Nábojové deskriptory a jejich využití pro výpočet pKa

Bc. Jaroslav Oľha

Bachelor's thesis

Charge descriptors and their application for pKa calculation

Abstract:

Jednou z velkých chemoinformatických výzev je predikce disociačních konstant (pKa) molekul. Tyto hodnoty jsou velmi zajímavé pro chemický, biologický a enviromentání výzkum, protože různé důležité fyzikálně-chemické vlastnosti molekul jsou závislé na pKa. Slibnou metodikou pro predikci pKa je výpočet pKa s využitím Delaunayho triangulace a empirických parciálních atomových nábojů molekuly. Jedním z cílů práce bylo implementovat tuto metodiku a analyzovat její výsledky. Při práci s parciálními atomovými náboji je velmi užitečnou pomůckou možnost jejich vizualizace. Takto jsme schopni rychle nalézt chemicky zajímavé oblasti molekuly, studovat trendy v rámci větších sad molekul nebo odhalit chybně vypočítané náboje. Většina současných softwarových balíků pro vizualizaci nábojů má však pouze limitovanou funkcionalitu. Tato problematika je druhou oblastí, na jejíž řešení sa zaměřuje tato práce. V rámci práce byla nejdříve věnována pozornost prvnímu z úkolů – predikci pKa. Byl navrhnut algoritmus pro výpočet pKa pomocí Delaunayho triangulace a tento algoritmus byl implementován v programovacím jazyce C#. Kvalita predikce pKa pomocí tohoto programu byla otestována s využitím dvou typů molekul – fenolů a karboxylových kyselin. Pro oba typy molekul byly jako vstupní empirické náboje využity náboje vypočítané pomocí EEM (Electronegativity Equalization Method). Predikované hodnoty pKa korelovaly s experimentálními hodnotami. Dále byl řešen druhý úkol – vizualizace nábojů. Byla navrhnuta a implementována webová aplikace SuperCharge9000, která využívá softwarů Jmol, MarvinSpace a OpenBabel a poskytuje uživateli komplexní a uživatelsky přívětivé rozhraní pro načítání a vizualizaci nábojů. Tato aplikace je schopna načítat náboje uložené v nábojových datových formátech MOL2 nebo PQR a dokáže také využít náboje zapsané v textovém souboru. Hlavní funkcionalitou aplikace je však schopnost vizualizovat náboje pomocí všech známých vizualizačních modelů. Aplikace SuperCharge9000 byla úspěšně testována na vybraných organických molekulách a proteinech.

Abstract:

One of the challenges facing chemoinformatics today is prediction of acid dissociation constants of molecules (pKa). These values are very interesting for chemical, biological and environmental research, because various important physically-chemical properties of molecules depend on their pKa. A promising method of pKa prediction is calculation using Delaunay triangulation and empirical partial atomic charges of a molecule. One of the goals of this thesis was implementation of this method and analysis of its results. A very helpful tool for work with partial atomic charges is the visualization of these charges. When partial charges are visualized, it is easier to quickly find chemically interesting areas within a molecule, analyse trends in larger sets of molecules or discover miscalculated charges. However, most of today's software tools for partial charge visualization only offer a limited functionality. This is the second area this thesis investigated. The first focus of this thesis was pKa prediction. An algorithm for calculation of pKa charges using Delaunay triangulation has been designed and then implemented in C# programming language. The quality of this application's predictions has been tested using two types of molecules - phenols and carboxylic acids. The empirical charges used as input for the application were calculated by EEM (Electronegativity Equalization Method). The predicted values showed correlation with experimental values. Then, the focus shifted to the second task - partial charge visualization. A web application called SuperCharge9000 has been designed and implemented, using software tools Jmol, MarvinSpace and OpenBabel to offer the user a complex and user-friendly interface for partial charge visualization and conversion. The application can load data from MOL2 and PQR file formats and can also use charges stored in a separate text file. The main functionality, however, is visualization of partial charges using all the known partial charge visualization models. SuperCharge9000 has been tested on a selection of organic molecules and proteins.

Keywords

Delaunayho triangulace, disociační konstanta, aproximace, vizualizace nábojů, EEM náboje, webová aplikace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 18. 6. 2013
• Supervisor: doc. RNDr. Radka Svobodová Vařeková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics