コンピュータと化学 関西分子設計研究会 Computer-Aided Molecular Modeling (CAMM) Research Center Kansai 合田 圭吾 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 1 コンピュータと化学 コンピュータと化学の結びつき 情報化学 理論化学 生物計算化学 栄養学とコンピュータ化学 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 2 コンピュータとは？ July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 3 コンピュータの歴史 ENIAC （1946）ペンシルバニア大学 ・ 真空管18,800本 ・ 床面積 100m2、重量 30トン、消費電力 150KW ・ 床面積60畳、車約 20台分の重さの、1KW の ストーブ150台に相当する熱を出すコンピュータ ・ 弾道計算や暗号解読 x = v0 •cos • t y = v0 •sin • t - 1/2 •gt2 x = v02/g •sin2 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 4 コンピュータの特性 正確さ 高速に計算 繰り返し作業 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 5 コンピュータと化学の結びつき 物理法則 物理 気候、風、気温、気圧、空気抵抗、 大砲の設置場所 化学反応 反応物質、分量、温度、触媒、容量 コンピュータ 化学 化学物質の性質を実験せずに予測・解析 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 6 コンピュータ化学 情報化学 生物計算化学 理論化学 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 7 情報化学 化学における情報とは？ • 化学物質 名称、化学構造式、分子量 • 化学物質の性質 沸点、融点、密度、安定性 • 製造方法（合成方法） 化学反応式、温度、気圧、pH • 利用法 素材（コスト、特性、環境安全性） 医薬（薬効、毒性、安全性） July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 8 情報化学 例： H3C OH H3C CH3 OH HO HO ？？？ July 2002 ？？？ Keigo Gohda / CAMM Kansai 9 情報化学 例： H3C OH H3C CH3 HO OH HO エストロゲン（女性ホルモン） ビスフェノールA 生殖機能に作用 脳や中枢神経機能 蛋白・糖・電解質・水分の バランスの維持 脂質や皮膚、骨の代謝 環境ホルモン（内分泌撹乱物質） 女性ホルモン様作用 ポリカーボネート樹脂 自動車部品、ＣＤ等のディスク、 シートや窓ガラス等 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 10 情報化学 化学物質データベース CAS（Chemical Abstract Service 1900万件） メルクインデックス(医薬関連1万件） 化学物質データベース検索システム 厚生労働省 国際化学物質安全性カード 環境省 WebKis-Plus（化学物質データベース） 国立健康・栄養研究所 健康栄養情報基盤データベースシステム 米国環境保護局(EPA) 内分泌撹乱化学物質関連データベース July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 11 情報化学 国際化学物質安全性カード ビスフェノールＡ ICSC番号 0634 ビスフェノールＡ BISPHENOL A 4,4'-(1-Methylethylidene)bisphenol 4,4'-Isopropylidenediphenol C15H16O2/(CH3)2C(C6H4OH)2 分子量 228.3 CAS番号 80-05-7 RTECS番号 SL6300000 ICSC番号 0634 検索例： 災害／ 暴露のタイプ 一次災害／ 急性症状 応急処置/ 消火薬剤 予防 火災 可燃性である。 裸火禁止。 爆発 空気中で粒子が細かく拡 散し、爆発性の混合気体 を形成する。 粉末消火薬剤、水噴霧、泡 消火薬剤、二酸化炭素。 吸入 咳、咽頭痛。 粉塵の堆積を防ぐ；密閉系、 粉塵防爆型の電気ならびに 照明設備。 粉塵の拡散を防ぐ！ 作業環 境管理を厳密に！ 局所排気。 皮膚 発赤。 保護手袋、保護衣。 眼 発赤、痛み。 安全ゴーグルまたは顔面 シールド。 経口摂取 吐き気。 作業中は飲食、喫煙をしな い。 食事前に手を洗う。 身体への暴 露 漏洩物処理 貯蔵 新鮮な空気、安静。 医療機 関に連絡する。 汚染された衣服を脱がせる。 多量の水かシャワーで皮膚 を洗い流す。 数分間多量の水で洗い流し (できればコンタクトレンズを はずして)、医師に連れて行く。 口をすすぐ。 多量の水を飲 ませる。 医療機関に連絡す る。 包装・表示 ・こぼれた物質を密閉式容器内に掃き入れる；湿らせても ・酸無水物、酸塩化物、酸化剤、食品 よい場合は、粉塵を防ぐために湿らせてから掃き入れる。 や飼料から離しておく。 ・残留分を注意深く集め、安全な場所に移す。 ・(特別個人用保護具：P2有害粒子用フィルター付マスク)。 