Journal of Chemical Software, Vol2, No.4, (1995)

分子の電子図鑑の研究開発†
- 生物活性物質編 -

獅々堀彊*，納谷貴之，井戸有紀子，小林良二

１. はじめに

　化学の学習では，分子の構造や性質についての理解が大切である。近年，パソコンを用いて分子モデリングや分子グラフィックスが行われており，これらの手法を教育に利用すれば，学習者の分子構造についての理解を支援することができると考えられる。また，分子モデルが描かれるだけでなく，分子モデルと対応する構造式との立体的な関係，分子の性質，製法，反応，用途などを同時に学ぶことができれば，さらに学習効果があがるものと考えられる。このような観点から我々は，入門者が容易に分子の構造と性質を同時に学習できるように，分子モデルの画像を中心とした，いわば‘分子の図鑑’の内容をもつパソコン用のソフトウェアの開発を行っている[1～3]。今回は，著名な生物活性をもつ化合物を中心とするソフトを作成したので，報告する。

２. 方法

2.1 使用装置および言語
　コンピュータは NEC PC-9801 RA21を用いた。また，CRT上の分子モデルの画像を立体視するために，ステレオ眼鏡を用いた[4]。言語は N88BASIC(MS-DOS)を用いた。

2.2 分子モデリングおよび分子グラフィック
　分子のモデリングには主に MOLDA5を用いた[5]。また，一部の分子のモデリングおよび構造最適化は，Apple Macintosh Centris 660AV 上で Personal CAChe システムを用いて行った[6]。得られた分子座標データをもとに MODRAST-Eを用いて球-棒および空間充填モデルのグラフィックスを作成した[7]。それらの画像データを圧縮・伸張プログラムを用いて圧縮し，保存した[8]。

３. プログラムの機能および使用法

　生物に対して作用を示す化学物質は広範にわたり，数多く知られており，それらの構造と活性の関係が研究されている[9]。ここでは著名な生物活性をもち，また入門者向けの教科書[10]にも取り上げられているエイコサノイド類（プロスタグランジン，プロスタサイクリン，トロンボキサンなど17種），ステロイド類（ホルモン，ビタミンなど28），オピオイド（20），抗生物質（19），ビタミン（11）など95種の化合物を収録した（表1）。この中には，それ自身活性をもたないが，これらの化合物の基本骨格をもつ化合物および前駆体として知られている化合物も含まれている。本プログラムでは，これらの化合物の名称が表示された画面において，希望する化合物を選択することにより，その化合物の分子式・分子量や分子モデルのグラフィックスとともに，特徴，物性値，由来，製造法，反応性，用途，生物活性などに関する簡単な情報を表示させることができる。


                  表1　収録されている化合物

エイコサノイド
　プロスタン酸，                               8(Z),11(Z),14(Z)-エイコサトリエン酸
　5(Z),8(Z),11(Z),14(Z)-エイコサテトラエン酸， 5(Z),8(Z),11(Z),14(Z),17(Z)-エイコサペンタエン酸
　プロスタグランジンＥ1 (PGE1)，               プロスタグランジンＥ2 (PGE2)
　プロスタグランジンＦ2α (PGE2α)，           プロスタグランジンＥ3 (PGE3)
　プロスタサイクリン，                         トロンボキサン (TXA2)
  トロンボキサン (TXB2)，                       ロイコトリエン (LTA4)
  ロイコトリエン (LTB4)，                       ロイコトリエン (LTC4)
  ロイコトリエン (LTD4)，                       ロイコトリエン (LTE4)
  ロイコトリエン (LTF4)

ステロイド
  スクアレン-2,3-エポキシド，                  コレスタン
  コプロスタン，                               コレステロール
  ラノステロール，                             コール酸
  デオキシコール酸
 性ホルモン
  プレグネノロン，                             アンドロステンジオン
  テストステロン，                             19-ノルテストステロン
  エストラジオール，                           プロゲステロン
  エチニルエストラジオール，                   ノルエチステロン
  ノルゲストレル，                             ノルエチノドレル
  シプロテロンアセテート
 副腎皮質ホルモン
　コルチコステロン，                           デオキシコルチコステロン
  アルドステロン，                             コルチゾール
  ベクロメタゾン，                             ベタメタゾン
 ビタミン，プロビタミン
  エルゴステロール，                           デヒドロコレステロール
  カルシフェロール，                           コレカルシフェロール
  ジヒドロキシコレカルシフェロール

オピオイド
　モルフィナン，                               モルヒネ
  コデイン，                                   テバイン
  ヘロイン，                                   ナロルフィン
  フォルコデイン，                             メサドン
  ペチジン，                                   デキストロプロポキシフェン
  レボプロポキシフェン，                       ナロキソン
  ナルトレキソン，                             レボルファノール
  レバロルファ，                               ブトルファノール
  デキストロメトルファン，                     フェナゾシン
  ペンタゾシン，                               シクラゾシン

抗生物質
  ペニシリンＧ，                               ペニシリンＦ
  ペニシリンＮ，                               ペニシリンＯ
  ペニシリンＳ，                               ペニシリンＶ
  ペニシリンＸ，                               ペニシロ酸
  6-アミノペニシラン酸，                       アンピシリン
  メチシリン，                                 セファロスポリンＣ
  7-アミノセファロスポラン酸，                 セフォタキシム
  カナマイシンＡ，                             エリスロマイシンＡ
  ストレプトマイシン，                         クロラムフェニコール
  テトラサイクリン

