Die Grundlagen der Chemoinformatik SS 2007 Teil 3 ... · SS 2007, Die Grundlagen der Chemoinformatik, 5/8/07, 22:39 © 2007 Christoph Steinbeck Vorbemerkungen: Probleme mit dem Zugriff

SS 2007, Die Grundlagen der Chemoinformatik, 5/8/07, 22:39 © 2007 Christoph Steinbeck

Die Grundlagen der Chemoinformatik

SS 2007

Teil 3: Visualisierung


John Backus stirbt im Alter von 82 Jahren

● Arbeiten bei IBM am FORmula

TRANslator in den 1950'ern.

– Einflussreichste wissenschaftliche

Programmiersprache bis heute

● Arbeiten zur Spezifikation von

Grammatiken formaler Sprachen:

Backus-Naur-Form (BNF)

● 1977 Turing AwardJohn Warner Backus (1924-2007)


Vorbemerkungen:

● Probleme mit dem Zugriff aus PDF-Folien gelöst

● Besprechung des 1. Übungsblattes

– Aufgabe 2c (Tricyclo-1.1.3-heptan) so nicht lösbar

– Die Tücke mit den Tautomeren (Bioclipse, Pubchem,

INChIs)


• Erweiterbare Molekül-Arbeitsbank für alles und nichts spezielles

• Pug-ins für :

•Moleküle

•Spektren

•Sequenzen

•RSS-Feeds

•Und sehr viel mehr

• Version 1.1 auf http://www.bioclipse.net

• Entstanden in meiner Gruppe in Kooperation mit Uppsala

• Gewinner des JAX audience award

http://www.bioclipse.net/


Viagra

Diels-Alder Reaktion

Bucky Ball

Eletrostatisches Potential

Molekül-orbitale

Dopamin

Homogene Katalyse


2D Visualisierung

● Visualisierung von Daten und Sachverhalten

● Struktureditoren in der Chemie

– ChemOffice (CambridgeSoft)

– IsisDraw (MDL)

– MarvinSketch (ChemAxon)

– XDrawChem

– JChemPaint

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2D Editoren: JChemPaint


Intermezzo: CDK Installation und Benutzung

● $JAVA_HOME und $ANT_HOME korrekt gesetzt?

● Kommando “ant” in CDK directory geht immer.

● Wenn nicht -> Bug

● Checkout aus dem SVN repository gemäß

http://sourceforge.net/svn/?group_id=20024

● SVN auch über's WWW parsebar:

http://cdk.svn.sourceforge.net/viewvc/cdk/trunk/cdk/

http://sourceforge.net/svn/?group_id=20024


Intermezzo: CDK Installation und Benutzung

● CDK Hilfe:

– http://wiki.cubic.uni-koeln.de/cdkwiki/doku.php?id=cdkinstallation_windowsxp

– http://almost.cubic.uni-koeln.de/cdk/cdk_top/docu/install/EclipseHowTo

– http://cdk.sourceforge.net

● Mailing listen: cdk-devel und cdk-user

● CDK bug tracker

● CDK issue tracker

– Die „CDK News“: vierteljährliche Publikation mit

interessanten Beispielartikeln

http://almost.cubic.uni-koeln.de/cdk/cdk_top/docu/install/EclipseHowTo

http://cdk.sourceforge.net/


2D Editoren: JChemPaint

● Teil des Chemistry Development Kit

(CDK)

● ...cdk.applications.jchempaint

● Model-View-Controler (MVC) Paradigma

● Wiederverwendbare Komponenten:

– ...cdk.renderer.Render2D

– ...cdk.controler.Controler2D


2D Strukturdiagramm-Layout (SDG)

● viele Anwendungen generieren

koordinatenlose chemische Graphen

(Konstitutionen)

