Jesús M. Castagnetto M., Ph.D. - Facultad de Ciencias y Filosofía, yDirección Universitaria de Información, Universidad Peruana Cayetano Heredia
Nuevas Áreas de Investigación en Química:
Química Supramolecular, Química Computacional,
Bioinformática
Jesús M. Castagnetto M., [email protected]
XVIII COCIPEFYB09 – 16 de noviembre del 2008Universidad Nacional de Trujillo
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Agenda
● ¿Qué significa hacer Ciencia?
● ¿Qué es la Química?
● Nuevas áreas de investigación en
Química
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¿Qué significa el ¿Qué significa el hacer Ciencia?hacer Ciencia?
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● Scientia (latín) = Conocimiento.● Es un sistema para adquirir
conocimiento basado en métodos empíricos, experimentación y un objetivismo lógico.
● El conocimiento deriva en teorías que son objetivas, probables empíricamente, y predictivas.
● El método científico:modelo -> hipótesis -> teoría -> ley.
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Matemáticas
Las Ciencias antes y hoy
Química
Biología
Física
Matemáticas
Química
Biología
Física
ANTES: Cienciasaisladas perointeractuando
HOY: Ciencias integradas en investigación multidisciplinariaen el contexto de la sociedad.
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Química
● La “Ciencia Central”
● Estudia la propiedades de la materia a nivel atómico y molecular.
● Estructura => Propiedades.
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La Química es diversaLa Química es diversaQuímica Analítica, Química Inorgánica, Química Analítica, Química Inorgánica, Química Orgánica,Química Orgánica, Fisicoquímica, Química Fisicoquímica, Química Teórica, Química Nuclear, Bioquímica, Teórica, Química Nuclear, Bioquímica, Astroquímica, Química Atmosférica, Ingeniería Astroquímica, Química Atmosférica, Ingeniería QuímicaQuímica, , Electroquímica, Química Ambiental, Electroquímica, Química Ambiental, Geoquímica, Química Médica, Química Geoquímica, Química Médica, Química Organometálica, Química de Polímeros, Organometálica, Química de Polímeros, Petroquímica, Química de Superficies, Petroquímica, Química de Superficies, Química (o Ciencia) de los materiales, Química (o Ciencia) de los materiales, Farmacología, Fitoquímica, Fotoquímica, Farmacología, Fitoquímica, Fotoquímica, Termoquímica, Termoquímica, Química computacionalQuímica computacional, , Química Supramolecular,Química Supramolecular, Nanotecnología, etc. Nanotecnología, etc.
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Nuevasáreas enQuímica
● Sistemas complejos
● Grupos inter/multi-disciplinarios
● Oportunidades de avance en temas de frontera entre ciencias
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Tres áreas nuevas en Química
➢ Química SupramolecularSistemas de ensamblajes multi-moleculares.
➢ Química ComputacionalMétodos computacionales para el estudio de sistemas moleculares
➢ BioinformáticaEstudio computacional de biomoléculas (DNA, RNA, proteínas, etc.)
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Química Supramolecular
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Química Supramolecular
Jean-Marie Lehn (Nobel, 1987): “(L)Jean-Marie Lehn (Nobel, 1987): “(L)a a Química Supramolecular es la Química de Química Supramolecular es la Química de los enlaces intermoleculares, y estudia la los enlaces intermoleculares, y estudia la estructura y funciones de las entidades estructura y funciones de las entidades formadas por dos o más especies formadas por dos o más especies químicas.químicas.””Del artículo “Metallosupramolecular Chemistry”, Chemistry & Industry (1994) por Edwin Constable
Subdisciplinas: Ingeniería de cristales, dispositivos supramoleculares, sistemas con autoensamblaje y autoreparación, materiales inteligentes, nanotecnología, etc.
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Encapsulación molecular
Cápsulas completas... y cápsulasparciales
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Complejos endohédricos● Átomo metálico
capturado dentro de buckyball.
● Nomeclatura: M@C60
● También se pueden capturar moléculas.
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Nanosistemas moleculares● Sistemas moleculares que forman
materiales, estructuras y dispositivos de escala nanométrica (1 nm = 10-9 m = 10 Å)
● Estos sistemas presentan:➔ Auto-organización➔ Auto-ensamblamiento➔ Auto-replicación➔ Auto-reparación
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Ensamblajes moleculares
Complejosmetal-ligando
Autoensamblaje supramolecular
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Dendrimeros: Sistemas moleculares ramificados
Composición
EstructuraUso
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“Cables eléctricos” moleculares
Crontakes, S.M. et al. PNAS, 2005, 102(38): 13451-13456
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Química Computacional
H=E
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Química Computacional
“Es la rama de la Química cuyo objetivo es el crear aproximaciones matemáticas (algoritmos, métodos, etc.), y programas de computadora, que sean eficientes en el cálculo del comportamiento y las propiedades de sistemas moleculares.”
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Usos de la Química Computacional● Cómputo de estructuras tridimensionales.● Comportamiento dinámico de un sistema
(desde un gas simple, hasta un inhibidor enzimático)
● Propiedades electrónicas y espectroscópicas.
● Diseño de nuevos candidatos a fármacos.
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Usos de la Química Computacional● Estudio de posibles mecanismos de
reacción.● Descripción de la formación de complejos
y sistemas supramoleculares.● Clasificación y búsqueda de estructuras.● Relación estructura-función.● Y muchísimos más usos...
