imported>17387349L8764: HC: Ergänze Kategorie:Technisches Fachgebiet

2025-11-07T19:30:36Z

HC: Ergänze Kategorie:Technisches Fachgebiet

Neue Seite

'''Chemoinformatik''', '''Cheminformatik''' oder '''Chemieinformatik''' (englisch: ''Chemoinformatics, Cheminformatics, Chemical Informatics'' oder ''Chemiinformatics'') bezeichnet einen Wissenschaftszweig, der das Gebiet der [[Chemie]] mit Methoden der [[Informatik]] verbindet mit dem Ziel, Methoden zur Berechnung von Moleküleigenschaften zu entwickeln und anzuwenden.

Zu den Gründern des Fachgebiets zählen unter anderem die Wissenschaftler [[Paul deMain]] (1924–1999), [[Johann Gasteiger]], [[Jure Zupan]] (* 1943) und [[Ivar Karl Ugi|Ivar Ugi]].

== Begriff und Definition ==
Der Begriff „Chemoinformatik“ ist relativ jung (1998)<ref>{{Literatur |Autor=V.J. Gillet, A.R. Leach |Titel=Chemoinformatics |Sammelwerk=Comprehensive Medicinal Chemistry II |Verlag=Elsevier |Datum=2007 |Sprache=en |ISBN=978-0-08-045044-5 |DOI=10.1016/b0-08-045044-x/00085-7 |Seiten=235–264 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B008045044X000857 |Abruf=2024-11-04}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=J. Polanski |Titel=Chemoinformatics |Sammelwerk=Comprehensive Chemometrics |Verlag=Elsevier |Datum=2009 |ISBN=978-0-444-52701-1 |DOI=10.1016/b978-044452701-1.00006-5 |Seiten=459–506 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780444527011000065 |Abruf=2024-11-04}}</ref>, während die älteren [[Terminus|Termini]] '''Computerchemie''' (abgeleitet von englisch: ''Computational Chemistry'') und [[chemische Graphentheorie]] das gleiche Gebiet bezeichnen (vgl. die Literaturangaben). Als Pendant zur Chemoinformatik kann die [[Bioinformatik]] genannt werden.

''Computerchemie'' wird heutzutage als ein Teilgebiet der [[Theoretische Chemie|Theoretischen Chemie]] und der [[Quantenchemie]] begriffen. Die [[Computerphysik]] hingegen befasst sich mit der Simulation physikalischer Prozesse, teilweise auch der Quantenchemie.

== Grundlagen ==

Chemoinformatik beschäftigt sich mit Berechnungen an digitalen Repräsentationen von [[Molekülstruktur]]en. Molekülstrukturen können als [[Graph (Graphentheorie)|Graphen]] aufgefasst werden. Als ihre Repräsentation ist für viele Anwendungen bereits die sog. ''Bindungstabelle'' (englisch: ''connection table'') ausreichend, in der die Art der Verknüpfungen ([[Chemische Bindung|Bindungen]]) zwischen den einzelnen [[Atom]]en eines Moleküls abgelegt ist. Erst für weitergehende Betrachtungen kann die Einbeziehung von [[zweidimensional]]en (2-D-) bzw. [[dreidimensional]]en (3-D-)[[Koordinaten]] notwendig werden. Letztere werden insbesondere benötigt, wenn, etwa im Bereich der [[Medizinische Chemie|Medizinischen Chemie]], Wechselwirkungen mit Biomolekülen wie [[Protein]]en untersucht werden sollen.

