Cheminformatik
Chemoinformatik, Cheminformatik oder Chemieinformatik (engl. chemoinformatics, cheminformatics oder chemiinformatics) bezeichnet einen Wissenschaftszweig, der das Gebiet der Chemie mit Methoden der Informatik verbindet und umgekehrt.
Der Begriff ?Chemoinformatik? ist relativ jung, während der ältere Terminus Computerchemie und chemische_Graphentheorie das gleiche Gebiet bezeichnen (Lit.: Bonchev/Rouvray, 1990). Computerchemie wird heutzutage aber von vielen oft nur als ein Teilgebiet der Theoretischen_Chemie begriffen.
Grundlagen
Die Cheminformatik beschäftigt sich mit Berechnungen an graphischen Repräsentationen von Molekülstrukturen. Die Größe des gesamten theoretischen chemischen Raumes, welcher aus allen denkbaren (virtuellen) Molekülstrukturen besteht, wird auf etwa Moleküle geschätzt und ist damit weit größer als die Menge der bisher real synthetisierten Moleküle (Lit.: Lahana, 1999). Mit Hilfe von Computer-basierten Methoden lassen sich aber unter Umständen viele Millionen Moleküle bereits theoretisch (in silico) analysieren, ohne diese zunächst für Messungen im Labor synthetisieren zu müssen.
Molekülstrukturen können als Graphen aufgefasst werden. Als ihre Repräsentation ist für viele Anwendungen bereits die sog. Bindungstabelle (engl. connection table) ausreichend, in der die Art der Verknüpfungen (Bindungen) zwischen den einzelnen Atomen eines Moleküls abgelegt ist. Erst für weitergehende Betrachtungen kann die Einbeziehung von zweidimensionalen (2D-) bzw. dreidimensionalen (3D-) Koordinaten notwendig werden. Letztere werden insbesondere benötigt, wenn, etwa im Bereich der Medizinischen_Chemie, Wechselwirkungen mit Biomolekülen wie Proteinen untersucht werden sollen.
Zusätzlich zur Bindungstabelle können 3D-Koordinaten für real existierende Moleküle über Röntgenstrukturanalyse ermittelt werden. Wo dies nicht möglich ist oder ein Molekül physisch nicht existent ist, können 3D-Koordinaten zumindest näherungsweise auch unmittelbar aus der Bindungstabelle durch iterative Energie-Minimierungsrechnungen für verschiedene Konformationen eines Moleküls erzeugt werden. 2D-Koordinaten dienen in der Regel allein der Veranschaulichung eines Moleküls und müssen daher hauptsächlich ästhetischen Ansprüchen genügen. Sie werden ebenfalls unmittelbar aus der Bindungstabelle nach allgemein anerkannten chemischen Zeichenregeln errechnet geben nur in den seltensten Fällen die tatsächlichen Gegebenheiten in einem Molekül wieder.
Anwendungen
Quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung
Mit Hilfe geeigneter Algorithmen werden Kodierungen für Moleküle entwickelt. Durch Induktion können neue Hypothesen über molekulare Eigenschaften erstellt werden, wie z. B. die Bioverfügbarkeit oder die Fähigkeit einer Substanz, die Funktion eines bestimmten Proteins im Organismus zu hemmen oder zu verstärken. Siehe auch QSAR.
Leitstrukturoptimierung
Durch geeignete chemische und biologische Hypothesen lässt sich dieser chemische Raum auf wenige Kandidaten reduzieren, die dann im Labor synthetisiert und klinisch getestet werden. Aus diesem Grund spielt die Cheminformatik im Bereich der pharmazeutischen_Chemie und der Medizinalchemie eine große Rolle zur Optimierung von Leitstrukturen.
Chemometrie
Ebenso gibt es einen starken Bezug zur Analytischen_Chemie und zur Chemometrie.
Thermodynamik
In der technischen_Chemie werden Gruppenbeitragsmethoden verwendet, um Stoffeigenschaften wie Normalsiedepunkte, kritische_Daten, Oberflächenspannungen u. a. m. abzuschätzen.
Molecular Modeling
Das Molecular Modeling beschäftigt sich z. B. mit der Schaffung von Modellen unbekannter Makromoleküle anhand der Vorlage (Template) ähnlicher, bekannter Moleküle (Homologiemodeling), der Wechselwirkung zwischen kleinen und großen Molekülen (Rezeptordocking), wodurch QSAR möglich wird, der Moleküldynamik sowie die Entwicklung energitisch minimierter 3D-Strukturen von Molekülen (Bergsteigeralgorithmus, Simulierte Abkühlung, Molekülmechanik etc.). Es geht also darum, aufgrund bekannter Strukturen Modelle von unbekannten Strukturen zu entwickeln, um so eine QSAR zu ermöglichen.
Literatur
* D. Bonchev, D.H. Rouvray: Chemical Graph Theory: Introduction and Fundamentals. Gordon and Breach Science Publishers, 1990, ISBN 0-85626-454-7.
* R. Lahana: How many leads from HTS?. Drug Discovery Today, 1999, 4, 447-448. [http://dx.doi.org/10.1016/S1359-6446(99)01393-8 DOI: 10.1016/S1359-6446(99)01393-8].
* A.R. Leach, V.J. Gillet: An Introduction to Chemoinformatics. Kluwer Academic Publishers, 2003, ISBN 1-40201-347-7.
J._Gasteiger, T. Engel (Eds.). Chemoinformatics: A Textbook. John Wiley & Sons, 2003, ISBN 3-52730-681-1.
Siehe auch
Bioinformatik
