JP3668070B2

JP3668070B2 - 分子構造モデル

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Publication number: JP3668070B2
Application number: JP26972899A
Authority: JP
Inventors: 正三石原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: JP2001092349A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分子構造モデルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数種類の原子やイオンからなる化合物においては、化合物を構成する原子やイオン或いは原子団の種類が同じであっても、原子やイオン或いは種々の原子団の配列や結合態様が異なることにより異なる性質を呈するものがある。例えば、光学異性体はその典型的な例であり、化学式としては全く同様の構成を有していても、原子やイオン或いは原子団の配列が異なる複数種類の化合物が知られている。
【０００３】
一方、従来の分子モデルとしては、原子やイオンの位置を球体で示し、原子やイオン間の結合を軸体によって示すように構成された原子位置モデルがある。また、原子やイオンが配列された結晶面方位等の幾何学的配置を示すために多面体形状に構成された多面体モデルもある。しかしながら、従来のこれらのモデルは原子やイオンの位置と、幾何学的面配置とのいずれか一方のみを示すものであるため、原子やイオンの位置と幾何学的構造との関係を認識することが難しく、物質構造を直感的に把握することができないという問題点がある。そこで、本願発明者は先にスケルトン構造の結晶モデルを考案し、原子やイオンの位置と、結晶の幾何学的構造との双方を直感的に把握できるものとして特許第２７９０２４７号を受けている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、分子には鏡面対称性を有しない（キラル型の）構造を備えたものがあり、例えば光学異性体はその典型例である。光学異性体等のキラル型の分子構造を理解するには、その非対称性を容易に把握できるようにする必要があるが、従来の原子位置モデルでは構造そのものは構成できても、非対称性を明確に表すことができないという問題点がある。
また、上記のスケルトン構造の結晶モデルは個々の原子やイオンの配置とともに結晶の幾何学的構造を示すことができるものの、原子やイオンの位置をスケルトン構造の中心位置や頂点位置によって示すようにしているため、原子やイオンを実体的な形状によって表すことができないことから、その形状のみによっては原子やイオンの種類を示すことができない。このため、結晶構造の巨視的な理解のみを要する場合にはこのようなモデルであっても十分な効果が期待できるが、鏡面対称性を有しない分子構造、例えば光学異性体の構造上の違いを把握することが困難であるという問題点がある。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、スケルトン構造の分子構造モデルにおいて、原子や分子或いは原子団の種類を間接的に示すことによって、鏡面対称性を有しない分子構造の構造上の特徴を明確に把握できるモデルを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の分子構造モデルは、中心点において共通に接続され、該中心点の周りに配置された複数の板状部が相互に交差線にて接続してなり、前記板状部の外縁が稜線を形成するとともに前記稜線が相互に接続して頂点を形成するように構成されており、前記稜線が多面体の各面間の稜線に相当し、前記頂点が多面体の頂点に相当するように構成されたスケルトン構造を有する分子構造モデルであって、前記中心点及び前記頂点の少なくとも一部が原子若しくはイオン又は原子団の位置を表現し、前記交差線及び前記稜線の少なくとも一部が原子若しくはイオン又は原子団の間の結合を示し、複数の前記板状部には、前記頂点によって示される前記原子若しくはイオン又は原子団の種類或いは前記稜線によって示される前記結合の種類に応じて相互に異なる色調を備えた前記板状部が含まれ、前記スケルトン構造において前記複数の板状部の色調の配列が鏡面対称性のないキラルな立体構造を示すように構成され、異なる前記原子若しくはイオン又は原子団の種類に対応する前記頂点を