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Bernardo Herradón García IQOG-CSIC

8 de julio de 2014

CURSO DE BIOTECNOLOGÍA ELEMENTAL 2014

“BIOTECHNOLOGY EXPLORER”

Moléculas y cristales: aplicaciones en biociencias

La química es la ciencia que estudia la composición, estructura, propiedades y transformaciones de la materia, especialmente a nivel atómico y molecular. La materia que conocemos está formada por partículas más pequeñas: moléculas, átomos,e iones; que son los componentes básicos de la materia que nos rodea. Por lo tanto, todo es química.

¿Qué es la Química?

http://www.losavancesdelaquimica.com/ http://www.madrimasd.org/blogs/quimicaysociedad/ http://educacionquimica.wordpress.com/

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La Química entre la Biomedicina y la Ciencia de los Materiales

QUÍMICA BIOLOGÍA FÍSICA

BIOMEDICINA

Medicina Biología humana Biología del organismo Fisiología Inmunología Neurociencia Endocrinología Oncología Biología celular Biología molecular Biología química/Química biológica Bioquímica Biotecnología Química Materiales Física Matemáticas

MATERIALES

Química Física Nanociencia Nanotecnología Ingeniería Matemáticas

BIOMATERIALES NANOBIOMEDICINA

Bioquímica, biología molecular, biotecnología, biomedicina:

Moléculas (metabolitos, biomacromoléculas), sus interacciones y transformaciones (reacciones químicas)

Proteínas

Ácidos nucleicos Carbohidratos (monosacáridos, oligosacáridos,

polisacáridos) Lípidos

Aminoácidos Metabolitos secundarios o productos naturales (terpenos,

alcaloides, prostanoides, flavonoides, arenos,….)

Genómica Proteómica

Metabolómica

Julio de 1912

Larry Bragg

(1890-1971)

W. H. Bragg

(1862-1942)

Noviembre de 1895

Röntgen (1845-1923)

Los “misteriosos” rayos X:

¿ondas o partículas?


Ewald (1888-1985)

Primer semestre de 1912

Laue (1879-1960)





William Lawrence Bragg (1890-1971)





William Lawrence Bragg (1890-1971)

11 de noviembre de 1912









1897: empezamos a entender la estructura de la materia




La naturaleza eléctrica de la materia

Volta (1745-1827)

Davy (1778-1829)

Faraday (1791-1867)

von Helmholtz (1821-1894)

Hittorf (1824-1914)

Stoney (1826-1911)

1911: El átomo está “vacío” Experimento de la lámina de oro. Modelo atómico (Rutherford)

Cristalografía. Difracción de rayos X y electrones.

Roentgen

Premio Nobel

Física, 1901

von Laue

Premio Nobel

Física, 1914

W. H. Bragg

Premio Nobel

Física, 1915

W. L. Bragg

Premio Nobel

Física, 1915

Barkla

Premio Nobel

Física, 1917

Moseley Siegbahn

Premio Nobel

Física, 1924

Debye

Premio Nobel

Química, 1936

Davidson

Premio Nobel

Física, 1937

G. P. Thomson

Premio Nobel

Física, 1937

http://educacionquimica.wordpress.com/2013/11/11/comienza-el-festival-de-la-cristalografia/





















Anales Quim. 2014, 111, 85

Science 2013, 342, 1502

Estados físicos de la materia

Gaseoso Líquido Sólido (amorfo o cristalino)

El estado físico depende de la estructura molecular y de las

interacciones entre moléculas (interacciones intermoleculares).

Implicación en las propiedades físicas y tecnológicas.

Gas Líquido Sólido

Estructuras cristalinas. Interacciones intermoleculares.

Escapolita Cuarzo

Estructuras cristalinas. Simetrías.

Triclínico Monoclínico Ortorrómbico

Hexagonal Tetragonal Cúbico Romboédrico





CARBÓN ACTIVO (C)

Carbono (C)

Grafito

Diamante

Estado físico: dependiente de las interacciones entre moléculas.









Teoría estructural de la química orgánica

Tetravalencia del carbono Explicación del isomerismo (1855) Estructura del benceno (1858)

Kekulé (1829-1896)

Lonsdale (1903-1971) Estructura del benceno (1929)

LUZ POLARIZADA

rotación optica

Biot (1815)

ROTACION OPTICA

ESPECIFICA

()/cxl

l = longitud tubo muestra (dm)

c = concentración g/mL

QUIRALIDAD Y ACTIVIDAD OPTICA





Louis Pasteur (1822-1895)

Estudiante mediocre. Interés por el la pintura, con intención de ser profesor de arte. Interés en la Química tras asistir a clases del Jean-Baptiste Dumas. Profesor de Química en las Universidades de Estrasburgo (1848), Lille (1854), y Escuela Normal de París (1857).

