Цель занятия: познакомить обучающихся с основными методами вычисления и анализа биологической активности органических соединений, в том числе с использованием программного обеспечения ACDLabs.
Задачи занятия:
- познакомить обучающихся с основными методами вычисления и анализа биологической активности органических соединений, в том числе подходом QSAR и использованием программы Chemsketch 2012;
- закрепить полученные знания при выполнении практического задания в программе Chemsketch 2012;
- развить навыки работы обучающихся в программе Chemsketch 2012.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Оборудование. Компьютеры, проектор, экран, презентация к уроку, карточки с индивидуальными заданиями для учащихся (см. Приложение 1), раздаточные материалы для учащихся (см. Приложение 2), программное обеспечение ACDLabs Chemsketch 2012, база молекул для анализа (см. Приложение 3).
Ход урока
Учитель знакомит обучающихся с темой урока (слайд 1), напоминает понятие биологической активности, рассказывает про подход QSAR (Quantitative Structure – Activity Relationship (Количественные корреляции структура ? активность)). Целью данного подхода является выведение уравнений, описывающих зависимость биологической активности от физико-химических и структурных свойств веществ. При наличии данных уравнений можно сделать выводы о возможном влиянии на организм человека относительно схожих веществ (слайд 2).
Далее учитель сообщает обучающимся о достоинствах и недостатках подхода QSAR. (слайд 3). Несмотря на существенное снижение круга поиска веществ, обладающих биологической активностью и выявление возможных исходных соединений для создания новых лекарственных препаратов, подход имеет большое число варьируемых показателей и предполагает одновременное изменение не более двух свойств. Согласно подходу QSAR зависимость биологической активности от физико-химического свойства органического соединения выражается прямой (слайд 4).
Затем учитель вводит понятие липофильности, приводит формулу для ее вычисления (слайд 5):
Учащимся поясняется, что липофильность является важным фактором, так как обеспечивает попадание биологически активных веществ в клетки, приводится уравнение для описания линейной зависимости биологической активности от коэффициента липофильности (Log P):
Однако, в большинстве случаев зависимость биологической активности от коэффициента липофильности имеет не линейную, а параболическую зависимость (слайд 6). Таким образом, максимум биологической активности приходится на вершину параболы и имеет значение Log P0. Далее учитель обращает внимание учащихся на то, что повышение коэффициента липофильности не всегда способствует повышению биологической активности, при высоких значениях Log P вещество может не проявлять никакой активности, а значения Log P в интервале от 2.00 до 4.00 характерны для психотропных и наркотических веществ.
Для параболической зависимости биологической активности от коэффициента липофильности имеется уравнение общего вида (слайд 7):
Учитель поясняет учащимся, что данное уравнение справедливо при условии влияния на биологическую активность только коэффициента липофильности, и приводит пример уравнения для простых эфиров:
Различные заместители, вводимые в органическое соединение, могут изменять коэффициент липофильности (слайд 8). Учитель приводит примеры расчета коэффициентов липофильности соединения по значениям Log P схожих веществ и с использованием константы гидрофобности заместителя.
Далее учитель знакомит учащихся со схемой Топлисса, используемой при создании лекарственных веществ, обладающих биологической активностью (слайд 9). Данная схема отражает возможные пути модификации органического соединения в зависимости от изменения коэффициента липофильности.
Затем учитель показывает учащимся интерфейс программы Chemsketch 2012, поясняет, как с ее помощью выполнить расчет коэффициента липофильности (слайд 10).
Также данная программа позволяет выполнить идентификацию органического соединения с помощью базы данных PubChem и получить сведения об использовании соединения в фармацевтической промышленности, получить различные данные о физико-химических свойствах вещества (слайд 11).
Данные о коэффициентах липофильности, полученные с помощью программы Chemsketch хорошо коррелируются с опытными данными (слайд 12).
Далее учащиеся выполняют практическое задание (см. Приложение 1). Каждый обучающийся берет карточку с индивидуальным заданием. Каждая карточка содержит по 5 структур (см. Приложение 3) для которых необходимо предположить свойства соединения, исходя из заместителей и функциональных группировок, определить коэффициент липофильности, провести идентификацию вещества с помощью базы PubChem и предложить пути уменьшения и увеличения коэффициента липофильности, а, следовательно, и биологической активности. Задание учащиеся оформляют в Microsoft Word, пользуясь раздаточными материалами (см. Приложение 2) в виде отчета в свободной форме.
Итоги урока.
В конце урока учащиеся подводят итоги: оценивают проведенную ими работу и сообщают о получившихся результатах учителю, который внимательно проверяет выполненное задание и отчеты обучающихся. В качестве домашнего задания учащимся предлагается найти информацию о применении исследуемых веществ в медицине и фармацевтической промышленности на основе данных, полученных с помощью базы данных PubChem.
Литература
1. Косивцов Ю.Ю., Сидоров А.И., Алферов В.В. Применение ЭВМ в химии, химической технологии и биотехнологии / Ю.Ю. Косивцов, А.И. Сидоров, В.В. Алферов // Учебное пособие. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2005. – 144 с.
2. ACD/Labs.com: [Электронный ресурс] Canada, 1996–2014. Режим доступа: http://www.acdlabs.com