zum Directory-modus

Molecular ModelingZoomA-Z

Fachgebiet - Theoretische Chemie, Chemoinformatik

Molecular Modeling wird als Moleküldesign bezeichnet und ist ein Sammelbegriff für das computerunterstützte Modellieren von Molekülen, mit dem Ziel, ihre Struktur und Wirkungsmöglichkeiten zu simulieren. Für Molecular Modeling ist auch die Abkürzung CAMD gebräuchlich, abgeleitet vom englischen Begriff Computer-Aided Molecular Design.

Das erste Molecular-Modeling-System wurde am MIT für die Aufklärung der Konformation einfacherer organischer Moleküle entwickelt. Inzwischen sind die Computer, vor allem auch, was die Graphik anbelangt, so leistungsfähig, dass auch große Biomoleküle modelliert werden können. Zu den bekannten Rechenverfahren gehören die Monte-Carlo-Methode und molekulardynamische Ansätze.

Die Anwendung des Molecular Modeling beruht darauf, dass ein enger Zusammenhang zwischen Struktur und Wirkung von Molekülen besteht. Man spricht dabei oft vom Schlüssel-Schloss-Prinzip. Nach diesem müssen beispielsweise die Moleküle eines pharmazeutischen Wirkstoffes und einer körpereigenen Substanz, auf die er einwirken soll, räumlich kongruent sein, damit eine Reaktion zwischen ihnen eintritt. Die Wirkung von Enzymen beruht z.B. auf diesem Prinzip.

Das Molecular Modeling wird nicht nur zur Aufklärung von Strukturen und Wirkmechanismen eingesetzt, sondern zunehmend auch zur Entwicklung von Pharmaka. Dabei können Wirkstoffe schon zu Beginn so gezielt synthetisiert werden, dass weniger Tierversuche und klinische Tests an Menschen erforderlich sind, als das bisher der Fall war.

Auch in der Technik gewinnt das Molecular Modeling an Bedeutung. Beispielsweise konnten im vergangenen Jahrzehnt die Eigenschaften von Kunststoffen und Fasern, aber auch von Katalysatoren, weitgehend modelliert werden.

Lerneinheiten, in denen der Begriff behandelt wird

4.4 - Grippe - Neuraminidase - Aktives ZentrumLevel 490 min.

PharmazieArzneimittelThemenreise Wirkstoffe

In dieser Lerneinheit wird die Struktur des Enzyms Neuraminidase, eines der beiden Influenza-Oberflächen-Antigene, und seines aktiven Zentrums ausführlich behandelt. Außerdem werden die Wechselwirkungen zwischen der Influenza-Neuraminidase und ihrem natürlichen Substrat Sialinsäure detailliert beschrieben.

Hückel-Theorie - Einführung und EnergieberechnungLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit geht auf die Hückel-Theorie ein, insbesondere auf die Berechnung von Energien und Säkulardeterminanten am Beispiel von Butadien.

Ab-initio-Methoden - Einführung und NäherungenLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

In dieser Lerneinheit soll eine Einleitung in die Thematik Ab-initio-Methoden gegeben werden. Es werden Vereinfachungen erläutert, die die Anwendung der Gesetze der Quantenmechanik auf chemische Fragestellungen ermöglichen. Es wird dabei auf die Born-Oppenheimer- und die Hartree-Fock-Näherung eingegangen. Ebenso wird noch einmal der LCAO-Ansatz erläutert.

Post-SCF-Methoden: Einführung und MethodenLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Einleitung in die Post-SCF-Methoden und eräutert zudem noch die verschiedenen Methoden wie Configutarion Interaction und die Störungstheorie.

Quantenchemie - Einführung und MethodenLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Einführung in die Quantenchemie im Molecular Modeling.

Moleküldynamik - EinführungLevel 440 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Einführung in die Moleküldynamik im Bereich des Molecular Modeling. Es wird erläutert, wie die Newton'schen Bewegungsgleichungen gelöst werden.

Hückel-Theorie - MoleküleigenschaftenLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

In dieser Lerneinheit wird die Normierung der Wellenfunktion und die damit einhergehende Vereinfachung des Integrals beschrieben. Die Bedingung für orthogonale Wellenfunktionen wird erklärt. Daraufhin wird am Beispiel von Butadien die Berechnung von Moleküleigenschaften vorgestellt.