Miembro de la Academia de Ciencias de París (1862).





Fundador de la microbiología y la bacteriología Experimentos que descartan la generación espontánea de microbios (1860) Identificación de los microorganismos responsables de las fermentaciones alcohólicas y lácticas (1860) Pateurización (1864) Recomendaciones para la esterilización del material médico y quirúrgico Mejoras en la crías de gusanos de seda (1869) Vacunación masiva de animales de granja contra el ántrax (1881) Vacuna contra la rabia (1882). En personas (Joseph Meister, 1885)

APORTACIONES DE PASTEUR A LA BIOLOGÍA





Investigación fundamental en Estereoquímica (la Química en el espacio tridimensional). Quiralidad: propiedad de los objetos no superponibles con su imagen especular. Propiedad de nuestras manos y de muchas moléculas. Separación mecánica de los dos enantiómeros de sales del ácido tartárico racémico (1844). Relaciona este resultado con la estructura íntima de la materia (a nivel molecular).

APORTACIONES DE PASTEUR A LA QUÍMICA





Aplicaciones de la investigación básica

No existe una categoría de ciencia a la que podamos dar el nombre de ciencia aplicada. Hay ciencia y las

aplicaciones de la ciencia, unidas como el fruto a su árbol.

Louis Pasteur, 1871

La suerte favorece a las mentes preparadas

Pasteur: el poder de la experimentación





Algo de estereoquímica

Quiralidad: concepto topológico. Un objeto es quiral si no es superponible con su imagen especular. Un objeto quiral no posee planos de simetría.





QUIRALIDAD

“El universo es disimétrico; si todo el conjunto de cuerpos celestes que componen el sistema solar se emplazase delante de un espejo manteniendo sus movimientos individuales, la imagen especular no podría ser superpuesta con la realidad...” (Louis Pasteur, 1858)





van't Hoff y le Bel (1874)

QUIRALIDAD Y ESTEREOQUÍMICA

Van’t Hoff

“Propuesta espacial para las formulas estructurales utilizadas en química y la relación de la actividad óptica y la constitución química de los compuestos orgánicos”





Carbono (C) Grafito

Diamante

Los alotropos del carbono

Bernal (1901-1971)





Oxigeno

Carbono

Hidrogeno

Nitrógeno

Calcio

Fósforo

Potasio

Azufre

Sodio

Cloro

Magnesio

65

18,5

9,5

3,3

1,5

1,0

0,4

0,3

0,2

0,2

0,1

Aluminio, Boro, Cromo,

Cobalto, Cobre, Estaño,

Flúor, Hierro, Manganeso,

Molibdeno, Selenio, Silicio,

Vanadio, Yodo, Zinc

Earl Frieden "The Chemical Elements of Life"

Scientific American, 1972

Agua

Lípidos

Proteínas

Ácidos Nucleicos

Glúcidos

Minerales

70

15

12

2

0,5

0,5

Gillian Pocock, Christopher D Richards “Fisiología

humana: La base de la Medicina”, 2ª Edicion,

Elsevier, 2005

Composición elemental (%) Composición molecular en tejidos

magros (%)

La cristalografía ayuda a entender la química del ser vivo

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/64/Trimyristin-3D-vdW.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Hemoglobin_t-r_state_ani.gif

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6a/Alpha-D-glucose-3D-balls.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/DNA_orbit_animated.gif

Algunos protagonistas

Pauling (1901-1994) Crowfoot-Hodgkin (1910-1994)

Franklin (1920-1958)

Aspectos estructurales de la molécula de ADN

En los seres vivos está constituida por

dos cadenas antiparalelas, formando la

conocida “doble hélice”

Interacciones por enlaces de

hidrogeno por pares A=T y C=G =

Estructura del DNA

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4e/DNA_chemical_structure_es-2008-08-01.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/DNA_orbit_animated.gif

La hemoglobina: una molécula esencial





La Química y la vida. Impacto sobre la salud.

Hemoglobina

La anemia falciforme: La primera enfermedad molecular (1949)

Enfermedad producida por la mutación de un único aminoácido (origen genético).

Linus Pauling. Premio Nobel de Química (1954) y de la Paz (1962)

HO2C CO2H

NH2

CO2H

NH2

Ácido Glutámico Valina

Insulina Vitamina B12

Penicilina Colesterol

Dorothy Crowfoot-Hodgkin (1910-1994) Premio Nobel de Química (1964)

Aplicaciones de la difracción de rayos X a la determinación estructural de moléculas

complejas





Colesterol (esteroide): Componente esencial de la membrana celular de mamíferos Intermedio en la biosíntesis de hormonas y ácidos biliares

Bernal y Crowfoot, 1934-1944

Penicilina (1949)

Gliotoxin (1944) Morfina (1955)

La información estructural ha sido fundamental para entender la función biológica de la insulina










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