Die Größe des theoretischen chemischen Raumes aller pharmakologisch aktiven organischen Moleküle wird auf etwa 10<sup>60</sup> Moleküle geschätzt. Für diese Abschätzung wurden nur Moleküle mit den Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel und einer [[Molare Masse|molaren Masse]] von unter 500 g/mol angenommen<ref>{{Literatur |Autor=Regine S. Bohacek, Colin McMartin, Wayne C. Guida |Titel=The art and practice of structure-based drug design: A molecular modeling perspective |Sammelwerk=Medicinal Research Reviews |Band=16 |Nummer=1 |Datum=1996-01 |Sprache=en |ISSN=0198-6325 |DOI=10.1002/(SICI)1098-1128(199601)16:1<3::AID-MED1>3.0.CO;2-6 |Seiten=3–50 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/(SICI)1098-1128(199601)16:13.0.CO;2-6 |Abruf=2024-11-04}}</ref>. Der Raum aller denkbaren organischen Verbindung ist unendlich groß. Beide theoretischen chemischen Räume übersteigen damit bei Weitem die Menge der bisher real [[Synthese (Chemie)|synthetisierten]] Moleküle<ref>{{Literatur |Autor=Roger Lahana |Titel=How many leads from HTS? |Sammelwerk=Drug Discovery Today |Band=4 |Nummer=10 |Datum=1999-10 |Sprache=en |DOI=10.1016/S1359-6446(99)01393-8 |Seiten=447–448 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359644699013938 |Abruf=2024-11-04}}</ref>. Mit Hilfe von [[computer]]basierten Methoden lassen sich aber unter Umständen viele Millionen [[Molekül]]e bereits theoretisch ([[in silico]]) analysieren, ohne diese für reale Messungen zuerst im Labor synthetisieren zu müssen.

=== Repräsentation chemischer Strukturen ===

Die Repräsentation chemischer Strukturen ist eine der grundlegenden Fragestellungen. Für einen Großteil der Anwendungen hat sich die Darstellung als Bindungstabelle (Connection-Table) basierend auf der [[Valenzstrukturtheorie]] durchgesetzt. Als Beispiel einer Bindungstabelle sei hier [[Acesulfam]] im Standardformat ''[[Molfile]]'' der Firma MDL angegeben. Die Zeilen 5–14 enthalten die ''x''-, ''y''- und ''z''-Koordinaten und Elementbezeichner der Atome, die Zeilen 15–24 die Bindungstabelle mit den Ausgangs- und Endatomen jeder Bindung sowie dem Bindungstyp. Die Null-Spalten enthalten mögliche weitere Bezeichner.

<pre>
Acesulfame
-ISIS- 05070815372D

10 10 0 0 0 0 0 0 0 0999 V2000
3.2283 -1.4806 0.0000 S 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2.5154 -1.8944 0.0000 N 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3.2283 -0.6538 0.0000 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
4.0544 -1.4806 0.0000 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3.6448 -2.1935 0.0000 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1.7990 -1.4806 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2.5154 -0.2406 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1.7990 -0.6538 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1.0826 -1.8944 0.0000 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2.5154 0.5855 0.0000 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 2 1 0 0 0 0
1 3 1 0 0 0 0
1 4 2 0 0 0 0
1 5 2 0 0 0 0
2 6 1 0 0 0 0
3 7 1 0 0 0 0
6 8 1 0 0 0 0
6 9 2 0 0 0 0
7 10 1 0 0 0 0
7 8 2 0 0 0 0
M END
</pre>

Zusätzlich zur Bindungstabelle können 3-D-Koordinaten für real existierende Moleküle über [[Röntgenstrukturanalyse]] ermittelt werden. Wo dies nicht möglich ist oder ein Molekül physisch nicht existent ist, können 3-D-Koordinaten zumindest näherungsweise auch unmittelbar aus der Bindungstabelle durch [[Iteration|iterative]] [[Potentielle Energie|Energie]]-[[Optimierung (Mathematik)|Minimierungsrechnungen]] für verschiedene [[Konformation]]en eines Moleküls erzeugt werden. 2-D-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 jedoch nur in den seltensten Fällen die tatsächlichen, räumlichen Gegebenheiten in einem Molekül wieder.

== Methoden ==
{{Hauptartikel|Theoretische Chemie}}
Verfahren, die keine [[Empirie|empirischen]] Parameter benötigen, werden als Ab-initio-Methoden bezeichnet. Semiempirische Verfahren enthalten empirische Größen und weitere semiempirische Parameter, die durch theoretische Vorgehensweisen bestimmt wurden, jedoch keinen Bezug zu messbaren Größen mehr haben. Prinzipiell sind [[ab initio|Ab-initio]]-Verfahren für kleinere Moleküle geeignet. Semiempirische Verfahren spielen ihre Stärke bei mittelgroßen (100 Atome) Molekülen aus. Beispiele für semiempirische Methoden sind MNDO und AM1.