構成する複数の前記板状部の色調の組み合わせが相互に異なるように、前記頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類と、当該頂点を構成する複数の前記板状部の色調の組み合わせとが相互に対応づけられたとき、前記スケルトン構造が鏡面対称性のないキラルな分子構造を表すことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類に応じて複数の板状部が相互に異なる色調を備えていることによって、鏡面対称性を有しない複数の分子構造を示すモデル間における原子若しくはイオン又は原子団の配列態様の相違を、板状部の色調の配列態様によって相互に区別し得る。また、原子若しくはイオン又は原子団の配列態様の相違がこれに対応する頂点を構成する複数の板状部間の色調の組み合わせによって示されるようにしているため、或る頂点が示す原子若しくはイオン又は原子団の種類を比較的容易に特定することが可能になるとともに、板状部毎に色調を変えるだけでよく、モデル製作をいたずらに複雑化することもない。
【０００８】
本発明において、前記スケルトン構造は四面体スケルトン構造であり、前記複数の頂点が３つの前記板状部によって構成され、前記頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類と、当該頂点を構成する３つの前記板状部の色調の組み合わせとが相互に対応していることが好ましい。この手段によれば、頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類が、当該頂点を構成する３つの板状部の色調の組み合わせに対応していることにより、アミノ酸などの種々の分子構造を容易に表現することができる。
【０００９】
本発明において、前記スケルトン構造における、前記中心点を中心として３以上の前記稜線に囲まれた複数の前記板状部の表面からなる表面領域内において、該表面領域の外縁に形成された前記頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類と、当該頂点を構成する前記表面領域内の２つの前記板状部の色調の組み合わせとが対応していることが好ましい。この手段によれば、中心点を中心としてこれを取り巻く３以上の稜線によって囲まれた表面領域の外縁に形成された頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類が、当該頂点を構成する表面領域内の２つの板状部の色調の組み合わせに対応していることによって、表面領域を一望できる或る方位から見た状態で表面領域の外縁に形成された各頂点が示す原子若しくはイオン又は原子団の種類を特定することができるため、分子構造の配列態様をより容易に理解できる。
【００１０】
本発明において、前記スケルトン構造は、前記中心点、前記頂点及び前記稜線の少なくともいずれかにおいて他の構造部に連結されていることが好ましい。ここで他の構造部は、上記のスケルトン構造に該当する構造のものであってもよく、上記のスケルトン構造に該当しない構造のものであってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］次に、添付図面を参照して本発明に係る分子構造モデルの実施形態について詳細に説明する。図１は本実施形態のアミノ酸を表すための分子構造モデルについて説明するものである。図１（ａ）はアミノ酸の基本構造を示す化学構造式であり、中心炭素原子（Ｃ_α）１１に対して、水素原子（Ｈ）１２、アミノ基（ＮＨ_２）１３、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）１４及び側鎖（Ｒ）１５が結合している。アミノ酸としては生体内に存在し得る２０種類（疎水性アミノ酸であるアラニン、バリン、フェニルアラニン、イソロイシン、ロイシン、プロリン、メチオニン、荷電アミノ酸であるアスパラギン酸、グルタミン酸、リシン、極性アミノ酸であるセリン、トレオニン、チロシン、システイン、アスパラギン、グルタミン、アルギニン、最も簡単な構造のグリシン）が知られ、これらのアミノ酸は上記側鎖Ｒの構造が異なるだけであり基本構造は共通である。アミノ酸にとって鏡面対称性のないキラル型の分子構造は重要である。
【００１３】
