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Gráficos moleculares

Los gráficos moleculares son la disciplina y filosofía de estudiar las moléculas y sus propiedades a través de la representación gráfica. [1] La IUPAC limita la definición a las representaciones en un "dispositivo de visualización gráfica". [2] Desde los átomos de Dalton y el benceno de Kekulé , ha habido una rica historia de átomos y moléculas dibujados a mano, y estas representaciones han tenido una influencia importante en los gráficos moleculares modernos.

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

Historia

Antes de que se utilizaran gráficos de computadora para representar la estructura molecular, Robert Corey y Linus Pauling desarrollaron un sistema para representar átomos o grupos de átomos de madera dura en 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 coloración CPK que todavía se utiliza hoy en día para diferenciar los diferentes 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 intentos de 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 gráfico de elipsoide térmico de Oak Ridge (ORTEP) que visualizaba las moléculas como un modelo de bolas y barras con líneas que representaban los enlaces entre átomos y elipsoides para representar la probabilidad de movimiento térmico. [6] Los gráficos 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 que 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 utilizando gráficos de computadora de tono continuo en combinación con dispositivos de visualización con obturador electroóptico. [9] Los primeros dispositivos usaban un sistema 3D de obturador activo , que generaba diferentes vistas en perspectiva para el canal izquierdo y derecho para proporcionar la ilusión de una visión tridimensional. Las gafas de visión estereoscópica se diseñaron utilizando cerámica de zirconato titanato de plomo y lantano (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 en función de 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 de gráficos Vector General en el laboratorio de Edgar Meyer en la Universidad 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 estafilococo (1975) y luego Jim Hogle resolvió la estructura de la lisozima monoclínica en 1976. Pasó un año completo antes de que se utilizaran otros sistemas de gráficos para reemplazar la Caja de Richards para modelar la densidad en 3-D. El programa FRODO de Alwyn Jones (y más tarde "O") se desarrollaron para superponer la densidad electrónica molecular determinada a partir de la cristalografía de rayos X y la estructura molecular hipotética.

Cronología

Tipos

Modelos de bolas y palos

Molécula de ácido pamidrónico , dibujada con el programa Jmol . El hidrógeno es blanco, el carbono es gris, el nitrógeno es azul, el oxígeno es rojo y el fósforo es naranja.

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

Modelos que llenan el espacio

Modelo de ácido fórmico que llena el espacio . El hidrógeno es blanco, el carbono es negro y el oxígeno es rojo.

En el modelo de relleno espacial, los átomos se dibujan 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

Molécula de agua dibujada con una isosuperficie de potencial electrostático sombreada . Las áreas resaltadas en rojo tienen una densidad de carga neta positiva 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 cinta

Imagen de la hemaglutinina con las hélices alfa representadas como cilindros y el resto del polipéptido como espirales de plata. 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 son uno de los métodos más comunes de representación de proteínas que se utilizan en la actualidad. La cinta muestra la ruta general y la organización de la cadena principal de la proteína en 3D y sirve como un marco visual en el que colgar detalles de la estructura atómica completa, como las bolas para 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 de la cadena principal del polipéptido . Las hélices α se muestran como cintas enrolladas o tubos gruesos, las hebras β como flechas y las bobinas o bucles no repetitivos como líneas o tubos delgados. La dirección de la cadena polipeptídica se muestra localmente mediante las flechas y puede indicarse en general mediante una rampa de color a lo largo de la cinta. [41]

Véase también

Referencias

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Enlaces externos