=== Ab-initio-Methoden ===

Die Güte, mit denen Ab-initio-Verfahren die Eigenschaften von Molekülen berechnen können, hängt vom Basissatz der Atome ab, das heißt, wie gut und mit wie vielen einzelnen Funktionen die Atomorbitale dargestellt werden und in welchem Ausmaß die Elektronenkorrelation berücksichtigt wird. Ab-initio-Verfahren, die auch die [[Quantenverschränkung|Elektronenkorrelation]] berücksichtigen, sind deutlich aufwändiger, liefern jedoch die besten Resultate. Man behilft sich üblicherweise mit einem Kompromiss und bezieht die Elektronenkorrelation näherungsweise ein. Beispiele für solche Verfahren sind: Møller-Plesset-[[Störungstheorie (Quantenmechanik)|Störungstheorie]], CI ([[Configuration Interaction|Configuration-Interaction]]), CC ([[Coupled Cluster]]), MCSCF (Multi-Configuration-self-consistent-Field). Ausgangspunkt der meisten ab-initio-Verfahren ist die [[Hartree-Fock]]-Methode. Ein Vorteil der ab-initio-Verfahren ist ihre systematische Verbesserbarkeit, da man durch Vergrößerung des Basissatzes und Erhöhung des Grades der Berücksichtigung der Elektronenkorrelation (z. B. CISD, CISDT,...) die Genauigkeit der Ergebnisse systematisch verbessern kann.<ref>{{Literatur |Autor=Trygve Helgaker, Jeppe Olsen, Poul Jorgensen |Titel=Molecular Electronic-Structure Theory |Auflage=Reprint |Verlag=Wiley-Blackwell |Ort=Chichester |Datum=2013-02-15 |ISBN=9781118531471 |Online=https://www.amazon.de/Molecular-Electronic-Structure-Theory-Trygve-Helgaker/dp/1118531477 |Abruf=2018-12-19}}</ref>

=== Dichtefunktionalmethoden ===
Die [[Dichtefunktionaltheorie (Quantenphysik)|Dichtefunktionaltheorie]] (DFT) ist ein Verfahren zur Bestimmung des Grundzustandes eines Vielelektronensystems, das auf der dreidimensionalen [[Ortsraum|ortsabhängigen]] [[Elektronendichte]] beruht. Daher ist es nicht notwendig, die [[Schrödingergleichung]] für das vieldimensionale Mehrelelektronensystem zu lösen, wodurch sich der Aufwand an [[Rechenleistung]] stark verringert bzw. Berechnungen an größeren Systemen möglich werden.<ref>{{Literatur |Autor=Wolfram Koch, Max C. Holthausen |Titel=A Chemist's Guide to Density Functional Theory |Hrsg= |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage= |Verlag=John Wiley & Sons |Ort= |Datum=2015-11-18 |ISBN=9783527802814 |Seiten=}}</ref> Grundlage der Dichtefunktionaltheorie ist das [[Hohenberg-Kohn-Theorem]]. Allerdings ist das exakte Funktional, welches die Grundzustandsdichte mit der Eigenenergie des Systems verknüpft unbekannt. In der Praxis ist daher die Wahl eines geeigneten approximiertem Funktionals für die Genauigkeit entscheidend. Die systematische Verbesserbarkeit ist weniger stark ausgeprägt als bei ab-initio-Methoden.

=== Semiempirische Verfahren ===

Bei semiempirischen Verfahren wird ein Großteil der Integrale des Hartree-Fock-Formalismus vernachlässigt, andere werden durch spektroskopische Werte, Parameter oder parametrisierte Funktionen angenähert. Grund für diese Approximation war die geringe Rechenkapazität früherer Zeiten. Um die theoretischen Erkenntnisse dennoch auf chemische Fragestellungen anwenden zu können, musste der vorhandene Formalismus vereinfacht werden.

Die [[Hückel-Näherung]] ist der einfachste semiempirische Ansatz, da sie gar keine Integrale berechnet. Allerdings ist sie auch nur auf <math>\pi</math>-Elektronensysteme anwendbar. Die Theorie wurde später auch auf <math>\sigma</math>-Systeme erweitert (Extended-Hückel-Theory, EHT).

