МОЛЕКУЛЯ́РНЫЙ ДИЗА́ЙН

МОЛЕКУЛЯ́РНЫЙ ДИЗА́ЙН, кон­ст­руи­ро­ва­ние но­вых хи­мич. со­еди­не­ний с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми с при­вле­че­ни­ем ком­пью­тер­ных, тео­ре­тич. и экс­пе­рим. ме­то­дов. Опи­ра­ет­ся на имею­щие­ся све­де­ния о ме­ха­низ­ме дей­ст­вия хи­мич. ве­ществ и/или эм­пи­рич. со­от­но­ше­ния «струк­ту­ра – свой­ст­во». Сфор­ми­ро­вал­ся в по­след­ней четв. 20 в.

Од­ним из наи­бо­лее раз­ви­тых на­прав­ле­ний яв­ля­ет­ся М. д. ле­кар­ст­вен­ных ве­ществ на ос­но­ве про­стран­ст­вен­ной струк­ту­ры био­ло­гич. ми­ше­ни (как пра­ви­ло, бел­ко­вой при­ро­ды – ре­цеп­то­ра или фер­мен­та) – ком­пь­ю­тер­ное кон­ст­руи­ро­ва­ние мо­ле­кул с ха­рак­те­ри­сти­ка­ми (гео­мет­рич. па­ра­мет­ра­ми, рас­пре­де­ле­ни­ем элек­тро­ста­тич. и ли­по­филь­но­го по­тен­циа­лов, рас­по­ло­же­ни­ем до­но­ров и ак­цеп­то­ров про­то­нов и т. д.), обес­пе­чи­ваю­щи­ми наи­луч­шее взаи­мо­дей­ст­вие с та­кой ми­ше­нью. В по­лос­ти бел­ка-ми­ше­ни кон­ст­руи­ро­вание мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся ис­хо­дя из струк­ту­ры мо­ле­ку­лы, за­пол­няю­щей лишь часть та­кой по­лос­ти, ме­то­дом на­ра­щи­ва­ния струк­ту­ры мо­ле­ку­лы с по­мо­щью фраг­мен­тов, уве­ли­чи­ваю­щих взаи­мо­дей­ст­вие с бел­ком. При­ме­ня­ет­ся так­же ме­тод сбор­ки из фраг­мен­тов, ос­но­ван­ный на раз­ме­ще­нии в по­лос­ти бел­ка-ми­ше­ни фраг­мен­тов мо­ле­ку­лы, об­разую­щих во­до­род­ные свя­зи с бел­ком и соз­даю­щих не­об­хо­ди­мые элек­тро­ста­тич. и ли­по­филь­ные взаи­мо­дей­ст­вия с ним, и по­сле­дую­щем со­еди­не­нии та­ких фраг­мен­тов с по­мо­щью т. н. лин­ке­ров и спей­се­ров в еди­ную мо­ле­ку­лу. Су­ще­ст­ву­ют ме­то­ды ди­зай­на ана­ло­гов струк­тур, хо­ро­шо свя­зы­ваю­щих­ся с бел­ком, ос­но­ван­ные на за­ме­не фраг­мен­тов струк­ту­ры, с це­лью оп­ти­ми­за­ции их свойств.

Др. под­хо­ды свя­за­ны с М. д. струк­тур на ос­но­ве ко­ли­че­ст­вен­ных со­от­но­ше­ний «струк­ту­ра – ак­тив­ность» или «струк­ту­ра – свой­ст­во» (англ. QSAR/QSPR – quantitative structure-activity/property re­lationships) для се­рий со­еди­не­ний с из­вест­ной фи­зио­ло­гич. ак­тив­но­стью (свой­ст­ва­ми). В этом слу­чае струк­ту­ра мо­ле­кул опи­сы­ва­ет­ся с по­мо­щью чи­сло­вых ха­рак­те­ри­стик (де­ск­рип­то­ров), и да­лее с при­ме­не­ни­ем ста­ти­стич. ме­то­дов ищет­ся за­ви­си­мость ме­ж­ду ве­ли­чи­ной свой­ст­ва (или ак­тив­но­сти) и на­бо­ром де­ск­рип­то­ров. За­тем осу­ще­ст­в­ля­ют­ся ком­пь­ю­тер­ная ге­не­ра­ция боль­шо­го чис­ла струк­тур и от­бор наи­бо­лее пер­спек­тив­ных по ком­плек­су свойств, пред­ска­зан­ных с по­мощью со­от­но­ше­ний «струк­ту­ра – свой­ст­во/ак­тив­ность». По­след­няя груп­па под­хо­дов ис­поль­зу­ет­ся не толь­ко для про­гно­зи­ро­ва­ния ха­рак­те­ри­стик свя­зы­ва­ния с оп­ре­де­лён­ной био­ми­ше­нью, но и ря­да др. свойств, важ­ных для со­зда­ния ле­карств, та­ких как ток­сич­ность, па­ра­мет­ры ADME (вса­сы­ва­ние, рас­пре­де­ле­ние, ме­та­бо­лизм и вы­ве­де­ние) и др.

