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índice topológico

En los campos de la teoría química de grafos , la topología molecular y la química matemática , un índice topológico , también conocido como índice de conectividad , es un tipo de descriptor molecular que se calcula en función del gráfico molecular de un compuesto químico. [1] Los índices topológicos son parámetros numéricos de un gráfico que caracterizan su topología y generalmente son invariantes del gráfico . Los índices topológicos se utilizan, por ejemplo, en el desarrollo de relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR) en las que la actividad biológica u otras propiedades de las moléculas se correlacionan con su estructura química . [2]

Cálculo

Los descriptores topológicos se derivan de gráficos moleculares suprimidos por hidrógeno, en los que los átomos están representados por vértices y los enlaces por aristas. Las conexiones entre los átomos pueden describirse mediante varios tipos de matrices topológicas (por ejemplo, matrices de distancia o de adyacencia), que pueden manipularse matemáticamente para derivar un único número, generalmente conocido como invariante de gráfico, índice teórico de gráfico o índice topológico. [3] [4] Como resultado, el índice topológico se puede definir como descriptores bidimensionales que se pueden calcular fácilmente a partir de los gráficos moleculares y no dependen de la forma en que se representa o etiqueta el gráfico y no necesitan minimización de energía. de la estructura química.

Tipos

Los índices topológicos más simples no reconocen dobles enlaces ni tipos de átomos (C, N, O, etc.) e ignoran los átomos de hidrógeno ("hidrógeno suprimido") y se definen únicamente para gráficos moleculares conectados no dirigidos . [5] Los índices topológicos más sofisticados también tienen en cuenta el estado de hibridación de cada uno de los átomos contenidos en la molécula. El índice de Hosoya es el primer índice topológico reconocido en la teoría química de grafos y, a menudo, se lo denomina "el" índice topológico. [6] Otros ejemplos incluyen el índice de Wiener , el índice de conectividad molecular de Randić , el índice J de Balaban, [7] y los descriptores TAU. [8] [9] Los índices extendidos del átomo topoquímico (ETA) [10] se han desarrollado basándose en el refinamiento de los descriptores TAU.

Índices globales y locales

El índice de Hosoya y el índice de Wiener son índices globales (integrales) para describir la molécula completa, Bonchev y Polansky introdujeron el índice local (diferencial) para cada átomo de una molécula. [5] Otro ejemplo de índices locales son las modificaciones del índice Hosoya. [11]

Capacidad de discriminación y superíndices

Un índice topológico puede tener el mismo valor para un subconjunto de gráficos moleculares diferentes, es decir, el índice no puede discriminar los gráficos de este subconjunto. La capacidad de discriminación es una característica muy importante del índice topológico. Para aumentar la capacidad de discriminación, se pueden combinar algunos índices topológicos en un superíndice . [12]

Complejidad computacional

La complejidad computacional es otra característica importante del índice topológico. El índice de Wiener, el índice de conectividad molecular de Randic y el índice J de Balaban pueden calcularse mediante algoritmos rápidos, a diferencia del índice de Hosoya y sus modificaciones, para los cuales se desconocen algoritmos no exponenciales. [11]

Lista de índices topológicos

Solicitud

QSAR

Los QSAR representan modelos predictivos derivados de la aplicación de herramientas estadísticas que correlacionan la actividad biológica (incluidos los efectos terapéuticos deseables y los efectos secundarios indeseables) de sustancias químicas (drogas/tóxicos/contaminantes ambientales) con descriptores representativos de la estructura y/o propiedades moleculares . Los QSAR se están aplicando en muchas disciplinas, por ejemplo, evaluación de riesgos , predicción de toxicidad y decisiones regulatorias [13], además del descubrimiento de fármacos y la optimización de clientes potenciales . [14]

Por ejemplo, los índices ETA se han aplicado en el desarrollo de modelos predictivos QSAR/QSPR/QSTR. [15]

