[Música]
¿Podríamos imaginar un mundo sin ordenadores?
Los ordenadores, debido a su alta velocidad de procesamiento de datos,
nos permiten hacer cálculos muy complicados y simular procesos
cuyo estudio antes no podríamos haber planteado.
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Desde hace muchos años, los químicos sintieron la necesidad de conocer
cómo eran las moléculas con las que trabajaban,
ya que sabían que su arquitectura estaba
muy relacionada con sus propiedades.
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Tradicionalmente, se han venido visualizando las moléculas en el espacio
mediante sistemas de bolas que representan átomos
y varillas que las unen simbolizando los enlaces químicos.
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Pero este método de construir modelos, que es relativamente sencillo
cuando se trata de moléculas como el benceno o el etano,
se complica mucho a medida que aumentamos
el número de átomos que forman la molécula.
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Imaginemos el enorme trabajo requerido para construir de esta forma,
bolita a bolita, una estructura macromolecular que puede contener
millones de átomos como la doble hélice del ADN.
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La complicación no es el único problema.
Estos modelos sirven únicamente para propósitos de visualización.
No describen las fuerzas que mantienen unidos a los átomos
ni las interacciones que existen entre ellos,
y ambas son necesarias para comprender
que las moléculas están en continuo cambio
debido a que los átomos que las componen se mueven.
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Por otra parte, en la vida real, las moléculas no están aisladas,
sino que se encuentran dentro de un sistema e interaccionan entre ellas.
Sin tener en cuenta todos estos procesos,
sería imposible comprender las propiedades
físico-químicas de las sustancias.
Por lo tanto, para tener una visión realista es necesario,
no sólo conocer cómo son las moléculas, sino
cómo se mueven y cómo interaccionan entre ellas.
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La simulación por ordenador nos permite investigar todo esto,
y mediante Ella será posible no sólo obtener
la representación espacial de una molécula,
sino ver cómo evoluciona con el tiempo,
cómo se comporta en promedio y cuál es su estructura más estable.
Incluso podremos estudiar las propiedades de un sistema de moléculas.
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Las simulaciones suelen partir de un modelo de
centros esféricos que corresponden a átomos.
Estos átomos se unen mediante enlaces que
constituyen el esqueleto de la molécula.
Actualmente se utilizan paquetes de software
que facilitan la construcción de estos modelos,
mostrando las posiciones de los átomos, los
ángulos de enlace y los ángulos diedros.
Veamos, por ejemplo, cómo construir una molécula.
Utilizando el menú adecuado, escogeremos
en primer lugar la molécula de propano.
A continuación, seleccionamos dentro del
menú de anillos aromáticos el benceno
y, para finalizar, seleccionamos en su menú correspondiente el ácido.
Mediante unas sencillas instrucciones,
es posible unir todos estos grupos
y formar la molécula de ácido 4-fenilbutanoico.
Los átomos de la molécula se pueden representar
por bolas que correspondan a sus tamaños relativos.
Como vemos, esta molécula es algo compleja
y presenta una estructura tridimensional
que sólo se puede apreciar a través de estos tipos de representación.
Fijémonos ahora en una molécula más sencilla, el butano.
La molécula es flexible ya que el ángulo diedro formado
por los planos en que se encuentran cuatro átomos sucesivos
puede variar al estar estos unidos por enlaces
sigma que rotan libremente sobre sí mismos.
Este tipo de ángulos se llaman rotacionales.
Podemos seleccionar diferentes ángulos diedros y entonces
tendremos la molécula en sus diferentes conformaciones.
En una estructura complicada como el n-octano,
con varios ángulos rotacionales distintos,
el número de conformaciones puede ser enorme.
Lógicamente distintos valores de un ángulo rotacional
corresponden a distintos valores de energía.
Las conformaciones más estables corresponden a las energías más pequeñas.
Si tomamos la molécula de etano, donde sólo hay un ángulo rotacional,
encontraremos tres mínimos de igual energía.
En todos ellos los átomos de hidrógeno ocupan posiciones
equivalentes en la circunferencia que describen al girar.
La energía se obtiene en cada conformación con una
suma de términos que dependen de distancias de enlace, ángulos de enlace,
ángulos rotacionales y distancias entre átomos no enlazados directamente.