Обыч­но при М. д. ле­кар­ст­вен­ных ве­ществ ис­поль­зу­ют­ся ком­плекс­ные под­хо­ды, вклю­чаю­щие все пе­ре­чис­лен­ные ме­то­ды (см. так­же Ме­ди­цин­ская хи­мия). Для рас­чё­та гео­мет­рич. ха­рак­те­ри­стик мо­ле­кул и ря­да свойств ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся ме­то­ды кван­то­вой хи­мии и мо­ле­ку­ляр­ной ме­ха­ни­ки.

М. д. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в разл. об­лас­тях и обес­пе­чи­ва­ет вы­пол­не­ние оп­ре­де­лён­ных тре­бо­ва­ний, за­ви­ся­щих от об­лас­ти ис­поль­зо­ва­ния кон­ст­руи­руе­мых со­еди­не­ний. При М. д. струк­тур энер­го­ём­ких со­еди­не­ний как ком­по­нен­тов ра­кет­ных то­п­лив ис­поль­зу­ют­ся за­ви­си­мо­сти «струк­ту­ра – свой­ст­во» и рас­чёт­ные ме­то­ды, обес­пе­чи­ваю­щие оп­ре­де­лён­ные ин­тер­ва­лы зна­че­ний эн­таль­пии об­ра­зо­вания, плот­но­сти, вяз­ко­сти, тем­пе­ра­тур плав­ле­ния и ки­пе­ния и ря­да др. свойств. М. д. но­вых ор­га­нич. кра­си­те­лей вклю­ча­ет учёт их спек­траль­ных ха­рак­те­ри­стик, ус­той­чи­во­сти к дей­ст­вию разл. фак­то­ров внеш­ней сре­ды, проч­но­сти свя­зы­ва­ния с ок­ра­ши­вае­мым ма­те­риа­лом и т. п. Для про­из-ва ма­те­риа­лов ла­зер­ных дис­ков не­об­хо­дим М. д. со­еди­не­ний, из­ме­няю­щих свою струк­ту­ру и оп­тич. свой­ст­ва под дей­ст­ви­ем из­лу­че­ния ла­зе­ра с оп­ре­де­лён­ной дли­ной вол­ны.

Ещё од­но на­прав­ле­ние М. д. свя­за­но с кон­ст­руи­ро­ва­ни­ем мо­ле­кул с оп­ре­де­лён­ны­ми гео­мет­рич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми, в ча­ст­но­сти «ар­хи­тек­тур­но при­вле­ка­тель­ных» и вы­со­ко­на­пря­жён­ных мо­ле­кул (та­ких, напр., как до­де­ка­эд­ран, фул­ле­рен, ку­бан, три­ан­гу­ла­ны, су­ще­ст­во­ва­ние ко­то­рых сна­ча­ла бы­ло пред­ска­за­но тео­ре­ти­че­ски с при­вле­че­ни­ем ме­тодов мо­ле­ку­ляр­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния, а за­тем осу­ще­ст­в­лён их син­тез). Мно­гие из та­ких струк­тур на­шли прак­тич. при­ме­не­ние. Отд. за­да­чей яв­ля­ет­ся ди­зайн по­ли­мер­ных мо­ле­кул, обес­пе­чи­ваю­щих оп­ре­де­лён­ные свой­ст­ва соз­да­вае­мых на их ос­но­ве ма­те­риа­лов (см., напр., в ст. Жид­кок­ри­стал­ли­че­ские по­ли­ме­ры). Важ­ней­шее зна­че­ние М. д. име­ет в разл. об­лас­тях на­но­тех­но­ло­гий: от кон­ст­руи­ро­ва­ния на­но­ав­то­мо­би­лей (пред­став­ляю­щих со­бой «плат­фор­му» из аро­ма­тич. цик­лов с «ося­ми» – аце­ти­ле­но­вы­ми фраг­мен­та­ми и «ко­лёса­ми» – фул­ле­ре­на­ми) до раз­ра­бот­ки эле­мент­ной ба­зы бу­ду­щих мо­ле­ку­ляр­ных ком­пь­ю­те­ров и др. прак­ти­че­ски важ­ных на­но­си­стем.