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Índice topológico

En los campos de la teoría de grafos químicos , 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 grafo molecular de un compuesto químico. [1] Los índices topológicos son parámetros numéricos de un grafo que caracterizan su topología y suelen ser invariantes en el grafo . 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 grafos moleculares suprimidos de hidrógeno, en los que los átomos están representados por vértices y los enlaces por aristas. Las conexiones entre los átomos se pueden describir mediante varios tipos de matrices topológicas (por ejemplo, matrices de distancia o adyacencia), que se pueden manipular matemáticamente para derivar un único número, generalmente conocido como invariante de grafo, índice grafo-teórico 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 grafos moleculares y no dependen de la forma en que se representa o etiqueta el grafo y no necesitan la minimización de energía de la estructura química.

Tipos

Los índices topológicos más simples no reconocen enlaces dobles y tipos de átomos (C, N, O, etc.) e ignoran los átomos de hidrógeno ("hidrógeno suprimido") y se definen solo para grafos moleculares no dirigidos conectados . [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 de grafos químicos, 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 de átomo topoquímico extendido (ETA) [10] se han desarrollado con base 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 una molécula entera. Bonchev y Polansky introdujeron un índice local (diferencial) para cada átomo de una molécula. [5] Otros ejemplos de índices locales son las modificaciones del índice de Hosoya. [11]

Capacidad de discriminación y superíndices

Un índice topológico puede tener el mismo valor para un subconjunto de diferentes grafos moleculares, es decir, el índice no puede discriminar los grafos 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 para formar 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 las sustancias químicas (fármacos, sustancias tóxicas y contaminantes ambientales) con descriptores representativos de la estructura y/o las propiedades moleculares . Los QSAR se están aplicando en muchas disciplinas, por ejemplo , la evaluación de riesgos , la predicción de toxicidad y las decisiones regulatorias [13], además del descubrimiento de fármacos y la optimización de los principales fármacos . [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. ^ Hall, Lowell H.; Kier, Lemont B. (1976). Conectividad molecular en la química y la investigación de fármacos. Boston: Academic Press. 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. Archivado desde el original el 14 de abril de 2013.{{cite journal}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )
  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 King, 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 propuesta recientemente 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). "Topological Descriptors". 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". Indian 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 predictibilidad en QSAR y RDD". Indian J. Chem . 28B : 261–267.
  10. ^ Roy K, Ghosh G (2003). "Índices de átomos topoquímicos extendidos (ETA) en el entorno de movilidad de electrones de valencia (VEM) como herramientas". Internet Electronic Journal of Molecular Design . 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 un 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". Current Computer-Aided Drug Design . 1 (2): 195–205. doi :10.2174/1573409053585663. Archivado desde el original el 20 de junio de 2010.
  14. ^ Dearden JC (2003). "Predicción in silico de la toxicidad de fármacos". Revista de diseño molecular asistido por ordenador . 17 (2–4): 119–27. Bibcode :2003JCAMD..17..119D. doi :10.1023/A:1025361621494. PMID  13677480. S2CID  21518449.
  15. ^ Roy K, Ghosh G (2004). "QSTR con índices topoquímicos extendidos de átomos. 2. Toxicidad de bencenos sustituidos en 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 atómicos topoquímicos extendidos. Parte 5: Modelado de la toxicidad aguda de los carboxilatos de fenilsulfonilo para Vibrio fischeri utilizando la aproximación de la función genética". 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 de átomos topoquímicos (ETA) extendidos. VI. Toxicidad aguda de derivados de benceno para renacuajos (Rana japonica)". Journal of Molecular Modeling . 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 medioambiental . 17 (6): 563–82. Bibcode :2006SQER...17..563R. doi :10.1080/10629360601033499. PMID  17162387. S2CID  10707472.; Roy K, Ghosh G (noviembre de 2007). "QSTR con índices de átomos topoquímicos (ETA) extendidos. 9. QSAR comparativo para la toxicidad de diversos compuestos orgánicos funcionales para Chlorella vulgaris utilizando herramientas quimiométricas". Chemosphere . 70 (1): 1–12. Bibcode :2007Chmsp..70....1R. doi :10.1016/j.chemosphere.2007.07.037. PMID  17765287.

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