Etablierte Methoden, die auch heutzutage noch häufig angewendet werden, gehören zur Klasse der NDDO-Näherung (Neglect of Diatomic Differential Overlap): MNDO (Modified Neglect of Differential Overlap), AM1 (Austin-Model 1), PM3 (Parametrised Method 3).
Für kritische Berechnungen sind semiempirische Methoden mit CI und MCSCF kombiniert worden. Mit solchen Verfahren sind dann beispielsweise Reaktionsbarrieren und ganze Energieprofile komplexer Reaktionen berechenbar oder sogar angeregte Zustände (MNDO/CI, MNDO/MCSCF).<ref>{{Literatur |Autor=Walter Thiel |Titel=Semiempirical quantum–chemical methods |Sammelwerk=Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science |Band=4 |Nummer=2 |Datum=2014 |ISSN=1759-0884 |DOI=10.1002/wcms.1161 |Seiten=145–157 }}</ref>

Die Grenzen semiempirischer Methoden liegen in ihrer Parametrisierung: Eigentlich können mit der fertigen Methoden nur Systeme gerechnet werden, die in ähnlicher Weise im Parametrisierungsdatensatz vorhanden waren.

=== Molekularmechanische Verfahren ===
{{Hauptartikel|Kraftfeld (Computerphysik)}}
Kraftfeldprogramme verwenden einen klassisch-mechanischen Ansatz: Bindungen zwischen zwei Atomen ''A'' und ''B'' werden dabei einfach als Sprungfeder angenähert und im einfachsten Fall mit einem harmonischen Potenzial beschrieben ([[Hookesches Gesetz]]):

: <math>E_{AB} = k_{AB} (r_{AB}^0 - r)^2</math>

Da eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen eine andere Stärke und Gleichgewichtslänge als eine Einfachbindung besitzt, werden unterschiedliche Parametersätze benötigt ([[Kraftkonstante]] <math>k_{AB}</math> und Ruhelage <math>r_{AB}^0</math>). Man verwendet daher zur Kennzeichnung der Atome keine einfachen Elemente mehr, sondern Atomtypen.
Ähnliche Ansätze gibt es für Bindungs- und Torsionswinkel. Elektrostatische ([[Coulombsches Gesetz|Coulomb]]) und [[Van-der-Waals-Kräfte|Van-der-Waals-Wechselwirkungen]] bezeichnet man als nicht-bindende Wechselwirkungen.
Kraftfeldmethoden müssen an empirische oder quantenmechanisch berechnete Daten parametrisiert werden, so dass ein Kraftfeld durch zweierlei charakterisiert ist, seine Energiefunktion und den Parametersatz.

Kraftfelder ermöglichen die Geometrieoptimierung sehr großer (Bio-)Moleküle (zum Beispiel: [[Protein]]e) und werden hauptsächlich für [[Molekulardynamik-Simulation|Moleküldynamik-]] oder [[Monte-Carlo-Simulation]]en verwendet.

== Anwendungen ==

Es gibt verschiedene wichtige Themen innerhalb des Gebiets – eine Auswahl:
* Die computergestützte Darstellung von Molekülen und die quantenmechanische Berechnung ihrer Eigenschaften.
* Anwendungen, die Chemikalien strukturiert speichern und finden können (Datenbanken)
* Methoden, um die Systematiken in der Wechselwirkung zwischen Molekularstruktur und Eigenschaften der Stoffe zu verstehen (QSPR).
* Kraftfeldrechnungen zur Geometrieoptimierung großer Moleküle
* [[Molekulardynamik-Simulation|Moleküldynamik]] zur Berechnung von Bindungsthermodynamik der Enzyme
* Computergestützte Syntheseplanung
* Computergestützte Prognose der Wirksamkeit von Arzneimitteln

Im Folgenden werden ausgewählte Anwendungsbeispiele genauer dargestellt.

=== Quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung ===

Mithilfe geeigneter [[Algorithmus|Algorithmen]] werden [[Kodierung]]en für Moleküle entwickelt. Durch [[Induktion (Denken)|Induktion]] können neue [[Hypothese]]n über molekulare Eigenschaften erstellt werden, wie zum Beispiel die [[Bioverfügbarkeit]] oder die Fähigkeit einer Substanz, die Funktion eines bestimmten [[Protein]]s im [[Organismus]] zu hemmen oder zu verstärken (siehe auch: [[QSAR]]).

