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Gráficos moleculares

Fullereno C 60 con isosuperficie La gráfica molecular es la disciplina y filosofía que estudia las moléculas y sus propiedades mediante representación gráfica. [ 1 ] La IUPAC li...

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Fullereno C 60 con isosuperficie

La gráfica molecular es la disciplina y filosofía que estudia las moléculas y sus propiedades mediante representación gráfica. [ 1 ] La IUPAC limita la definición a representaciones en un "dispositivo de visualización gráfica". [ 2 ] Desde los átomos de Dalton y el benceno de Kekulé , existe una rica historia de átomos y moléculas dibujados a mano, y estas representaciones han tenido una influencia importante en la gráfica molecular moderna.

Los gráficos moleculares a color se utilizan a menudo con fines artísticos en las portadas de revistas de química. [ 3 ]

Historia

Antes del uso de gráficos por computadora para representar la estructura molecular, Robert Corey y Linus Pauling desarrollaron un sistema para representar átomos o grupos de átomos de madera dura a una escala de 1 pulgada = 1 angstrom, conectados por un dispositivo de sujeción para mantener la configuración molecular. [ 4 ] Estos primeros modelos también establecieron el esquema de color CPK que todavía se usa hoy para diferenciar los distintos tipos de átomos en los modelos moleculares (por ejemplo, carbono = negro, oxígeno = rojo, nitrógeno = azul, etc.). Este modelo inicial fue mejorado en 1966 por WL Koltun y ahora se conoce como modelos Corey-Pauling-Koltun (CPK). [ 5 ]

Los primeros esfuerzos para producir modelos de estructura molecular fueron realizados por el Proyecto MAC utilizando modelos de estructura alámbrica mostrados en un tubo de rayos catódicos a mediados de la década de 1960. En 1965, Carroll Johnson distribuyó el diagrama de elipsoide térmico de Oak Ridge (ORTEP) , que visualizaba las moléculas como un modelo de bolas y varillas con líneas que representaban los enlaces entre átomos y elipsoides para representar la probabilidad de movimiento térmico. [ 6 ] Los diagramas de elipsoide térmico se convirtieron rápidamente en el estándar de facto utilizado en la visualización de datos de cristalografía de rayos X , y todavía se utilizan ampliamente en la actualidad. [ 6 ] El primer uso práctico de gráficos moleculares fue una simple visualización de la proteína mioglobina utilizando una representación de estructura alámbrica en 1966 por Cyrus Levinthal y Robert Langridge, quienes trabajaban en el Proyecto MAC. [ 7 ]

Entre los hitos en los gráficos moleculares de alto rendimiento se encuentra el trabajo de Nelson Max en la representación "realista" de macromoléculas utilizando esferas reflectantes .

Un par de gafas con obturador CrystalEyes

Inicialmente, gran parte de la tecnología se concentró en gráficos 3D de alto rendimiento . [ 8 ] Durante la década de 1970, se desarrollaron métodos para mostrar gráficos 3D utilizando tubos de rayos catódicos, empleando gráficos por computadora de tono continuo en combinación con dispositivos de visualización de obturador electroóptico. [ 9 ] Los primeros dispositivos utilizaban un sistema 3D de obturador activo , que generaba diferentes vistas en perspectiva para los canales izquierdo y derecho para proporcionar la ilusión de visualización tridimensional. Se diseñaron gafas de visualización estereoscópica utilizando cerámica de titanato de zirconato de lantano y plomo (PLZT) como elementos de obturador controlados electrónicamente. [ 10 ] Las gafas 3D activas requieren baterías y funcionan en conjunto con la pantalla para cambiar activamente la presentación de las lentes a los ojos del usuario. Muchas gafas 3D modernas utilizan un sistema 3D pasivo y polarizado que permite al usuario visualizar efectos 3D basados ​​en su propia percepción. Las gafas 3D pasivas son más comunes hoy en día, ya que son menos costosas. [ 11 ]

Los requisitos de la cristalografía macromolecular también impulsaron los gráficos moleculares porque las técnicas tradicionales de construcción de modelos físicos no podían escalarse. Las dos primeras estructuras de proteínas resueltas mediante gráficos moleculares sin la ayuda de la Caja de Richards se construyeron con el programa FIT de Stan Swanson en la pantalla gráfica Vector General en el laboratorio de Edgar Meyer en la Universidad de Texas A&M: primero Marge Legg en el laboratorio de Al Cotton en A&M resolvió una segunda estructura de mayor resolución de la nucleasa de Staphylococcus (1975) y luego Jim Hogle resolvió la estructura de la lisozima monoclínica en 1976. Pasó un año completo antes de que otros sistemas gráficos se utilizaran para reemplazar la Caja de Richards para el modelado de densidad en 3D. El programa FRODO de Alwyn Jones (y más tarde "O") se desarrolló para superponer la densidad electrónica molecular determinada a partir de la cristalografía de rayos X y la estructura molecular hipotética.

Cronología

Tipos

Modelos de bola y varilla

Una molécula de ácido pamidrónico , representada mediante el programa Jmol . El hidrógeno es blanco, el carbono gris, el nitrógeno azul, el oxígeno rojo y el fósforo naranja.

En el modelo de esferas y varillas, los átomos se representan como pequeñas esferas conectadas por varillas que representan los enlaces químicos entre ellos.

Modelos que llenan el espacio

Modelo tridimensional del ácido fórmico . El hidrógeno es blanco, el carbono es gris y el oxígeno es rojo.

En el modelo de relleno espacial, los átomos se representan como esferas sólidas para sugerir el espacio que ocupan, en proporción a sus radios de van der Waals . Los átomos que comparten un enlace se superponen entre sí.

Superficies

Una molécula de agua representada con una isosuperficie de potencial electrostático sombreada. Las áreas resaltadas en rojo tienen una densidad de carga positiva neta , y las áreas azules tienen una carga negativa.

En algunos modelos, la superficie de la molécula se aproxima y se sombrea para representar una propiedad física de la molécula, como la densidad de carga electrónica. [ 39 ] [ 40 ]

Diagramas de cintas

Imagen de la hemaglutinina con las hélices alfa representadas como cilindros y el resto del polipéptido como espirales plateadas. Los átomos individuales del polipéptido se han ocultado. Todos los átomos que no son hidrógeno en los dos ligandos se muestran cerca de la parte superior del diagrama.

Los diagramas de cinta son representaciones esquemáticas de la estructura de las proteínas y constituyen uno de los métodos más comunes de representación proteica utilizados en la actualidad. La cinta muestra la trayectoria y organización general del esqueleto proteico en 3D, y sirve como marco visual para añadir detalles de la estructura atómica completa, como las esferas que representan los átomos de oxígeno unidos al sitio activo de la mioglobina en la imagen adyacente. Los diagramas de cinta se generan interpolando una curva suave a través del esqueleto polipeptídico . Las hélices α se muestran como cintas enrolladas o tubos gruesos, las hebras β como flechas y las espirales o bucles no repetitivos como líneas o tubos delgados. La dirección de la cadena polipeptídica se muestra localmente mediante las flechas y puede indicarse globalmente mediante una rampa de color a lo largo de la cinta. [ 41 ]

Véase también

Referencias

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  • Serie de entrevistas destacadas: Entrevista con Robert Langridge , realizada por Russ Altman, y diapositivas históricas.
  • Historia de la visualización de macromoléculas biológicas, por Eric Martz y Eric Francoeur.
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