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Molecular Modelling

Was ist Molecular Modelling?

Molecular Modelling stellt eine Verbindung zwischen der theoretischen Chemie und den anwendungsorientierten, empirischen Methoden der Chemie dar. Heute wird unter "Molecular Modelling" in der Regel computergestütztes Modelling verstanden, aber Moleküle lassen sich auch anders modellieren. Eine ganz einfache Form von Molecular Modelling wäre beispielsweise die Darstellung einer chemischen Struktur mit Strukturformeln oder mit Molekülmodellen wie dem CPK-Modell von Corey, Pauling, Koltun. Seit der Entwicklung der Quantenchemie und der Verwendung immer leistungsfähigerer Computer lassen sich Berechnungen anstellen, die nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Aussagen über die Struktur eines Moleküls zulassen.

Hinweis
Da die Berechnung von Molekülstrukturen extrem aufwändig ist, lassen sich heute allerdings nur sehr kleine Moleküle wirklich exakt beschreiben, während die Struktur großer Moleküle - wie der Proteine - auch unter Verwendung experimenteller Daten nur näherungsweise bestimmt werden kann. Je nachdem, welche Art von Informationen über ein bestimmtes Molekül zur Verfügung stehen, werden verschiedene Arten von Strategien verfolgt.

Anwendung des Molecular Modelling in der Proteinchemie

Stehen keine Daten aus der Röntgenkristallographie zur Verfügung, wird ein indirektes Modelling durchgeführt, bei dem auf der Grundlage der Aminosäure-Sequenz (Primärstruktur) ein Modell gesucht wird, das möglichst nahe an der tatsächlichen 3D-Struktur liegen sollte. Hierzu gehört z.B.:

  • Homologie-Modelling
  • QSAR (Quantitative Struktur-Aktivitätsbeziehungen)
  • Pseudorezeptoren
  • Pharmakophor-Bestimmungen

Ist die 3D-Struktur des Moleküls bekannt, kann ein direktes Modelling durchgeführt werden, um z.B. zu untersuchen, wie sich die Konformation eines Proteins durch die Bindung eines Liganden ändert oder welche Auswirkungen eine Veränderung am Ligand und/oder an der Bindungsstelle im Protein auf die Eigenschaften des Proteins hat. Mögliche Anwendungen sind:

  • Moleküldynamik-Simulationen
  • Protein-Ligand-Wechselwirkungen
  • de novo-Design potenzieller Liganden
Hinweis
Die Anwendungen des Molecular Modelling in der Biochemie sind vielfältig und haben besonders die Arzneistoffentwicklung in den letzten Jahren stark verändert. Wo früher zahlreiche neue Wirkstoffe synthetisiert und dann in zeit- und arbeitsintensiven Tests auf ihre mögliche Anwendbarkeit hin überprüft werden mussten, basiert die Entwicklung eines neuen Wirkstoffes heute eher auf theoretischen Vorhersagen über die Struktur und den potenziellen Wirkmechanismus einer neuen Substanz. Auch die Aktivität möglicher Liganden lässt sich in vielen Fällen mit Methoden des Molecular Modelling vorhersagen.
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