DOI:10.1021/ci010368v.
- ↑ В. С. Бугрин, М. Ю. Козлов, И. И. Баскин, Н. С. Мелик-Нубаров (2007). "Межмолекулярные взаимодействия, определяющие солюбилизацию в мицеллах полиалкиленоксидных поверхностно активных веществ". Высокомолекулярные соединения, Серия А 49 (4): 701-712.
- ↑ А. А. Кравцов, П. В. Карпов, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, Н. С. Зефиров (2007). "«Бимолекулярный» QSPR: Оценка свободной энергии сольватации органических молекул в различных растворителях". Докл. АН 414 (3): ???.
- ↑ N. M. Halberstam, I. I. Baskin, V. A. Palyulin, N. S. Zefirov (2002). "Quantitative Structure – Conditions – Property Relationships Studies. Neural Network Modelling of the Acid Hydrolysis of Esters" 12 (6): 185-186.
- ↑ Н. И. Жохова, Е. В. Бобков, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, А. Н. Зефиров, Н. С. Зефиров (2007). "Расчет стабильности комплексов органических соединений с β-циклодекстрином с помощью метода QSPR". Вестник МГУ, сер. 2, Химия 48 (5): 329-332.
- ↑ Н. И. Жохова, И. И. Баскин, В. А. Палюлин, А. Н. Зефиров, Н. С. Зефиров (2005). "Исследование сродства красителей к целлюлозному волокну в рамках фрагментарного подхода в QSPR". Журнал прикладной химии 78 (6): 1034-1037.
- ↑ I. V. Tetko, V. P. Solov'ev, A. V. Antonov, X. Yao, J. P. Doucet, B. Fan, F. Hoonakker, D. Fourches, P. Jost, N. Lachiche, A. Varnek (2006). "Benchmarking of Linear and Nonlinear Approaches for Quantitative Structure-Property Relationship Studies of Metal Complexation with Ionophores". J. Chem. Inf. Model. 46 (2): 808-819. DOI:10.1021/ci0504216.
- ↑ M. P. Gonzalez, A. M. Helguera, H. G. Diaz (2004). "A TOPS-MODE approach to predict permeability coefficients". Polymer 45: 2073-2079.
- ↑ A. R. Katritzky, M. Kuanar, S. Slavov, D. A. Dobchev, D. C. Fara, M. Karelson, W. E. Acree, Jr., V. P. Solov'ev, A. Varnek (2006). "Correlation of blood-brain penetration using structural descriptors".Bioorg. Med. Chem. 14: 4888-4917.DOI:10.1016/j.bmc.2006.03.012.
- ↑ A. R. Katritzky, D. A. Dobchev, D. C. Fara, E. Hur, K. Tamm, L. Kurunczi, M. Karelson, A. Varnek, V. P. Solov'ev (2006). "Skin permeation rate as a function of chemical structure". J. Med. Chem.49 (11): 3305-3314. DOI:10.1021/jm051031d.
- ↑ Yu. Borodina, A, Rudik, D. Filimonov, N. Kharchevnikova, A. Dmitriev, V. Blinova, V. Poroikov (2004). "New Statistical Approach to Predicting Aromatic Hydroxylation Sites. Comparison with Model-Based Approaches". J. Chem. Inf. Comput. Sci. 44 (6): 1998-2009.DOI:10.1021/ci049834h.
- ↑ A. A. Lagunin, J. C. Dearden, D. A. Filimonov, V. V. Poroikov (2005). "Computer-aided rodent carcinogenicity prediction". Mutat. Res. 586 (2): 138-146. PMID 16112600.
- ↑ И. И. Баскин, Г. А. Бузников, А. С. Кабанкин, М. А. Ландау, Л. А. Лексина, А. А. Ордуханян, В.А.Палюлин, Н.С.Зефиров (1997). "Компьютерное изучение зависимости между эмбриотоксичностью и структурами синтетических аналогов биогенных аминов". Известия РАН, серия биологическая (4): 407-413.
- ↑ Д. А. Филимонов, В. В. Поройков (2006). "Прогноз спектра биологической активности органических соединений". Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева) L (2): 66-75.
Ссылки
Ссылки
[править]
Page updated
Google Sites
Report abuse