Molekülmechanik - Berechnung von MinimaLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit erklärt verschiedene Möglichkeiten der Minimaberechnung. Dabei wird unter anderem auf die numerische Methode und die Conjugate-Gradient-Methode eingegangen.

EinführungLevel 420 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit führt allgemein in die Computerchemie ein. Es werden Problemlösungsstrategien vorgestellt und die Methoden der Computerchemie erläutert. Weiterhin wird auf die Entwicklung der quantenchemischen Verfahren in den letzten Jahren eingegangen.

Moleküldynamik - Strategien und BeispieleLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt verschiedene Strategien der Moleküldynamik um verschiedene Eigenschaften des Systems berechnen zu können. Am Beispiel der Konformationsanalyse von Cyclohexan werden verschiedene Einflüsse auf die Rechenzeit diskutiert.

Qualitative MO-Theorie - π-SystemeLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt, wie sich auf qualitativem Weg Molekülorbitale aufstellen lassen. Dabei wird auf lineare und cyclische π-Systeme eingegangen.

Molekülmechanik - Beispiele zur EnergieberechnungLevel 435 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt Beispiele für die Berechnung der Energie. Dabei wird auf die Rotationsbarrieren im Ethan und n-Butan eingegangen sowie die Grid-Rechnung am Beispiel von n-Pentan.

Post-SCF-Methoden - DichtefunktionaltheorieLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Am Beispiel von Propargylen wird die geeignete Auswahl eines Basissatzes erläutert. Dabei wird auf den Rechenaufwand und auf die Struktur und Energiehyperfläche von Propargylen eingegangen. Außerdem werden die Grundzüge der Dichtefunktionaltheorie vorgestellt.

Molekülmechanik - Nichtbindende WechselwirkungenLevel 435 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Übersicht über die nichtbindenden Wechselwirkungen (Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Wasserstoff-Brücken und Dipol-Wechselwirkungen). Außerdem wird auf die United-Atom-Näherung, auf Kraftkonstanten und Crossterme eingegangen. Auch die Fourier-Reihen-Entwicklung wird erklärt.

Molekülmechanik - EinführungLevel 435 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit gibt eine Einführung in die Molekülmechanik und beschreibt die Berechnung von Energien. Dabei wird auf die Bedeutung der Potenzialkurven für die Berechnung der potenziellen Energie eingegangen.

Ab-initio-Methoden - Basissätze und KoeffizientenLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

In dieser Lerneinheit wird das Grundprinzip der Basissätze erläutert. Es gibt viele Basissätze, daher ist die Wahl eines geeigneten Basissatzes eine wichtige, aber auch schwierige Aufgabe. Basisfunktionen vom Gauss- oder Slater-Typ werden in dieser Lerneinheit vorgestellt.

Drug Design am Beispiel eines HIV-Protease-InhibitorsLevel 260 min.

PharmaziePharmazeutische ChemieWirkstoffdesign

Einführung in das Thema Drug Design, Vorstellung wichtiger Konzepte und Methoden, Veranschaulichung am Beispiel eines HIV-Protease-Inhibitors, Aufbau und Lebenszyklus des HI-Virus

Quantenchemie - Das WasserstoffmolekülLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt den "circulus vitiosus" bei der Berechnung der Wellenfunktion für das Wasserstoff-Molekül. Es wird das Aufstellen der Energiefunktion erläutert.

Qualitative MO-Theorie - beliebige SystemeLevel 430 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Diese Lerneinheit beschreibt Molekülorbitale für beliebige Systeme. Dabei wird zwischen homonuklearen (z.B. Sauerstoff oder Stickstoff) und heteronuklearen (z.B. Stickstoffmonoxid) Molekülen unterschieden. Außerdem wird am Beispiel der Methyl-Gruppe die Aufstellung von Gruppenorbitalen vorgestellt.

1 - Einleitung zur Themenreise WirkstoffeLevel 245 min.

PharmazieArzneimittelThemenreise Wirkstoffe

Diese Lerneinheit gibt eine allgemeine Einführung in die Thematik der Wirkstoffsuche, von der Historie bis zur Moderne. Sie beschäftigt sich mit der historischen Fortentwicklung der Wirkstoffsuche, von der Volksmedizin über die Identifizierung von Leitstrukturen bis zur gezielten Konstruktion von Wirkstoffen am Computer. Außerdem werden Herz- und Kreislauferkrankungen, Krebs, bakterielle und virale Infektionskrankheiten als wichtige Indikationsgebiete der modernen Wirkstoff-Forschung einführend beschrieben.

