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Lego Molecular: Construyendo moléculas

Bloques Lego®

Bloques Lego®

Seguramente alguna vez has jugado y construido diversas figuras con los juguetes Lego®; probablemente construiste una nave, una ciudad, un coche, entre otras muchas cosas, agotando al máximo tu imaginación para poder hacer nuevas figuras cada vez al usar los bloques disponibles. Pues bien, una gran cantidad de científicos trabajan con algo similar a los juguetes Lego®, la diferencia es en que los bloques se encuentran dentro de diferentes programas de computadora y que en lugar de construir naves o ciudades, lo utilizan para “construir” y estudiar propiedades de diferentes moléculas.

Al igual que las figuras que se pueden armar con los bloques Lego®, existe una infinidad de moléculas que se pueden diseñar, para escoger una adecuada los científicos utilizan su criterio químico y físico para poder dibujar la molécula de su interés. A esta rama de la ciencia se le conoce como Química Computacional y en los últimos años es un área de investigación que ha ido tomando cada vez mayor fuerza. ¿Qué moléculas se pueden dibujar? Pueden ser desde las más sencillas, como una molécula de hidrógeno o de agua, hasta moléculas más complejas como las proteínas.

Computadora Lego®

Computadora Lego®

La Química Computacional utiliza modelos matemáticos para poder describir adecuadamente las moléculas y poder así obtener sus propiedades. De acuerdo a la molécula con la cual se esté trabajando se escogerá un modelo matemático, por lo general, si se trata de una molécula muy grande se utilizan modelos basados en la mecánica clásica, es decir, solamente se considera la interacción de los átomos del sistema; mientras que si se trata de moléculas pequeñas se utilizan modelos basados en la mecánica cuántica, es decir, modelos donde considera la interacción entre los electrones de los átomos y sus núcleos. ¿Por qué se recurre a una computadora para llevar a cabo estos cálculos? Debido a que la cantidad de cálculos necesarios va aumentando conforme la cantidad de núcleos y electrones… ¡¿Imagínate hacer a mano los cálculos correspondientes para la insulina (una proteína pequeña de aproximadamente 777 átomos?!

Nanobutbo de carbono

Nanobutbo de carbono

La Química Computacional es una herramienta muy poderosa, previo a un experimento nos puede dar pauta de cómo conducir nuestro experimento y qué esperar del o los productos de nuestro experimento. Esta herramienta es ocupada, por ejemplo, en el diseño de nuevos fármacos. A partir de una molécula conocida, la modificación de ésta o de una molécula innovadora se puede estudiar sus propiedades a través de la Química Computacional y observar que tan afín es a un receptor biológico, de tal manera tener una idea de la efectividad y/o potencia de nuestro nuevo fármaco. Otra aplicación es en el diseño de dispositivos electrónicos, como los

Diseño de fármacos

Diseño de fármacos

nanotúbulos o nanoalambres, ya que con ayuda de la Química Computacional se puede determinar sus propiedades fisicoquímicas al variar el tipo y/o número de átomos, su estructura, entre otras cosas. Una vez determinadas sus propiedades se puede plantear el uso o aplicación del material modelado o proponer una ruta de síntesis, por ejemplo.

Por último, el desarrollo de la Química Computacional ha ido de la mano con el desarrollo de las computadoras, ya que conforme pasa el tiempo se han ido diseñando computadoras de mayor poder de procesamiento permitiendo el desarrollo de nuevos modelos y la obtención de mejores resultados en menor cantidad de tiempo. Siguiendo la analogía con los juguetes Lego® no queda más que decir que la Química Computacional es el Lego Molecular del mundo de la ciencia.

ADN Lego®

ADN Lego®

¿4 billones de años a velocidad luz ?

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Sí, eso es lo que tardarías en recorrer la galaxia más grande del Universo en un vehículo a velocidad luz, 4 billones de años, y es que un grupo internacional de astrónomos dirigidos por la University of Central Lancashire (UCLan) encontraron “la estructura más grande del Universo”. Dicha estructura es un gran grupo de cuásares (large quasar group o LQG) y tiene un tamaño de 1200 Megapársecs (Mpc), que equivale a 4 millones de años luz.