本実施形態の分子構造モデルは図１（ｂ）〜（ｄ）に示すものである。図１（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ同じ分子構造モデルを異なる方向から見た状態を示すものである。本実施形態は正四面体のスケルトン構造を備えている。この正四面体のスケルトン構造は、中心点ＣＴを共有する６枚の二等辺三角形状の板状部Ｂ_１〜Ｂ_６からなる。この構造の４つの頂点Ｐ_１〜Ｐ_４はそれぞれ３枚の板状部によって構成される。このモデルにおいては、中心点ＣＴから各頂点Ｐ_１〜Ｐ_４へと伸びる１２本の交差線が形成され、各頂点Ｐ_１〜Ｐ_４間には６本の稜線が形成されている。
【００１４】
このモデルにおいて、板状部Ｂ_１、Ｂ_２及びＢ_３の表裏面は共に第１の色調（例えば紫色）に、板状部Ｂ_４の表裏面は第２の色調（例えば黄色）に、板状部Ｂ_５の表裏面は第３の色調（例えば赤色）に、板状部Ｂ_６の表裏面は第４の色調（例えば青色）に、それぞれ着色されている。
【００１５】
上記の中心点ＣＴは中心炭素原子１１を示すものである。また、板状部Ｂ_１、Ｂ_２及びＢ_３が接続された上記の頂点Ｐ_１は側鎖１５を示し、板状部Ｂ_１、Ｂ_４及びＢ_６が接続された上記頂点Ｐ_２は水素原子１２を示し、板状部Ｂ_１、Ｂ_４及びＢ_５が接続された上記頂点Ｐ_３はアミノ基１３を示し、板状部Ｂ_１、Ｂ_５及びＢ_６が接続された上記頂点Ｐ_４はカルボキシル基１４を示すものである。
【００１６】
したがって、このモデルでは、接続される全ての板状部が第１の色調である頂点Ｐ_１は側鎖１５を示し、接続される板状部の色調が第１の色調、第２の色調及び第４の色調の組み合わせである頂点Ｐ_２は水素原子１２を示し、接続される板状部の色調が第１の色調、第２の色調及び第３の色調の組み合わせである頂点Ｐ_３はアミノ基１３を示し、接続される板状部の色調が第１の色調、第３の色調及び第４の色調である頂点Ｐ_４はカルボキシル基１４を示す。したがって、各頂点に接続される板状部の色調の組み合わせによって、各頂点にて示される原子（若しくはイオン）又は基その他の原子団の種類の異同を知ることが可能になる。また、異なる原子若しくはイオン又は原子団を示す頂点に接続される複数の板状部の外観（色調）の組み合わせが相互に異なることによって、分子構造の全体的な構造において原子若しくはイオン又は原子団の配置や対称性を直感的に把握することができ、例えば結合構造が類似する２種類の分子構造において原子若しくはイオン又は原子団の種類をも勘案した配列態様がどのように異なっているかを容易に知ることができる。
【００１７】
本実施形態では、モデルがアミノ酸を示すものであり、特にアミノ酸の種類毎に側鎖１５の構造が異なることに特徴があるので、注目される側鎖１５を示す頂点Ｐ_１に接続される板状部Ｂ_１、Ｂ_２及びＢ_３の色調を全て同一にして側鎖１５の位置がどの方位から見ても直ちに把握できるように構成している。特に、異なる複数種類のアミノ酸をそれぞれモデルにて表す場合には、上記第２の色調、第３の色調及び第４の色調を各モデルについて全て共通とし、上記第１の色調に関しては、異なるアミノ基について相互に異なる色調のものとすることが好ましい。
【００１８】
図２（ａ）及び（ｂ）は特定のアミノ酸における光学異性体を表すモデルを示すものである。アミノ酸には、Ｌ型とＤ型という２つの光学異性体があり、図２（ａ）は、水素原子１２の結合方向から中心炭素原子１１を見た場合に、中心炭素原子１１の周囲に時計周りにカルボキシル基１４、側鎖１５、アミノ基１３の順で配列されるＬ型を示すものであり、図２（ｂ）は、同方向から見た場合に、中心炭素原子１１の周囲に時計周りにカルボキシル酸、アミノ基１３、側鎖１５の順で配列されるＤ型を示すものである。なお、生体中で合成されるたんぱく質を構成するアミノ酸は全てＬ型である。
【００１９】
本実施形態のモデルでは、上記のＬ型のアミノ酸と、Ｄ型のアミノ酸との構造的な違いを説明する際には、図２（ａ）に示すＬ型のモデルと、図２（ｂ）に示すＤ型のモデルとを、共に板状部Ｂ_４、Ｂ_５及びＢ_６からなる表面領域（３つの頂点Ｐ_２〜Ｐ_４の相互間を結ぶ３本の稜線によって囲まれた領域）を視認できる姿勢で並べて示せばよい。このようにすることによって、Ｌ型のモデルとＤ型のモデルとは、３つの板状部の色調が中心炭素原子を示す中心点ＣＴの周りに異なる順番で配列されていることが一目でわかる。
【００２０】