Einführung in das Wirkstoffdesign (Drug Design)Level 145 min.

PharmaziePharmazeutische ChemieWirkstoffdesign

Einführung und Geschichte des Wirkstoffdesigns

Molecular Modelling beim WirkstoffdesignLevel 275 min.

PharmaziePharmazeutische ChemieWirkstoffdesign

Das molekulare Modellieren (Molecular Modelling) umfasst verschiedene, meist computerbasierte Methoden und Techniken für die Herleitung, Darstellung und Manipulation dreidimensionaler chemischer Strukturen und daraus abgeleiteter physikochemischer Moleküleigenschaften sowie für die Modellbildung chemischer Reaktionen. Da die meisten Moleküle flexible Systeme sind, die verschiedene, energetisch gleichwertige Zustände einnehmen können, ist bereits das Modellieren einzelner Moleküle keineswegs trivial und verlangt eine erhebliche Rechenleistung. Noch komplexer ist die Modellbildung und Simulation von Bindungsprozessen, da hier sowohl die Besonderheiten des Targets als auch der untersuchten Liganden sowie des Mediums bzw. Lösungsmittels, in dem die Reaktion abläuft, berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund stellen die berechneten Modelle einen Kompromiss zwischen möglichst realistischen Parametern und notwendigen Vereinfachungen bzw. Annäherungen an die realen Verhältnisse dar. So werden zur Simplifizierung von Energieberechnungen z.B. die Moleküle analog zu makroskopischen Körpern mit einer bestimmten Oberfläche und Volumen visualisiert und Reaktionen meist unter den so genannten "idealen Bedingungen" (z.B. im Vakuum) berechnet.

Homologie-Modellieren von ProteinenLevel 245 min.

BiochemieArbeitsmethodenStrukturanalyse

Einführung in die Strukturvorhersage von Proteinen über den Vergleich mit bereits bekannten Proteinen.

Molecular ModellingLevel 350 min.

BiochemieArbeitsmethodenStrukturanalyse

Diese Lerneinheit gibt einen Einblick in die Methoden und Anwendungsgebiete des Molecular Modelling am Beispiel der Strukturvorhersage von Proteinen.

4.5 - Grippe - Das Grippemedikament ZanamivirLevel 490 min.

PharmazieArzneimittelThemenreise Wirkstoffe

In dieser Lerneinheit wird die Entwicklung des antiviralen Grippemedikamentes Zanamivir beschrieben, das als Inhibitor der Neuraminidase den Lebenszyklus des Influenza-Virus empfindlich stört. Dabei spielten computergestützte Methoden des Molecular Modellings eine herausragende Rolle. Zum Abschluss werden die molekularen Wechselwirkungen zwischen Zanamivir und der Influenza-Neuraminidase detailliert erläutert.

4.1 - 4.5 - Grippe (gesamt)Level 4100 min.

PharmazieArzneimittelThemenreise Wirkstoffe

Diese Lerneinheit beschäftigt sich ausführlich mit dem Thema Influenza. Sie enthält sowohl allgemeine Informationen zum Thema Grippe wie auch detaillerte Beschreibungen des Aufbaus von Influenza-Viren und deren Lebenszyklus. Außerdem wird die Struktur eines der beiden Influenza-Oberflächenantigene, das Protein Neuraminidase und dessen aktives Zentrum, ausführlich behandelt. Den Abschluss bildet die Erläuterung der Entwicklung eines antiviralen Grippemedikamentes, Zanamivir, das als Inhibitor der Neuraminidase den Lebenszyklus des Influenza-Virus empfindlich stört.

PraxisLevel 445 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Die Herleitungen in den anderen Lerneinheiten ergeben meist die Energie des Systems. Ableitungen der Energie nach anderen Parametern (Kernkoordinaten, magnetisches Feld...) ergeben andere Moleküleigenschaften. Darauf geht diese Lerneinheit ein. Azulen und Aceton werden als Beispiele behandelt.

Molecular Modeling: Kraftfelder und MolekülmechanikLevel 240 min.

ChemieTheoretische ChemieMolecular Modeling

Bei einer Beschreibung mittels der Molekülmechanik betrachtet man das Molekül aus den Atomen, als Punktmassen, aufgebaut. Diese Punktmassen werden mit der klassischen Mechanik (Newton) beschrieben. Die Güte der Ergebnisse wird durch die verwendeten Parameter und Potenzialfunktionen (Kraftfeld) limitiert.