=== Leitstrukturoptimierung ===

Durch geeignete chemische und [[Biologie|biologische]] [[Hypothese]]n 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 [[Pharmazeutische Chemie|pharmazeutischen Chemie]] und der [[Medizinische Chemie|Medizinalchemie]] eine große Rolle zur Optimierung von [[Leitstruktur (Pharmakologie)|Leitstrukturen]].

=== Thermodynamik ===

In der [[Technische Chemie|technischen Chemie]] werden [[Gruppenbeitragsmethoden]] verwendet, um Stoffeigenschaften wie [[Normalsiedepunkt]]e, [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|kritische Daten]], [[Oberflächenspannung]]en und anderes mehr abzuschätzen.

=== Molekulare Modellierung ===

Die [[Molekulare Modellierung]] beschäftigt sich beispielsweise 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 energetisch minimierter 3-D-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.

== Verwandte Gebiete ==

Es gibt einen starken Bezug zur [[Analytische Chemie|Analytischen Chemie]] und zur [[Chemometrie]]. Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen (beispielsweise: Spektrenkorrelation) spielen eine zentrale Rolle.
Aufgrund vergleichbarer Arbeitsweise existiert eine enge Beziehung zur [[Computerphysik]], wodurch eine klare Trennung häufig nicht eindeutig gegeben ist.

== Softwarepakete ==

Die Programme der Chemoinformatik basieren auf verschiedenen quantenchemischen Methoden zur Lösung der molekularen [[Schrödingergleichung]]. Grundsätzlich lassen sich zwei Ansätze unterscheiden: Semiempirische Verfahren und Ab-initio-Verfahren.

Alle beschriebenen Verfahren und Methoden sind in gängigen Softwarepaketen verfügbar. Beispiele hierfür:

* ACES
* [[ArgusLab]]
* Cerius2
* [[CHEMKIN]]
* [[GAUSSIAN]]
* [[GAMESS]]
* Jaguar
* MOLPRO
* Spartan
* TURBOMOLE

Die Herausforderung für den Anwender dieser Software ist es, das am besten geeignete Modell für seine Problemstellung zu finden und die Ergebnisse im Gültigkeitsbereich der Modelle zu interpretieren.

== Literatur ==

* D. Bonchev, D. H. Rouvray: ''Chemical Graph Theory: Introduction and Fundamentals''. Gordon and Breach Science Publishers, 1990, ISBN 0-85626-454-7.
* A. R. Leach, V. J. Gillet: ''An Introduction to Chemoinformatics.'' Kluwer Academic Publishers, 2003, ISBN 1-4020-1347-7.
* J. Gasteiger, T. Engel (Hrsg.): ''Chemoinformatics: A Textbook.'' John Wiley & Sons, 2003, ISBN 3-527-30681-1.

== Weblinks ==
* [http://qmcathome.org/ QMC@home] [[BOINC]]-Projekt der Uni Münster zur Quanten-Monte-Carlo-Methode
* [http://www.vcclab.org/ VCCLAB]: Virtual Computational Chemistry Laboratory
* [http://pubs.acs.org/journals/jcisd8 JCIM]: [[Journal of Chemical Information and Modeling]]
* [https://jcheminf.springeropen.com/ JChemInf]: [[Journal of Cheminformatics]]
* [http://www.chemie.uni-erlangen.de/ccc Computer-Chemie-Centrum] der Universität Erlangen-Nürnberg
* [http://cheminformatics.org/ Cheminformatics.org], eine manuell gepflegte Webseite mit Links zur Chemieinformatik, Projekten und Datenbanken
* [https://www.organic-chemistry.org/prog/peo/ Osiris Property Explorer], computergestützte Voraussage von Eigenschaften potenzieller Arzneistoffe

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Teilbereiche der Chemie}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4290091-8}}

[[Kategorie:Angewandte Informatik]]
[[Kategorie:Computerchemie| ]]
[[Kategorie:Teilgebiet der Chemie]]
[[Kategorie:Technisches Fachgebiet]]

Chemoinformatik - Versionsgeschichte

imported>17387349L8764: HC: Ergänze Kategorie:Technisches Fachgebiet