Para que te des una idea la LQG (large quasar group) es 1600 veces más grande que la distancia que separa nuestra galaxia, la Vía Láctea y su hermana Andrómeda, la cual es de 0.75 Megapársecs o 2.5 millones de años luz.

Los astrónomos explican que el descubrimiento con este grupo de cuásares se contrapone a la teoría moderna de la cosmología basada en el trabajo de Albert Einstein, la que indica que no deberían ser  encontradas estructuras de un tamaño mayor a los 370 Mpc.

Link: Astronomers discover the largest structure in the universe (publicado en Royal Astronomical Society)

¿Qué fue primero el huevo o la gallina? (El mundo del ARN)

Dogma Central de la Biología Molecular

Dogma Central de la Biología Molecular

Si pensáramos en la biomolécula responsable del origen de la vida, probablemente pensaríamos en el ADN. Seguramente alguna vez has escuchado hablar acerca de esta molécula, ya que es la molécula que contiene nuestra información genética. De acuerdo al Dogma Central de la Biología, a partir del ADN se puede obtener ARN (del cual hablaremos más adelante) y, posteriormente, proteínas.

Las proteínas son moléculas muy importantes para los organismos, ya que llevan a cabo diferentes tareas en el organismo, tales como funcionar como estructuras (como lo son la queratina y el colágeno), ser parte del sistema inmune (como los anticuerpos), transportar moléculas u otras proteínas y, una muy importante e interesante, llevar a cabo reacciones químicas en el organismo de forma muy eficiente (a este tipo de proteínas se les conoce como enzimas). Pues bien, algunas proteínas participan en la replicación y en la interpretación de la información contenida en el ADN, por lo que con la ayuda de algunas proteínas a partir del ADN se obtiene el ARN y nuevas proteínas con diferentes destinos, de acuerdo a las necesidades de la célula.

ADN

ADN

Bueno, pero ¿para qué todo lo explicado anteriormente? Si comparamos a las proteínas y al ADN ¿cuál de estas dos moléculas pensarías que fue la primera? Resumiendo un poco: a partir del ADN se puede obtener nuevas proteínas pero para que esto suceda se necesita la ayuda de otras proteínas que interpreten y ayuden a la conservación de esta información, sin embargo, estas proteínas también se encuentran codificadas en alguna parte del ADN… Sigue de pie la duda ¿qué fue primero el huevo o la gallina? No… Más bien ¿Qué fue primero el ADN o las proteínas?

Una buena pregunta ¿verdad? El ADN contiene la información pero necesita de proteínas para su procesamiento y las proteínas son capaces de procesar y replicar al ADN pero para ello necesitan de éste o de una cadena que le sirva de molde… Bajo este contexto es como presentaremos al ARN. Éste es una molécula intermediaria entre el ADN y las proteínas, es decir, es una forma más entendible de la información genética del ADN y facilita la producción de proteínas. Fue hasta en 1980 cuando los científicos Thomas

Diferentes proteínas

Diferentes proteínas

Cech y Sidney Altman descubren que las proteínas no son las únicas capaces de llevar a cabo actividades catalíticas (reacciones químicas) sino que ¡el ARN también era capaz de llevar a cabo este tipo de tarea! y que también era capaz de autoreplicarse. A estas moléculas de ARN se les conoce como “ribozimas” (nombradas así por Kelly Kruger en 1982).

De esta manera, en 1986, Walter Gilbert propone la hipótesis del “Mundo del ARN”, en la cual se plantea que el ARN fue el primero que se formó y que fungía el papel de ADN y de la proteínas en las células primitivas gracias a su actividad enzimática. De hecho, en algunos virus como el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) y el la Influenza llevan como información genética moléculas de ARN y no de ADN.

La forma en que se pasó de ARN a ADN se desconoce aún, pero se plantea que fue a través de un proceso evolutivo. ¿Por qué no se quedó en ARN? Esto puede deberse a que el ADN es más estable que el ARN. En cuanto en cómo pasó la actividad enzimática a las proteínas es una duda que persiste y aún se estudia. Por lo mientras entre que es el huevo o la gallina, el ARN es, hasta ahora, el mejor candidato a ser la biomolécula responsable del origen de la vida.

Walter Gilber. Premio Nobel de Química en 1980

Walter Gilber. Premio Nobel de Química en 1980

Ribozima (ARN con actividad catalítica)

Ribozima (ARN con actividad catalítica)

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