● SDG-Algorithmen erzeugen

Koordinaten nach den chemischen

Gepflogenheiten

● CDK enthält SDG

– ...cdk.layout.StructureDiagramGenerator

● Helson-Review

CN1c2ncn(C)c2C(=O)N(C)C1=O


<bondArray> <bond id="b1" atomRefs2="a2 a1" order="S"/> <bond id="b2" atomRefs2="a3 a2" order="A"/> <bond id="b3" atomRefs2="a4 a3" order="A"/> <bond id="b4" atomRefs2="a5 a4" order="A"/> <bond id="b5" atomRefs2="a6 a5" order="A"/> <bond id="b6" atomRefs2="a7 a6" order="A"/> <bond id="b7" atomRefs2="a8 a7" order="A"/> <bond id="b8" atomRefs2="a9 a8" order="A"/> <bond id="b9" atomRefs2="a10 a9" order="A"/> <bond id="b10" atomRefs2="a10 a2" order="A"/> <bond id="b11" atomRefs2="a10 a6" order="A"/> <bond id="b12" atomRefs2="a11 a9" order="S"/> <bond id="b13" atomRefs2="a12 a7" order="S"/> <bond id="b14" atomRefs2="a13 a12" order="S"/> <bond id="b15" atomRefs2="a14 a13" order="S"/> <bond id="b16" atomRefs2="a15 a4" order="S"/> <bond id="b17" atomRefs2="a16 a15" order="A"/> <bond id="b18" atomRefs2="a17 a16" order="A"/> <bond id="b19" atomRefs2="a18 a17" order="A"/> <bond id="b20" atomRefs2="a19 a18" order="A"/> <bond id="b21" atomRefs2="a20 a19" order="A"/> <bond id="b22" atomRefs2="a20 a15" order="A"/> <bond id="b23" atomRefs2="a21 a20" order="S"/> <bond id="b24" atomRefs2="a22 a21" order="S"/> <bond id="b25" atomRefs2="a23 a22" order="S"/> <bond id="b26" atomRefs2="a24 a17" order="S"/> <bond id="b27" atomRefs2="a25 a24" order="D"/> <bond id="b28" atomRefs2="a26 a24" order="D"/> <bond id="b29" atomRefs2="a27 a24" order="S"/> <bond id="b30" atomRefs2="a28 a27" order="S"/> <bond id="b31" atomRefs2="a29 a28" order="S"/> <bond id="b32" atomRefs2="a30 a29" order="S"/> <bond id="b33" atomRefs2="a31 a30" order="S"/> <bond id="b34" atomRefs2="a32 a30" order="S"/> <bond id="b35" atomRefs2="a33 a32" order="S"/> <bond id="b36" atomRefs2="a33 a27" order="S"/> </bondArray></molecule>

<?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-1"?><molecule id="m1" xmlns="http://www.xml-cml.org/schema"> <atomArray> <atom id="a1" elementType="O" formalCharge="0" hydrogenCount="1"/> <atom id="a2" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a3" elementType="N" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a4" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a5" elementType="N" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a6" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a7" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a8" elementType="N" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a9" elementType="N" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a10" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a11" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="3"/> <atom id="a12" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> <atom id="a13" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> <atom id="a14" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="3"/> <atom id="a15" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a16" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="1"/> <atom id="a17" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a18" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="1"/> <atom id="a19" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="1"/> <atom id="a20" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a21" elementType="O" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a22" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> <atom id="a23" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="3"/> <atom id="a24" elementType="S" formalCharge="0" hydrogenCount="-4"/> <atom id="a25" elementType="O" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a26" elementType="O" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a27" elementType="N" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a28" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> <atom id="a29" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> <atom id="a30" elementType="N" formalCharge="0" hydrogenCount="0"/> <atom id="a31" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="3"/> <atom id="a32" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> <atom id="a33" elementType="C" formalCharge="0" hydrogenCount="2"/> </atomArray>

2D Strukturdiagramm-Layout (SDG): Ablauf

Oc1nc(nc2c(nn(c12)C)CCC)c3cc(ccc3(OCC))S(=O)(=O)N4CCN(C)CC4

...cdk.smiles.SmilesParser



public void parseSmiles() throws Exception{

String smiles = "Oc1nc(nc2c(nn(c...gekürzt...N4CCN(C)CC4";StringWriter writer = new StringWriter();SmilesParser smilesParser = new SmilesParser(

DefaultChemObjectBuilder.getInstance());IMolecule molecule = smilesParser.parseSmiles(smiles);IChemObjectWriter cw = new CMLWriter();cw.setWriter(writer);cw.write(molecule);writer.flush();System.out.println(writer.toString());

}



● Partitioniere Struktur in aliphatische und cyclische Teile

– Berechne Frerejacque-Zahl R = E – N + 1 (E=Zahl

der Bindungen, N = Zahl der Atom)

– Wenn R > 0, ermittle Kleinstes Set Kleinster Ringe

– Partitioniere SSSR in konjugierte Ringsysteme.

