Modelo que llena el espacio

En química , un modelo de relleno de espacio , también conocido como modelo de calota , es un tipo de modelo molecular tridimensional (3D) donde los átomos están representados por esferas cuyos radios son proporcionales a los radios de los átomos y cuyo centro a Las distancias entre centros son proporcionales a las distancias entre los núcleos atómicos , todos en la misma escala. Los átomos de diferentes elementos químicos suelen estar representados por esferas de diferentes colores.

Un modelo de relleno de espacio de n- octano , el hidrocarburo de cadena lineal (normal) compuesto por 8 carbonos y 18 hidrógenos, fórmulas: CH ₃ CH ₂ (CH ₂ ) ₄ CH ₂ CH ₃ o C
₈H
₁₈. Tenga en cuenta que el representante que se muestra es de una sola "pose" conformacional de una población de moléculas, que, debido a las bajas barreras de energía de Gibbs para la rotación alrededor de sus enlaces carbono-carbono (lo que le da a la "cadena" de carbono una gran flexibilidad), normalmente se compone de un gran número de tales conformaciones diferentes (por ejemplo, en solución).

Un ejemplo de un modelo tridimensional que llena el espacio de una molécula compleja, THC , el agente activo de la marihuana.

Los modelos de calota que llenan el espacio también se conocen como modelos CPK en honor a los químicos Robert Corey , Linus Pauling y Walter Koltun , quienes durante un período de tiempo desarrollaron el concepto de modelado en una forma útil. ^[1] Se distinguen de otras representaciones 3D, como los modelos de bola y palo y esquelético , por el uso de esferas de relleno de espacio de "tamaño completo" para los átomos. Son útiles para visualizar la forma efectiva y las dimensiones relativas de la molécula, y las formas de la superficie que podría presentar un conformador estático dado . Por otro lado, estos modelos enmascaran los enlaces químicos entre los átomos y dificultan ver la estructura de la molécula que está oscurecida por los átomos más cercanos al espectador en una pose particular. Por esta razón, tales modelos son de mayor utilidad si se pueden usar dinámicamente, especialmente cuando se usan con moléculas complejas (por ejemplo, vea la mayor comprensión de la forma de las moléculas cuando se hace clic en el modelo de THC para rotar).

Historia

Los modelos que llenan el espacio surgen del deseo de representar moléculas de manera que reflejen las superficies electrónicas que presentan las moléculas, que dictan cómo interactúan, unas con otras (o con superficies, o macromoléculas como enzimas, etc.). Los datos cristalográficos son el punto de partida para comprender la estructura molecular estática, y estos datos contienen la información rigurosamente necesaria para generar representaciones que llenan el espacio (por ejemplo, consulte estos modelos cristalográficos ); Sin embargo, la mayoría de las veces, los cristalógrafos presentan las ubicaciones de los átomos derivados de la cristalografía a través de " elipsoides térmicos " cuyos parámetros de corte se establecen por conveniencia tanto para mostrar las ubicaciones de los átomos (con anisotropías ) como para permitir la representación de los enlaces covalentes u otras interacciones. entre átomos como líneas. En resumen, por razones de utilidad, los datos cristalográficos han aparecido históricamente en presentaciones más cercanas a los modelos de bola y palo. Por lo tanto, si bien los datos cristalográficos contienen la información para crear modelos de llenado de espacio, permaneció para las personas interesadas en modelar una forma estática efectiva de una molécula, y el espacio que ocupaba y las formas en que podría presentar una superficie a otra molécula. para desarrollar el formalismo que se muestra arriba.

En 1952, Robert Corey y Linus Pauling describieron modelos a escala precisos de moléculas que habían construido en Caltech . ^[1] En sus modelos, visualizaron la superficie de la molécula como determinada por el radio de van der Waals de cada átomo de la molécula, y diseñaron los átomos como esferas de madera dura de diámetro proporcional al radio de van der Waals de cada átomo , en la escala 1 pulgada = 1 Å . Para permitir los enlaces entre los átomos, se cortó una parte de cada esfera para crear un par de caras planas coincidentes, con los cortes dimensionados de modo que la distancia entre los centros de las esferas fuera proporcional a las longitudes de los tipos estándar de enlaces químicos. ^[1] Se diseñó un conector, un casquillo de metal que se enrosca en cada esfera en el centro de cada cara plana. A continuación, las dos esferas se mantuvieron firmemente unidas mediante una varilla de metal insertada en el par de casquillos opuestos (con fijación mediante tornillos). Los modelos también tenían características especiales para permitir la representación de enlaces de hidrógeno . ^{[1] [ verificación necesaria ] [2]}

Un ejemplo de un modelo 3D que llena el espacio de una molécula simple, dióxido de azufre , SO ₂ , que muestra la superficie del potencial electrostático , calculada para la molécula utilizando el paquete de software Spartan de herramientas de química computacional . Está sombreado de azul para áreas electropositivas a rojo para áreas electronegativas . La superficie se generó calculando la energía de interacción de una carga positiva puntual esférica (por ejemplo, un protón, H ⁺ ) con los átomos de la molécula y los electrones de enlace, en una serie de pasos computacionales discretos. Aquí, la superficie electrostática enfatiza la deficiencia de electrones del átomo de azufre, lo que sugiere interacciones en las que podría participar y reacciones químicas que podría sufrir.