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Medir
Inte
rpre
tar
Sintetizar
Antes: Sintetizar, medir, repetir (costoso, muchas pruebas y fallas)Hoy: Construir, calcular, repetir (menos costoso, más simple y escalable, y menor tiempo para obtener buenos candidatos)
Haciendo investigación hoy
DiseñoDiseñoestructuralestructural CompuestosCompuestos
PropiedadesPropiedadesdeseadasdeseadas
●Actividad biológicaActividad biológica(fármacos, etc.)(fármacos, etc.)●Impacto ambientalImpacto ambiental(polímeros, etc.)(polímeros, etc.)
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Aplicar Matemática e Informáticaa la Química no es fácil...
“Pero esta es la versión simplificadapara el público en general”
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Métodos más usados en Química Computacional
Ab-initio
DFT
Semi-empírico
Mecánica Molecular
Incrementoen la complejidady costo del cálculo
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Ab-initio
● Cálculos basados en principios teóricos.
● Usa una aproximación a la ecuación de onda:
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Teoría de Densidad Funcional
● Usa la densidad electrónica, en lugar de la función de onda de Schrödinger:
● Se basa en la formulación de que la energía de una molécula, depende de una “funcional” (función compleja) de densidad en 3-D.
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Métodos semiempíricos
● Simplificación de los métodos ab-initio.
● Sólo usa los electrones de valencia, e ignora ciertos componentes de la energía molecular.
● Reemplaza el cálculo de parámetros de energía por datos experimentales.
● El método de parametrización, determina su ámbito de uso: NMR, UV/Vis, estructuras, etc.
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Mecánica Molecular (MM)
● Aplica la mecánica clásica a las moléculas:● No considera electrones● Átomos son esferas con masa elemental● Enlaces son resortes que obedecen a la Ley
de Hooke: F = -kx (donde: k: constante, x: desplazamiento)
● Similarmente, se usan “resortes” para representar ángulos de enlace, ángulos dihédricos, etc.
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Componentes de Energía en MM
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Cálculo de orbitales atómicos
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Densidad electrónica: fenol
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Perfiles energéticos
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Estructura molecular y distribución electrostática
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Dinámica molecular
Trayectoria y distribución de conformaciones
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Búsqueda de sub-estructuras (2D)
N
O
O
Cl
O
O
Cl
N
N
N
O
O
F
F
O
F
O
O N
I
O N
Un anillo aromáticosubstituido conhalógeno, y un group carbonilo
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Búsqueda de sub-estructuras (3D)
C
(
u
)
O
(
s
1
)
O
(
s
1
)
A
A
[
O
,
S
]
O
3.6 4.6 Å
3.3 4.3 Å 6.8 7.8 Å
● Relaciones
espaciales
● Define rangos de distancias y ángulos
● Se usa la conformación de menor energía
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Distorsión geométrica en [4Fe4S]
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Ángulos dihédricos en histidinas
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“Minería de datos” 3D
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Interacciones inter-moleculares
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Bioinformática
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Bioinformática
La definición corta: “... La ciencia que usa la (tecnología) informática para entender la Biología ...”
de “Developing Your Bioinformatic Skills”.
Hay otra definición “oficial”, completa y más larga, que en esencia dice lo mismo...
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Áreas de estudio en Bioinformática● Genómica computacional
Identificar genes en un genoma, análisis y comparación de secuencias, etc. (Dimensionalidad: 1D y 2D)
● Bioinformática estructuralAnálisis de estructuras, plegamiento de proteínas, etc.(Dimensionalidad: 3D)
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Áreas de estudio en Bioinformática● Proteomas y rutas de interacción
Redes de interacción proteínica, rutas de expresión, cambios de interacción con el tiempo, etc.
● Biología de sistemasEntender a los sistemas biológicos desde el nivel molecular, pasando por el celular, hasta el funcionamiento como parte de un organismo.
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Biomoléculas (1)
De una molécula de agua, pasando por aminoácidos, a un trozo de ADN y un pedazo de proteína
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Biomoléculas (2)
... hastaunaenzima
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Biomoléculas (3)
... y un Virus
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Biomoléculas (4)
... pasandopor una bacteria
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Biomoléculas (5)
... y llegandoa célulassanguíneas
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Cuantificando el tamaño y el número de las biomoléculas
● Si una proteína fuera del tamaño de un grano de arroz, una célula promedio mediría:
10 m x 10 m x 10 m.● Si una célula fuera del tamaño de un
grano de arroz, la punta del dedo meñique mediría:
10 m x 10 m x 10 m.
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Biomoléculas en contexto
● Sección de la célula (E. coli), que muestra el empacamiento interno, y la membrana.
● Dibujo hecho a mano por el profesor David Goodsell (TSRI)
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En resumen...En resumen...
Hay muchas cosas nuevas que Hay muchas cosas nuevas que hacer en la Química de hoyhacer en la Química de hoy
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Palabras finales● La ciencia hoy en día es multidisciplinaria.
● Para ser exitosos necesitamos entender la Química en el contexto de otras ciencias y su impacto social.
● Existen muchas oportunidades de descubrimiento original en las áreas de frontera entre las ciencias.
● No teman al cambio, eso es lo único constante en el desarrollo científico:
Aprendan a seguir aprendiendo.
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¡Gracias!
A los organizadores del XVIII COCIPEFYB.
A ustedes por no aburrirse mucho con mi charla interminable.
Esta y otras presentaciones están disponibles en:
http://www.castagnetto.com/