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 comprobación 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 ignora 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 diversas razones: como herramientas pedagógicas para estudiantes o para quienes no están familiarizados con las estructuras atómicas; 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 entre el 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 esferas y varillas disponibles para su compra en el mercado, 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 utilizan ampliamente para mejorar el mensaje táctil y visual que se transmite.

En el siglo XVII, Johannes Kepler especuló sobre la simetría de los copos de nieve y la compactación de objetos esféricos como la fruta. La disposición simétrica de esferas compactas inspiró las teorías de la estructura molecular a finales del siglo XIX, y muchas teorías de cristalografía y de estructura inorgánica en estado sólido utilizaron conjuntos de esferas iguales y desiguales para simular la compactación 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. A August Wilhelm von Hofmann se le atribuye el primer modelo molecular físico alrededor de 1860. Nótese cómo el tamaño del carbono parece menor que el del hidrógeno. En ese momento no se reconoció la importancia de la estereoquímica 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.

La repetición de unidades ayudará 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 en términos de empaquetamiento compacto de esferas de diferentes tamaños. Por ejemplo, el NaCl se puede describir como iones de cloruro empaquetados compactos (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 un vínculo directo entre átomos se puede modelar uniendo esferas (átomos) con varillas (enlaces). Esto ha sido muy popular y todavía se usa ampliamente en la actualidad. Inicialmente, los átomos estaban hechos de esferas de madera con agujeros especialmente perforados para las varillas. Por lo tanto, 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 prolina con esferas y barras. Las esferas 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 esfera tiene tantos agujeros como su valencia convencional (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) dirigidos 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 donde 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.

André Dreiding introdujo un kit de modelado molecular a finales de los años 50 que prescindía de los conectores. Un átomo determinado tendría picos de valencia sólidos y huecos. Las barras sólidas encajaban en los tubos formando un enlace, normalmente con rotación libre. Estos se utilizaban y se utilizan mucho en los departamentos de química orgánica y se fabricaban con tanta precisión que se podían hacer 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 significa que se pueden crear geometrías distorsionadas.

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

Un buen ejemplo de modelos compuestos es el enfoque de Nicholson, ampliamente utilizado a partir de fines 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 empujando trozos de plástico en pequeños agujeros. El plástico se agarra bien y hace que los enlaces sean difíciles de girar, de modo que se puedan establecer ángulos de torsión arbitrarios y retener su valor. Las conformaciones de la columna vertebral y las cadenas laterales se determinan precomputando los ángulos de torsión y luego ajustando el modelo con un protractor.

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

Con el desarrollo del modelado físico basado en computadora, ahora es posible crear modelos completos de una sola pieza alimentando las coordenadas de una superficie en la computadora. La Figura 6 muestra modelos de toxina de ántrax, izquierda (a una escala de aproximadamente 20 Å/cm o 1: 5,000,000) y proteína fluorescente verde, derecha (5 cm de altura, a una escala de aproximadamente 4 Å/cm o 1: 25,000,000) de Diseño molecular 3D. Los modelos están hechos de yeso o almidón, utilizando un proceso rápido de prototipos.

También se ha hecho posible crear modelos moleculares precisos dentro de los bloques de vidrio utilizando una técnica conocida como grabado láser subsuperficial. La imagen a la derecha muestra la estructura 3D de una e. COLI proteína (subunidad beta de ADN polimerasa, código PDB 1 mmi) grabado dentro de un bloque de vidrio de la compañía británica Luminorum Ltd.

Las computadoras también pueden modelar moléculas matemáticamente. Programas como Avogadro pueden ejecutarse en escritorios típicos 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 puede modelar moléculas a medida que se agregan más átomos, porque el número de cálculos es cuadrático en el número de átomos involucrados; Si se usan cuatro veces más átomos en una molécula, los cálculos con 16 veces más tiempo. 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 se pueden hacer en computadoras clásicas en un tiempo razonable. Las computadoras cuánticas pueden modelar moléculas con menos cálculos porque el tipo de cálculos realizados en cada ciclo por una computadora cuántica se adapta bien al modelado molecular.

Algunos de los colores más comunes utilizados en los modelos moleculares son los siguientes:

Hidrogen		blanco
Metales Alkali		violeta
Metales de tierra alcalinos		verde oscuro
Borón, la mayoría de los metales de transición		Rosa
Carbon		negro
Nitrogen		azul
Oxygen		rojo
Fluorina		verde amarillo
Cloro		lime verde
Bromine		rojo oscuro
Yodo		violeta oscura
Gases nobles		cyan
Fósforo		naranja
Sulfuro		amarillo
Titanio		gris
Copper		apricot
Mercurio		gris claro

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

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

• Barlow, W. (1883). "Probable Nature of the Internal Symmetry of Crystals". Naturaleza. 29 (738): 186-1883Natur..29..186B. doi:10.1038/029186a0.
• Barlow, W.; Pope, W.J. (1906). "Un desarrollo de la teoría atómica que correlaciona la estructura química y cristalina y conduce a una demostración de la naturaleza de valencia". J. Chem.. 89: 1675-1744. doi:10.1039/ct9068901675.
• Whittaker, A.G. (2009). "Moleculares Modelos - Representaciones Tangibles del Resumen". PDB Newsletter. 41: 4-5. [1]
• historia de los modelos moleculares Paper presented at the EuroScience Open Forum (ESOF), Stockholm on August 25, 2004, W. Gerhard Pohl, Austrian Chemical Society. Foto de los modelos tetraedral de Van't Hoff, y la fórmula orgánica de Loschmidt (sólo 2-dimensional).
• Wooster, W.A.; et al. (1945). "Una plantilla esférica para perforar bolas para modelos de estructura de cristal". J. Sci. 22 (7): 130. Bibcode:1945JScI...22.130W. doi:10.1088/0950-7671/22/7/405. Las notas biográficas de Wooster incluyendo el establecimiento de Crystal Structure Ltd.

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