Modelo molecular

Un modelo molecular es un modelo físico de un sistema atómico que representa las moléculas y sus procesos. Desempeñan un papel importante en la comprensión de la química y en la generación y prueba de hipótesis . La creación de modelos matemáticos de las propiedades y el comportamiento molecular se denomina modelado molecular y su representación gráfica se denomina gráficos moleculares .

El término "modelo molecular" se refiere a sistemas que contienen uno o más átomos explícitos (aunque los átomos del disolvente pueden estar representados de forma implícita) y en los que se omite la estructura nuclear . La estructura electrónica también suele omitirse a menos que sea necesaria para ilustrar la función de la molécula que se está modelando.

Los modelos moleculares pueden crearse por varias razones: como herramientas pedagógicas para estudiantes o para aquellos que no están familiarizados con las estructuras atomísticas; como objetos para generar o probar teorías (por ejemplo, la estructura del ADN); como computadoras analógicas (por ejemplo, para medir distancias y ángulos en sistemas flexibles); o como objetos estéticamente agradables en el límite del arte y la ciencia.

La construcción de modelos físicos es a menudo un acto creativo, y muchos ejemplos a medida se han creado cuidadosamente en los talleres de los departamentos de ciencias. Existe una amplia gama de enfoques para el modelado físico, incluidos los modelos de bolas y varillas disponibles para su compra comercial, hasta los modelos moleculares creados mediante impresoras 3D . La estrategia principal, inicialmente en libros de texto y artículos de investigación y más recientemente en computadoras. Los gráficos moleculares han hecho que la visualización de modelos moleculares en hardware de computadora sea más fácil, más accesible y económica, aunque los modelos físicos se usan ampliamente para mejorar el mensaje táctil y visual que se retrata.

En el siglo XVII, Johannes Kepler especuló sobre la simetría de los copos de nieve y el empaquetamiento compacto de objetos esféricos como la fruta. ^[1] La disposición simétrica de esferas estrechamente empaquetadas informó las teorías de la estructura molecular a fines del siglo XIX, y muchas teorías de cristalografía y estructura inorgánica del estado sólido utilizaron conjuntos de esferas iguales y desiguales para simular el empaquetamiento y predecir la estructura.

John Dalton representó los compuestos como agregaciones de átomos circulares, y aunque Johann Josef Loschmidt no creó modelos físicos, sus diagramas basados ​​en círculos son análogos bidimensionales de modelos posteriores. ^[2] A August Wilhelm von Hofmann se le atribuye el primer modelo molecular físico alrededor de 1860. ^[3] Nótese cómo el tamaño del carbono parece más pequeño que el del hidrógeno. La importancia de la estereoquímica no se reconoció entonces y el modelo es esencialmente topológico (debería ser un tetraedro tridimensional ).

Jacobus Henricus van 't Hoff y Joseph Le Bel introdujeron el concepto de química en tres dimensiones del espacio, es decir, la estereoquímica. Van 't Hoff construyó moléculas tetraédricas que representan las propiedades tridimensionales del carbono . ^{[ cita requerida ]}

Las unidades repetidas ayudarán a mostrar lo fácil y claro que es representar moléculas a través de bolas que representan átomos.

Los compuestos binarios cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de cesio (CsCl) tienen estructuras cúbicas, pero tienen diferentes grupos espaciales. Esto se puede explicar racionalmente en términos de empaquetamiento compacto de esferas de diferentes tamaños. Por ejemplo, el NaCl se puede describir como iones de cloruro empaquetados de forma compacta (en una red cúbica centrada en las caras) con iones de sodio en los huecos octaédricos . Después del desarrollo de la cristalografía de rayos X como herramienta para determinar las estructuras cristalinas, muchos laboratorios construyeron modelos basados ​​en esferas. Con el desarrollo de bolas de plástico o poliestireno , ahora es fácil crear dichos modelos.

El concepto de enlace químico como enlace directo entre átomos se puede modelar uniendo esferas (átomos) con varillas (enlaces). Este método ha sido muy popular y todavía se utiliza ampliamente en la actualidad. Inicialmente, los átomos estaban hechos de esferas de madera con agujeros especialmente perforados para las varillas. De este modo, el carbono se puede representar como una esfera con cuatro agujeros en los ángulos tetraédricos cos ⁻¹ (− 1 ⁄ 3 ) ≈ 109,47°.