［第２実施形態］次に、上記のアミノ酸の分子構造モデルを基本として構成されたたんぱく質の分子構造モデルについて説明する。良く知られているように、図３（ａ）に示すペプチド結合Ｓを介して複数のアミノ酸が結合することによってたんぱく質になる。たんぱく質を従来のモデルで説明することはきわめて困難であるが、図３（ｂ）に示すように、上述のアミノ酸のモデルと同じ構造を有する四面体スケルトン構造部２０の頂点と、四辺形板状に形成された、ペプチド結合を表す四辺形構造部３０の頂点とを連結させることによって、たんぱく質の分子構造モデルを構成することができる。なお、このモデルにおいても第１実施形態と同様に各板状部が着色されているが、図３（ｂ）においては、その着色を表す代わりに各頂点において示される原子（原子団の場合には結合に関与する原子）を記号で示した。たんぱく質においては、そのポリペプチド鎖における或る中心炭素原子（Ｃ_α）から次の中心炭素原子（Ｃ_α）までの各原子は全て同一平面上に配置され、結合距離と結合角はほぼ一定になるが、中心炭素原子（Ｃ_α）とＮ原子との結合軸及び中心炭素原子（Ｃ_α）とＣ原子との結合軸の周りに回転可能な２つの自由度を有する。
【００２１】
上記の構造を実現するには、例えば、可撓性を有する紐やワイヤなどの条体を四面体スケルトン構造部２０及び四辺形構造部３０における板状部の内部に導入し、四面体スケルトン構造部２０におけるカルボキシル基１４（の炭素原子）を示す頂点と、四辺形構造部３０における炭素原子を示す頂点とを突き合わせるようにして、上記の条体がこの突合せ部を通過するように固定すればよい。この構造では、四面体スケルトン構造部２０の頂点と四辺形構造部３０の頂点とが突き合わされた状態に維持されるが、両構造部は突合せ部を中心に自由に回動できるとともに、条体の軸線周りに回転できる。また、この突合せ部としてユニバーサルジョイントを構成することにより、同様の自由度を有する構造となる。もちろん、中心炭素原子１１とカルボキシル基１４との結合軸を中心とする回転、及び、中心炭素原子１１とアミノ基１３との結合軸を中心とする回転のみが可能になるように構成することもできる。
【００２２】
このモデルによれば、水素結合によって生ずるたんぱく質の２次構造（鎖状に繋がったものの３次元的な構造）、例えばα−へリックスやβシートなどを表すことも可能である。
【００２３】
［第３実施形態］次に、酒石酸の分子構造モデルについて説明する。酒石酸もまた鏡面対称性のないキラル型の分子構造が重要である。図４（ａ）に示す構造はＤ（−）−酒石酸と呼ばれているもの、図４（ｂ）に示す構造はＬ（＋）−酒石酸と呼ばれているものである。また、図４（ｃ）に示すものはメソ−酒石酸と呼ばれているものでキラル型の構造部分がペアを作ることによって全体としては鏡面対称性のあるアキラル型の分子構造となったものである。このうちＤ型とＬ型は光学異性体である。各図に示す結合腕は、細い方が紙面の下に突き出していることを表している。
【００２４】
このモデルは図４（ｄ）に示すようになっており、やや縦長の（図示上下方向に長い）同形状の四面体スケルトン構造部が上下に逆さまで、しかも、垂直軸周りに６０度回転した姿勢で組み合わされた構造を備えている。上方の四面体スケルトン構造部４０は、上端に頂点Ｐ_１〜Ｐ_３が配置され、残りの一つの頂点が下方の四面体スケルトン構造部５０の中心点ＣＴ_２に一致している。下方の四面体スケルトン構造部５０は、下端に頂点Ｑ_１〜Ｑ_３が配置され、残りの一つの頂点が上方のスケルトン構造部４０の中心点ＣＴ_１に一致するように構成されている。また、板状部Ｂ_４〜Ｂ_６及びＤ_４〜Ｄ_６は、いずれも中心点ＣＴ_１とＣＴ_２とを結ぶ稜線を共有する形で互い違いに接続されている。
【００２５】
このモデルにおいても、板状部Ｂ_１、Ｂ_２及びＢ_３は相互に異なる色調に着色されており、また、板状部Ｄ_１、Ｄ_２及びＤ_３もまた相互に異なる色調に着色されている。したがって、中心点ＣＴ_１で示される中心炭素原子に結合する水素原子、水酸基及びカルボキシル基は、板状部Ｂ_１、Ｂ_２及びＢ_３のうち異なる２つの板状部における異なる色調の組み合わせによって区別可能に、当該２つの板状部が接続されている頂点Ｐ_１〜Ｐ_３にて示されることになる。また、中心点ＣＴ２で示される中心炭素原子に結合する水素原子、水酸基及びカルボキシル基は、板状部Ｄ_１、Ｄ_２及びＤ_３のうち異なる２つの板状部における異なる色調の組み合わせによって区別可能に、当該２つの板状部が接続されている頂点Ｑ_１〜Ｑ_３にて示されることになる。
【００２６】