Referencias

  1. ^ Hendrik Timmerman; Todeschini, Roberto; Viviana Consonni; Raimund Mannhold; Hugo Kubinyi (2002). Manual de descriptores moleculares . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-29913-0.
  2. ^ Salón, Lowell H.; Kier, Lemont B. (1976). Conectividad molecular en química e investigación de fármacos. Boston: Prensa académica. ISBN 0-12-406560-0.
  3. ^ González-Díaz H, Vilar S, Santana L, Uriarte E (2007). "Química medicinal y bioinformática: tendencias actuales en el descubrimiento de fármacos con índices topológicos de redes". Temas actuales en química medicinal . 7 (10): 1015–29. doi :10.2174/156802607780906771. PMID  17508935.
  4. ^ González-Díaz H, González-Díaz Y, Santana L, Ubeira FM, Uriarte E (febrero de 2008). "Proteómica, redes e índices de conectividad". Proteómica . 8 (4): 750–78. doi :10.1002/pmic.200700638. PMID  18297652. S2CID  20599466.
  5. ^ ab Rey, R. Bruce (1983). Aplicaciones químicas de la topología y la teoría de grafos: una colección de artículos de un simposio celebrado en la Universidad de Georgia, Atenas, Georgia, EE. UU., del 18 al 22 de abril de 1983 . Ámsterdam: Elsevier. ISBN 0-444-42244-7.
  6. ^ Hosoya, Haruo (1971). "Índice topológico. Una cantidad recientemente propuesta que caracteriza la naturaleza topológica de los isómeros estructurales de los hidrocarburos saturados". Boletín de la Sociedad Química de Japón . 44 (9): 2332–2339. doi : 10.1246/bcsj.44.2332 ..
  7. ^ Katritzky AR, Karelson M, Petrukhin R (2002). "Descriptores topológicos". Universidad de Florida . Consultado el 6 de mayo de 2009 .
  8. ^ Pal DK, Sengupta C, De AU (1988). "Un nuevo descriptor topoquímico (TAU) en el concepto de conectividad molecular: Parte I - Compuestos alifáticos". Indio J. Chem . 27B : 734–739.
  9. ^ Pal DK, Sengupta C, De AU (1989). "Introducción de un nuevo índice topoquímico y explotación del concepto de conectividad de grupo para lograr previsibilidad en QSAR y RDD". Indio J. Chem . 28B : 261–267.
  10. ^ Roy K, Ghosh G (2003). "Índices extendidos de átomos topoquímicos (ETA) en el entorno de Valence Electron Mobile (VEM) como herramientas". Revista Electrónica de Internet de Diseño Molecular . 2 : 599–620.
  11. ^ ab Trofimov MI (1991). "Una optimización del procedimiento para el cálculo del índice de Hosoya". Revista de Química Matemática . 8 (1): 327–332. doi :10.1007/BF01166946. S2CID  121743373.
  12. ^ Bonchev D, Mekenyan O, Trinajstić N (1981). "Discriminación de isómeros mediante enfoque de información topológica". Revista de Química Computacional . 2 (2): 127–148. doi :10.1002/jcc.540020202. S2CID  120705298.
  13. ^ Tong W, Hong H, Xie Q, Shi L, Fang H, Perkins R (abril de 2005). "Evaluación de las limitaciones de QSAR: una perspectiva regulatoria". Diseño actual de fármacos asistido por computadora . 1 (2): 195–205. doi :10.2174/1573409053585663. Archivado desde el original el 20 de junio de 2010.
  14. ^ DeardenJC (2003). "Predicción in silico de la toxicidad de los fármacos". Revista de diseño molecular asistido por computadora . 17 (2–4): 119–27. Código Bib : 2003JCAMD..17..119D. doi :10.1023/A:1025361621494. PMID  13677480. S2CID  21518449.
  15. ^ Roy K, Ghosh G (2004). "QSTR con índices de átomos topoquímicos extendidos. 2. Toxicidad de los bencenos sustituidos para peces". Revista de Información Química y Ciencias de la Computación . 44 (2): 559–67. doi :10.1021/ci0342066. PMID  15032536.; Roy K, Ghosh G (febrero de 2005). "QSTR con índices de átomos topoquímicos extendidos. Parte 5: Modelado de la toxicidad aguda de carboxilatos de fenilsulfonilo para Vibrio fischeri mediante aproximación de funciones genéticas". Química bioorgánica y medicinal . 13 (4): 1185–94. doi :10.1016/j.bmc.2004.11.014. PMID  15670927.; Roy K, Ghosh G (febrero de 2006). "QSTR con índices extendidos de átomos topoquímicos (ETA). VI. Toxicidad aguda de los derivados del benceno para los renacuajos (Rana japonica)". Revista de modelado molecular . 12 (3): 306–16. doi :10.1007/s00894-005-0033-7. PMID  16249936. S2CID  30293729.; Roy K, Sanyal I, Roy PP (diciembre de 2006). "QSPR de los factores de bioconcentración de compuestos orgánicos no iónicos en peces utilizando índices de átomos topoquímicos extendidos (ETA)". SAR y QSAR en Investigación Ambiental . 17 (6): 563–82. Código Bib : 2006SQER...17..563R. doi :10.1080/10629360601033499. PMID  17162387. S2CID  10707472.; Roy K, Ghosh G (noviembre de 2007). "QSTR con índices extendidos de átomos topoquímicos (ETA). 9. QSAR comparativo para la toxicidad de diversos compuestos orgánicos funcionales para Chlorella vulgaris utilizando herramientas quimiométricas". Quimiosfera . 70 (1): 1–12. Código Bib : 2007Chmsp..70....1R. doi : 10.1016/j.chemosphere.2007.07.037. PMID  17765287.

Otras lecturas

enlaces externos