Un problema con los enlaces rígidos y los huecos es que no se pueden construir sistemas con ángulos arbitrarios. Esto se puede superar con enlaces flexibles, originalmente resortes helicoidales pero ahora generalmente plásticos. Esto también permite que los enlaces dobles y triples se aproximen mediante múltiples enlaces simples.

El modelo que se muestra a la izquierda representa un modelo de bolas y palos de prolina . Las bolas tienen colores: el negro representa el carbono (C); el rojo , el oxígeno (O); el azul , el nitrógeno (N); y el blanco, el hidrógeno (H). Cada bola está perforada con tantos agujeros como su valencia convencional (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) dirigida hacia los vértices de un tetraedro. Los enlaces simples están representados por barras grises (bastante) rígidas. Los enlaces dobles y triples utilizan dos enlaces flexibles más largos que restringen la rotación y apoyan la estereoquímica cis / trans convencional .

Sin embargo, la mayoría de las moléculas requieren agujeros en otros ángulos y las empresas especializadas fabrican kits y modelos a medida. Además de los agujeros tetraédricos, trigonales y octaédricos, había bolas multiuso con 24 agujeros. Estos modelos permitían la rotación sobre los enlaces de varillas simples, lo que podía ser tanto una ventaja (mostrando flexibilidad molecular) como una desventaja (los modelos son flexibles). La escala aproximada era de 5 cm por ångström (0,5 m/nm o 500.000.000:1), pero no era uniforme en todos los elementos.

Arnold Beevers, de Edimburgo, creó pequeños modelos utilizando esferas de PMMA y varillas de acero inoxidable. Al utilizar esferas perforadas individualmente con ángulos y longitudes de enlace precisos en estos modelos, se crearon estructuras cristalinas grandes con precisión, pero con una forma ligera y rígida. La figura 4 muestra una celda unitaria de rubí en este estilo.

El modelo de ADN de Crick y Watson y los kits de construcción de proteínas de Kendrew se encuentran entre los primeros modelos esqueléticos. Se basaban en componentes atómicos en los que las valencias se representaban mediante varillas y los átomos eran puntos en las intersecciones. Los enlaces se creaban uniendo los componentes con conectores tubulares con tornillos de bloqueo.

A finales de los años 50, André Dreiding introdujo un kit de modelado molecular que prescindía de los conectores. Un átomo determinado tenía picos de valencia sólidos y huecos. Las barras sólidas encajaban en los tubos formando un enlace, normalmente con rotación libre. Estos equipos se utilizaban y se utilizan mucho en los departamentos de química orgánica y se fabricaban con tanta precisión que se podían realizar mediciones interatómicas con una regla.

Más recientemente, los modelos de plástico económicos (como Orbit) utilizan un principio similar. Una pequeña esfera de plástico tiene protuberancias sobre las que se pueden colocar tubos de plástico. La flexibilidad del plástico permite crear geometrías distorsionadas.

Muchos sólidos inorgánicos están formados por átomos rodeados por una esfera de coordinación de átomos electronegativos (por ejemplo, tetraedros de PO4 y octaedros de TiO6 _{) .} Las estructuras se pueden modelar pegando poliedros hechos de papel o plástico.

Un buen ejemplo de modelos compuestos es el enfoque de Nicholson, ampliamente utilizado desde finales de la década de 1970 para construir modelos de macromoléculas biológicas . Los componentes son principalmente aminoácidos y ácidos nucleicos con residuos preformados que representan grupos de átomos. Muchos de estos átomos se moldean directamente en la plantilla y se ajustan entre sí empujando trozos de plástico en pequeños orificios. El plástico se agarra bien y hace que los enlaces sean difíciles de rotar, de modo que se pueden establecer ángulos de torsión arbitrarios y mantener su valor. Las conformaciones de la cadena principal y las cadenas laterales se determinan calculando previamente los ángulos de torsión y luego ajustando el modelo con un transportador .