したがって、上記の図４（ａ）〜（ｃ）に示す３種の酒石酸は、図４（ｄ）に示す構造モデルによって、それぞれ板状部Ｂ_１〜Ｂ_３及びＤ_１〜Ｄ_３の色調の配列を変えるだけでいずれも表現できることとなり、相互に明確に区別できることとなる。このモデルを用いることにより、きわめて簡単に上記３種の酒石酸の構造について説明することができ、また、説明された側も直感的に理解することができる。特に、３種のモデルを、３つの板状部Ｂ_１〜Ｂ_３が並ぶ上端面の表面領域及び板状部Ｄ_１〜Ｄ_３が並ぶ下端面の表面領域を見せるようにして説明することによって、容易に３つのモデル間の相違を示すことができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類に応じて相互に異なる色調を備えた板状部が含まれていることによって、鏡面対称性を有しない複数の分子構造を示すモデル間における原子若しくはイオン又は原子団の配列態様の相違を、板状部の色調の組み合わせによって相互に区別し得る。また、原子若しくはイオン又は原子団がこれに対応する頂点を構成する複数の板状部間の異なる色調によって示されるようにしているため、板状部毎に色調を変えるだけでよく、モデル製作をいたずらに複雑化することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分子構造モデルの第１実施形態にて表現されるアミノ酸の構造を示す化学構造式（ａ）、及び、第１実施形態の外観を３方向から見た状態を示す斜視図（ｂ）〜（ｄ）である。
【図２】第１実施形態によりアミノ酸の２つの光学異性体を示す斜視図（ａ）及び（ｂ）である。
【図３】本発明に係る分子構造モデルの第２実施形態にて表現されるたんぱく質の構造を示す化学構造式（ａ）及び第２実施形態の外観を示す斜視図（ｂ）である。
【図４】本発明に係る分子構造モデルの第３実施形態にて表現される３種の酒石酸の構造を示す化学構造式（ａ）〜（ｃ）及び第３実施形態の外観を示す斜視図（ｄ）である。
【符号の説明】
１０アミノ酸
１１中心炭素原子
１２水素原子
１３アミノ基
１４カルボキシル基
１５側鎖
２０四面体スケルトン構造部
３０四辺形構造部
４０上方の四面体スケルトン構造部
５０下方の四面体スケルトン構造部

Claims

中心点において共通に接続され、該中心点の周りに配置された複数の板状部が相互に交差線にて接続してなり、前記板状部の外縁が稜線を形成するとともに前記稜線が相互に接続して頂点を形成するように構成されており、前記稜線が多面体の各面間の稜線に相当し、前記頂点が多面体の頂点に相当するように構成されたスケルトン構造を有する分子構造モデルであって、
前記中心点及び前記頂点の少なくとも一部が原子若しくはイオン又は原子団の位置を表現し、前記交差線及び前記稜線の少なくとも一部が原子若しくはイオン又は原子団の間の結合を示し、
複数の前記板状部には、前記頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類或いは前記稜線によって示される結合の種類に応じて、相互に異なる色調を備えた前記板状部が含まれ、
前記スケルトン構造において前記複数の板状部の色調の配列が鏡面対称性のないキラルな立体構造を示すように構成され、
異なる前記原子若しくはイオン又は原子団の種類に対応する前記頂点を構成する複数の前記板状部の色調の組み合わせが相互に異なるように、前記頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類と、当該頂点を構成する複数の前記板状部の色調の組み合わせとが相互に対応づけられたとき、前記スケルトン構造が鏡面対称性のないキラルな分子構造を表すことを特徴とする分子構造モデル。
請求項１において、前記スケルトン構造は四面体スケルトン構造であり、前記複数の頂点が３つの前記板状部によって構成され、前記頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類と、当該頂点を構成する３つの前記板状部の色調の組み合わせとが相互に対応していることを特徴とする分子構造モデル。
請求項１又は２において、前記スケルトン構造における、前記中心点を中心として３以上の前記頂点及び前記稜線に囲まれた複数の前記板状部の表面からなる表面領域内において、該表面領域の外縁に形成された前記３以上の頂点によって示される原子若しくはイオン又は原子団の種類と、当該頂点を構成する前記表面領域内の２つの前記板状部の色調の組み合わせとが対応していることを特徴とする分子構造モデル。
請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記スケルトン構造は、前記中心点、前記頂点及び前記稜線の少なくともいずれかにおいて他の構造部に連結されていることを特徴とする分子構造モデル。