nuevas areas de investigación en química

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


Agenda

● ¿Qué significa hacer Ciencia?

● ¿Qué es la Química?

● Nuevas áreas de investigación en

Química


¿Qué significa el ¿Qué significa el hacer Ciencia?hacer Ciencia?


● 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.


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.


Química

● La “Ciencia Central”

● Estudia la propiedades de la materia a nivel atómico y molecular.

● Estructura => Propiedades.


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.


Nuevasáreas enQuímica

● Sistemas complejos

● Grupos inter/multi-disciplinarios

● Oportunidades de avance en temas de frontera entre ciencias


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.)


Química Supramolecular


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.


Encapsulación molecular

Cápsulas completas... y cápsulasparciales


Complejos endohédricos● Átomo metálico

capturado dentro de buckyball.

● Nomeclatura: M@C60

● También se pueden capturar moléculas.


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


Ensamblajes moleculares

Complejosmetal-ligando

Autoensamblaje supramolecular


Dendrimeros: Sistemas moleculares ramificados

Composición

EstructuraUso


“Cables eléctricos” moleculares

Crontakes, S.M. et al. PNAS, 2005, 102(38): 13451-13456


Química Computacional

H=E


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.”


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.


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...


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.)


Aplicar Matemática e Informáticaa la Química no es fácil...

“Pero esta es la versión simplificadapara el público en general”


Métodos más usados en Química Computacional

Ab-initio

DFT

Semi-empírico

Mecánica Molecular

Incrementoen la complejidady costo del cálculo


Ab-initio

● Cálculos basados en principios teóricos.

● Usa una aproximación a la ecuación de onda:


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.


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.


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.


Componentes de Energía en MM


Cálculo de orbitales atómicos


Densidad electrónica: fenol


Perfiles energéticos


Estructura molecular y distribución electrostática


Dinámica molecular

Trayectoria y distribución de conformaciones


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


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


Distorsión geométrica en [4Fe4S]


Ángulos dihédricos en histidinas


“Minería de datos” 3D


Interacciones inter-moleculares


Bioinformática


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...


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)


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.


Biomoléculas (1)

De una molécula de agua, pasando por aminoácidos, a un trozo de ADN y un pedazo de proteína


Biomoléculas (2)

... hastaunaenzima


Biomoléculas (3)

... y un Virus


Biomoléculas (4)

... pasandopor una bacteria


Biomoléculas (5)

... y llegandoa célulassanguíneas


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.


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)


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


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.


¡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/

nuevas areas de investigación en química

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