Un ejemplo de un modelo 3D que llena el espacio de una macromolécula muy compleja , una proteína , el adrenorreceptor β2 que abarca la membrana celular , un receptor acoplado a proteína G , en esta imagen, visto como si mirara hacia abajo a la superficie extracelular. La superficie del potencial electrostático se aplicó a un modelo con las posiciones de los átomos determinadas por cristalografía ( código PDB 2RH1); la superficie electrostática se calculó utilizando el software gratuito Adaptive Poisson-Boltzmann Solver (APBS). ^[3] Se vuelve a sombrear en azul para las áreas electropositivas y en rojo para las áreas electronegativas . Algo aparente, en representación de barra en amarillo, rojo y azul, en una ranura en la parte superior del receptor , es un ligando de molécula pequeña unido a él, el agente carazolol , un agonista inverso parcial que, a través de esta unión, antagoniza la unión del ligando normal, el neurotransmisor / hormona epinefrina . En respuesta a la unión de la epinefrina , este receptor, junto con un canal de calcio de tipo L , media las respuestas fisiológicas como la relajación del músculo liso y la broncodilatación . Todas estas interacciones de unión y la función del receptor en la transducción de señales están mediadas por efectos electrostáticos, y en el trabajo de estructura moderno a menudo se estudian utilizando modelos similares de llenado de espacio.

En 1965, Walter L. Koltun diseñó y patentó un sistema simplificado con átomos de plástico moldeados de varios colores , que se unieron mediante conectores a presión especialmente diseñados; este sistema más simple logró esencialmente los mismos fines que el sistema Corey-Pauling, ^{[4] [se necesita una fuente no primaria ] [se necesita una mejor fuente ]} y permitió el desarrollo de los modelos como una forma popular de trabajar con moléculas en el entrenamiento y la investigación Ambientes. Dichos modelos de llenado de espacio tipo van der Waal, codificados por colores, definidos por longitud de enlace y tipo van der Waal se conocen ahora comúnmente como modelos CPK, en honor a estos tres desarrolladores del concepto específico.

En los esfuerzos de investigación modernos, la atención volvió al uso de modelos cristalográficos ricos en datos en combinación con métodos computacionales nuevos y tradicionales para proporcionar modelos de moléculas que llenan el espacio, tanto simples como complejos, donde se agregó información como qué partes de la superficie de la molécula eran fácilmente accesibles al solvente , o cómo las características electrostáticas de una representación que llena el espacio, que en el caso de CPK se deja casi completamente a la imaginación, podrían agregarse a los modelos visuales creados. Las dos imágenes finales dan ejemplos del último tipo de cálculo y representación, y su utilidad.

Ver también

• Modelo de pelota y palo
• Superficie de Van der Waals
• Coloración CPK
• Gráficos moleculares
• Software para modelado molecular
• Software de diseño molecular

Referencias

1. Corey, Robert B .; Pauling, Linus (1953). "Modelos moleculares de aminoácidos, péptidos y proteínas" (PDF) . Revisión de instrumentos científicos . 8 (24): 621–627. Código Bibliográfico : 1953RScI ... 24..621C . doi : 10.1063 / 1.1770803 . Consultado el 9 de marzo de 2020 .
2. En el mismo artículo, Corey y Pauling también describen brevemente un tipo de modelo mucho más simple pero menos preciso, conesferas de plástico de polivinilo similar al cauchoen la escala de 1 pulgada = 2Å y conectadas por cierres de presión . Véase Corey y Pauling, 1953, op. cit.
3. Baker, NA, septiembre, D., Joseph, S., Holst, MJ y McCammon, JA, 2001, "Electrostática de nanosistemas: aplicación a los microtúbulos y el ribosoma", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98 : págs. 10037-10041, véase [1] , y "Copia archivada" . Archivado desde el original el 24 de junio de 2015 . Consultado el 23 de junio de 2015 .y [2] , consultado el 23 de junio de 2015.
4. Walter L. Koltun (1965), Unidades atómicas de relleno de espacio y conectores para modelos moleculares . Patente de Estados Unidos 3170246 . ^{[se necesita una fuente no primaria ] [se necesita una mejor fuente ]}

enlaces externos

• Más sobre modelos moleculares y un par de ejemplos de química y biología (el artículo está en alemán)

Galería

Un modelo de llenado de espacio de ciclohexano C
₆H
₁₂. Los átomos de carbono , parcialmente enmascarados, están en gris y los átomos de hidrógeno se presentan como esferas blancas.