Prepared in the context of cooperation between the International 重要データは次ページ参照 ICSC番号 0634 Programme on Chemical Safety & the Commission of the European Communities © IPCS CEC 1993 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 12 理論化学 化学物質を形作っている原子（電子）の状態を解き明かすことに よって、化学物質の性質（物性）を解明する。 量子化学とも言う。 NH3 H2O 水素原子 H CH4 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 水分子（H2O）の電子状態 13 理論化学 • 物性の予測 新素材の特性（耐性、環境の中での安定性） 新色素の色（吸収波長） 生物活性（薬効、発ガン性） • 化学反応を予測 環境に最も“やさしい”化学研究 • ノーベル化学賞受賞 1981年 福井謙一 & Roald Hoffmann 「化学反応過程の理論的研究」 1998年 John A. Pople & Walter Kohn 「分子の構造や性質,化学反応の量子化学的な 計算手法研究」 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 14 理論化学 物性の予測： 農薬の生物活性 A B C D 予測 活性あり N CH3 N NH 活性なし N 静電ポテンシャル分布 CH3 N S 活性あり July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 15 理論化学 化学反応の予測 2 H2 + O2 化学物質A 2 H2O + 化学物質B ?? HOMO/LUMO軌道 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 16 生物計算化学 化学物質が生物にどのような影響を及ぼすか、または 望ましい影響を与えるのは、どのような化学物質か？ 6500 個 4個 5-8年 2個 3-7年 1個 2-3年 新 医 薬 品 の 研 究 開 発 プ ロ セ ス July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 17 生物計算化学 『鍵と鍵穴』 James W. Black, Gertrude B. Elion & George H. Hitchings 1988年ノーベル生理学・医学賞受賞 「薬物療法における重要な原理の発見」 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 18 生物計算化学 抗インフルエンザウイルス薬： ウイルスの増殖に必須の酵素であるノイラミニ ダーゼ（NA）の阻害剤が理論的にデザインされ、 1993年、世界最初のNA阻害剤ザナミビルが合 成・開発された。 O H2N O July 2002 N H O O Keigo Gohda / CAMM Kansai 19 生物計算化学 慢性白血病（CML）薬： ガン化した白血球の異常増殖に必須の酵素で あるチロシンキナーゼの阻害剤が合成・開発さ れ、2001年、日本・米国・EUで承認・販売された。 N H N N N N HN N July 2002 O Keigo Gohda / CAMM Kansai 20 生物計算化学 スクリーニング ハイ・スループット スクリーニング： ロボットを使って、数百万の化合物 を短期間に試験（スクリーニング）する バーチャル スクリーニング： コンピュータ上で、数百万の化合物 を短時間にドッキングする July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 21 生物計算化学 ネットワーク分散型計算 コンピューターが使用されている間は 背後で待っていて、使用されなくなるとス クリーンセーバーのように作動し、分子 のスクリーニング作業を開始する。 小分子が、抗ガン剤のターゲットとな る可能性のあるタンパク質とどのくらい 結合しやすいかを評価する。ソフトウェア はその結果をセンターに送り返し、分析 すべき新しいデータを受け取る。 2億5000万種類の分子がスクリーニ ング用に準備されている。 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 22 栄養学とコンピュータ化学 日本農芸化学会 2002年3月 ・ 「プロピオン酸菌による乳清発酵物」に含まれる新規ビフィズス菌増殖促進物質の 単離と構造解析 （明治乳業食品） 日本ビタミン学会 2002年4月 ・ ・ ・ ・ ビタミンB12酵素の立体構造と精密触媒機構 （岡山大学工学部） フラビン酵素における反応制御の構造的基盤 （熊本大学医学部） ビタミンＤ-1α-水酸化酵素の三次元構造と機能発現 （東京医歯大生材研） B 群ビタミンにおける各国の食品成分値の比較検討 （女子栄養大医化学） July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 23 コンピュータと化学 コンピュータと化学の結びつき 情報化学 理論化学 生物計算化学 栄養学とコンピュータ化学 July 2002 Keigo Gohda / CAMM Kansai 24 質問？ July 2002 コンピュータ化学 医薬品の研究開発 薬 製薬会社 就職 その他 Keigo Gohda / CAMM Kansai 25
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