El plástico es blanco y se puede pintar para distinguir entre átomos de O y N. Los átomos de hidrógeno normalmente están implícitos y se modelan cortando los radios. Un modelo de una proteína típica con aproximadamente 300 residuos podría tardar un mes en construirse. Era común que los laboratorios construyeran un modelo para cada proteína resuelta. En 2005, se estaban determinando tantas estructuras de proteínas que se hicieron relativamente pocos modelos.

Con el desarrollo de modelos físicos basados ​​en computadora, ahora es posible crear modelos completos de una sola pieza introduciendo las coordenadas de una superficie en la computadora. La Figura 6 muestra modelos de toxina de ántrax , a la izquierda (a una escala de aproximadamente 20 Å/cm o 1:5.000.000) y proteína fluorescente verde , a la derecha (5 cm de alto, a una escala de aproximadamente 4 Å/cm o 1:25.000.000) de 3D Molecular Design. Los modelos están hechos de yeso o almidón, utilizando un proceso de prototipado rápido.

Recientemente también se ha hecho posible crear modelos moleculares precisos dentro de bloques de vidrio utilizando una técnica conocida como grabado láser subsuperficial . La imagen de la derecha muestra la estructura 3D de una proteína de E. coli (subunidad beta de la ADN polimerasa, código PDB 1MMI) grabada dentro de un bloque de vidrio por la empresa británica Luminorum Ltd.

Los ordenadores también pueden modelar las moléculas matemáticamente. Programas como Avogadro pueden ejecutarse en ordenadores de sobremesa comunes y pueden predecir longitudes y ángulos de enlace, polaridad molecular y distribución de carga, e incluso propiedades mecánicas cuánticas como los espectros de absorción y emisión. Sin embargo, este tipo de programas no pueden modelar moléculas a medida que se añaden más átomos, porque el número de cálculos es cuadrático en relación con el número de átomos implicados; si se utilizan cuatro veces más átomos en una molécula, los cálculos tardarán 16 veces más. Para la mayoría de los fines prácticos, como el diseño de fármacos o el plegamiento de proteínas, los cálculos de un modelo requieren supercomputación o no pueden realizarse en absoluto en ordenadores clásicos en un tiempo razonable. Los ordenadores cuánticos pueden modelar moléculas con menos cálculos porque el tipo de cálculos que realiza en cada ciclo un ordenador cuántico es adecuado para el modelado molecular.

Algunos de los colores más comunes utilizados en los modelos moleculares son los siguientes: ^{[4] [ se necesita una mejor fuente ]}

Esta tabla es una cronología incompleta de eventos en los que los modelos moleculares físicos proporcionaron importantes conocimientos científicos.

• Software de diseño molecular
• Gráficos moleculares
• Modelado molecular
• Diagrama de cinta
• Software para modelado de mecánica molecular
• Modelo de relleno de espacio (Calotte)

• Barlow, W. (1883). "Naturaleza probable de la simetría interna de los cristales". Nature . 29 (738): 186–8. Código Bibliográfico :1883Natur..29..186B. doi : 10.1038/029186a0 .
• Barlow, W.; Pope, WJ (1906). "Un desarrollo de la teoría atómica que correlaciona la estructura química y cristalina y conduce a una demostración de la naturaleza de la valencia". J. Chem. Soc . 89 : 1675–1744. doi :10.1039/ct9068901675.
• Whittaker, AG (2009). "Modelos moleculares: representaciones tangibles de lo abstracto". Boletín PDB . 41 : 4–5.[1]
• Historia de los modelos moleculares. Ponencia presentada en el EuroScience Open Forum (ESOF), Estocolmo, el 25 de agosto de 2004, por W. Gerhard Pohl, Sociedad Química Austriaca. Fotografía de los modelos tetraédricos de van't Hoff y de las fórmulas orgánicas de Loschmidt (sólo bidimensionales).
• Wooster, WA; et al. (1945). "Una plantilla esférica para bolas de perforación para modelos de estructura cristalina". J. Sci. Instrum . 22 (7): 130. Bibcode :1945JScI...22..130W. doi :10.1088/0950-7671/22/7/405.Notas biográficas de Wooster, incluida la creación de Crystal Structure Ltd.

• Historia de la visualización de macromoléculas biológicas de Eric Martz y Eric Francoeur. Contiene una combinación de modelos físicos y gráficos moleculares .