– Markiere Atome als aliphatisch oder cyclisch



● Partitioniere Struktur in aliphatische und cyclische Teile

List list = RingPartitioner.partitionRings(ringSet);Was ergibt list.size() in diesem Fall?

IRingSet ringSet = new SSSRFinder(molecule).findSSSR();Was ergibt ringSet.getAtomContainerCount() in diesem Fall?

for (i = 0; i < ringSet.size(); i++){

AtomContainer ac = (AtomContainer)ringSet.get(i);for (j = 0; j = ac.getAtomCount(); j++)

ac.getAtomAt(j).setFlag(CDKConstant.ISINRING, true);}



● Identifiziere größte RingSet und erzeuge

Koordinaten.

– Suche höchst-substituierten Ring und lege ihn

aus.

– Identifiziere Verknüpfungstyp der restlichen

Ringe im System (spiro, fused, bridged) und

lege sie aus.

● Plaziere alle direkt gebundenen aliphatischen

Ringsubstitutenten



● Bis alle Atome plaziert sind:

– Lege alle alphatischen unplazierten Atoms in

Ketten aus, die ein bereits plaziertes Atom

enthalten.

– Lege nächstes Ringsystem aus und verknüpfe

es, korrekt rotiert, mit dem bereits ausgelegten

Rest.


2D SDG: Einige weitere Regeln

● Lege längest aliphatische Kette

zuerst aus

– Plaziere nächstes Kettenatom so,

dass es am weitesten vom

Schwerpunkt des Restmoleküls

entfernt ist

– Verwende 120°-Winkel, außer bei

sp-Atomen und z. B. >SO2-Gruppen

(Liste mit “kosmetischen

Ausnahmen”)


2D SDG: Einige weitere Regeln

● Bei Ringsubstituenten:

– Identifiziere größten offenen Winkel

– Plaziere Substitutenten, so dass sie

gleiche Winkelanteile einnehmen.


2D Strukturdiagramm-Layout (SDG): Probleme

● Manche SDG-Probleme verlangen globale

Optimierung.


2D Strukturdiagramm-Layout (SDG): Probleme

● Andere lassen sich befriedigend nur mit

Templaten lösen:


2D SDG: The current state of art

● Clark, Labute and Santavy, “2D Structure Depiction”, J.

Chem. Inf. Model. 2005

● Diverse Probleme souverän gelöst:

– Honigwaben-Einbettung von großen Ringen

– Globale Optimierung bei Überlappungsproblemen

– 3D-Embedding-Algorithmus für notorische Fälle

– Templat-Verwendung bei Konventionen


2D SDG: Clark et al. 3D embedding

● Clark et al. 3D emLabute and Santavy, “2D Structure

Depiction”, J. Chem. Inf. Model. 2005

● Diverse Probleme souverän gelöst:

– Honigwaben-Einbettung von großen Ringen

– Globale Optimierung bei Überlappungsproblemen

– 3D-Embedding-Algorithmus für notorische Fälle

– Templat-Verwendung bei Konventionen


2D SDG: Clark et al. Beispiele






3D Visualisierer: Jmol

● http://www.jmol.org

● Quasi-Webstandard

● Sehr guter Ersatz für Chime-Plugin

● Volle Unterstützung für Rasmol-Skripte

● Tolles Beispiel für einen Open Source Lebenszyklus:

– Dan Gezelter -> Bradley A. Smith -> Egon Willighagen ->

Micheal „Miguel“ Howard -> Bob Hanson

http://www.jmol.org/


3D Visualisierer: Jmol

● Rendering von Oberflächen

● Kristallographie, etc.

● Skripting-Dokumentation:

– http://www.stolaf.edu/academics/chemapps/jmol/docs/

http://www.stolaf.edu/academics/chemapps/jmol/docs/


Rendering von Oberflächen in Jmol

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