ビタミン
  ビタミンＡ1，                                ビタミンＢ1
  ビタミンＢ2，                                ビタミンＢ6
  ビタミンＢ12，                               ビタミンＣ
  ビタミンＤ2，                                ビタミンＤ3
  ビタミンＥ，                                 ビタミンＫ1
  ビタミンＫ2

　プログラムを起動すると，化合物名を示した画面（図１）が表示される。この画面においてカーソルキー(↑↓) の移動とリターンキーによって表示したい化合物を選択すると，化合物名，分子式，分子量，構造式，球-棒モデル，特徴などが表示される（図２）。ついで，ファンクションキー(f1～f10)によって，次のようにその化合物に関する簡単な情報を表示させたり[11-13]，表示モデルの変更やステレオ表示ができる。

f1 物  性： 化合物の性状および物性値（融点，沸点，比重，屈折率，溶媒への可溶　　 
           性，溶解度など）を示す。
f2 由  来： 名称の由来や天然物からの由来を示す。
f3 製  法： 工業的または実験室における製造法や天然物からの分離法を簡単に示す。
f4 反  応： この化合物の反応性や反応例を簡単に示す。
f5 用  途： 生活，医療，工業などにおける用途を簡単に示す。
f6 モデル： 表示モデルの切り換え機能をもち，押す度に球-棒モデルと空間充填モデル
            が切り換わる。

図１.　化合物を選択するための画面（ステロイドの例）

f7 立体視： 表示されている分子モデルをステレオ表示する[4]。ステレ表示から通常の画
            面に戻るときは，ＥＳＣ キーを押す。
f8 生  物： この化合物の毒性，生物活性，環境への影響などの情報[11-13]を示す。
f9 その他： f1～f5およびf8において表示できなかった補足の事項を示す。
f10 終 了： この化合物についての表示を終了し，次の化合物の選択画面（図１）に戻る。

図２.　エストラジオールの分子モデル，構造式，特徴などの表示例

図３は，ペニシリンＧについて，f8 生物を選択した場合の表示例である。

図３. ペニシリンＧについてf8 生物を選択した場合の表示例

　このプログラムでは，球-棒モデルと空間充填モデルの表示の切り換えやステレオ表示などを頻繁に行うため，画像の表示速度を高める必要がある。このための方法として，このソフトウェアでは前報[3]と同様に画像を予め描画・収録しておき，必要に応じてソフトウェア的に伸張して表示させている。また，インタフェースを介してステレオ眼鏡[4]を接続すれば，球-棒モデルおよび空間充填モデルのステレオ視が可能である。このソフトはフロッピーディスク(2HD)７枚で構成されている。１枚目は主プログラムと化合物の性質に関する文字情報を含み，他の６枚には化合物の分子モデルの画像データおよび構造式に関するデータが収録されている。

４. 結び

　このソフトウェアでは，構造式，球-棒モデルを画面上で同時に比較して見ることができ，またステレオ眼鏡を用いて立体像を観察できるので，入門者でも生物活性分子の立体構造と活性の関係について視覚的に理解を深めることができると考えられる。また同時に，その分子がもつ種々の性質や由来，製法，生物活性などの情報を容易に得ることができる。このプログラムでは，必要な分子の画像データを予め作成し，圧縮・保存しておき，選択に応じて伸張して表示する方法を採用した。これにより，教育現場での使用に際して処理速度の遅いパソコンを用いた場合にも，容易な操作で，高速な画像表示やモデルの変更などが可能になった。　

　謝辞　画像伸張ソフトの本プログラムへの組み込みを快くお許しいただいた岡山大学の藤尾耕三先生に深謝する。また，本プログラムの開発の一部は，財団法人南海育英会研究助成金および平成５および６年度文部省科学研究費補助金 No.05680180 によって行われた。ここに記し，感謝する。

　参考文献

1) 獅々堀彊，倉橋研吾: J. Chem. Software, 1,183(1993).
2) 獅々堀彊，倉橋研吾: 化学とソフトウェア,15(No.4), 349 (1993).
3) 獅々堀彊，倉橋研吾: 化学とソフトウェア,16(No.1), 15 (1994).
4) 立体視のための眼鏡およびインタフェース: 'Real Vision', ㈱システム.
5) 小川桂一郎，吉田弘，鈴木弘: 分子のモデリング，サイエンスハウス(1987).
6) Personal CACHE innovator Plus (Ver.3.5.1) , CAChe Scientific, Inc.
7) 中野英彦: 分子グラフィックス，サイエンスハウス(1987).
8) 藤尾耕三: The Basic, 24(5),74(1985).
9) 吉岡宏輔，首籐紘一編: 生物活性物質の分子設計，ソフトサイエンス社(1986).
10) G.A.Taylor: Organic Chemistry For Students of Biology and Medicine(3rd ed.), Longmans Group UK, London (1987). 戸澤満智子，高橋知義，釜野徳明訳: 医学・生物学を学ぶ人のための基本有機化学，HBJ出版局 (1989).
11) 大木道則，大沢利昭，田中元治，千原秀昭編: 化学大辞典，東京化学同人,(1989).
12) S.Budavari ed.：The Merck Index(11th ed.)，Merck Co. Inc.,(1989).
13) J.Buchingham ed.: Dictionary of Organic Compounds(5th ed.), Chapman Hall Co.(New York).

注: このソフトウェアは化学ソフトウェア学会の無償利用ソフトウェアに登録されている。

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獅々堀 彊*，納谷 貴之，井戸 有紀子，小林 良二

１. はじめに

２. 方法

３. プログラムの機能および使用法

４. 結び

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獅々堀彊*，納谷貴之，井戸有紀子，小林良二

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