Todas estas contribuciones se engloban en
unas fórmulas que dependen de parámetros
y son contenidas en los denominados ficheros Campos de fuerza.
Este tipo de cálculo se llama mecánica molecular.
En los ficheros de Campos de fuerza, los datos se obtienen
a partir de cálculos teóricos de mecánica molecular
realizados sobre fragmentos de moléculas pequeñas,
o mediante datos experimentales, por ejemplo los espectroscópicos.
Obtener las energías mínimas en una molécula compleja
es fundamental para tratar de predecir sus propiedades.
Así, esta proteína se encuentra plegada en la conformación
ordenada que vemos, que debe corresponder a un mínimo.
De la misma forma que el esquiador se va moviendo por una gran pendiente,
la molécula se mueve en pequeños pasos dentro de
una superficie de energía potencial n-dimensional,
eligiendo siempre el camino más empinado.
A este algoritmo matemático se le denomina de máxima pendiente.
Siguiendo este procedimiento, podemos ver cómo se produce
la minimización de la energía para la molécula de butano.
Es interesante, por ejemplo, obtener la conformación más
estable en un trozo de polímero con sustituyentes laterales,
como el polimetilfenil siloxano, en el que hay muchos grados de libertad.
Podemos observar cómo, en este caso concreto, los
anillos fenilos tienden a estar paralelos entre sí,
condicionando el resto de la estructura.
La mecánica clásica gobierna el movimiento de
los astros girando unos alrededor de los otros.
Pero son estas mismas leyes las que se aplican
para obtener las trayectorias de las moléculas.
Las trayectorias de las moléculas en la dinámica molecular.
Puede utilizarse la ecuación de Newton de forma
que, conociendo la posición y velocidad de partida,
así como la aceleración, podemos llegar a obtener la
posición en cada momento, es decir, la trayectoria.
En el caso de un sistema molecular, las fuerzas corresponden
a potenciales entre los átomos que componen la molécula,
y van variando de manera complicada con la distancia.
Por ello, se obtienen de la superficie de energía potencial del sistema.
Es necesario hacer cálculos dividiendo el tiempo en etapas,
y suponiendo que en cada etapa las fuerzas
y velocidades se mantienen constantes.
Para explicar, consideremos un conjunto de
bolas que se mueven sólo en dos dimensiones.
Las posiciones iniciales se fijan procurando que
la interacción entre las moléculas sea pequeña.
Las moléculas no están quietas, sino que se les asignan
unas velocidades iniciales que se escogen al azar,
pero con un valor promedio consistente con la temperatura.
Tened en cuenta que la temperatura y
la energía cinética son proporcionales,
a mayor temperatura, mayor velocidad media de las moléculas.
Esto nos permite seleccionar la temperatura
a la que queremos realizar el experimento.
Efectuando el cálculo de la manera indicada, obtenemos las
posiciones y velocidades de las partículas al final de cada etapa.
¿Qué es el sistema real?
Un sistema real no tendría las paredes a distancias
comparables a las que hay entre las moléculas.
Por ello debemos permitir que las moléculas
salgan y entren libremente del sistema.
Para mantener la densidad o concentración constantes,
se usan las condiciones de contorno periódicas.
Por cada bola que sale por un extremo,
entra otra por el extremo opuesto.
Con ello se reproduce un sistema con volumen,
temperatura y número de moléculas constantes.
El colectivo NVT o canónico.
Este método de cálculo, pero ampliado a tres dimensiones,
es el que se utiliza para estudiar la dinámica de un sistema de moléculas.
Volvamos al estudio de una sola molécula y veamos qué ocurre al
calcular una trayectoria de dinámica molecular sobre el butano.
Podemos ver ahora que la molécula no
tiende al mínimo de energía potencial,
sino que la energía cinética produce una agitación
que permite pasar por muchas conformaciones.
Si mantuviéramos la trayectoria indefinidamente,
alcanzaríamos todas las conformaciones posibles.
El tiempo que ocupa cada conformación será proporcional
a su probabilidad y por tanto dependerá de la energía.
En el transcurso de la trayectoria podemos anotar
los valores de diversas propiedades como energía,
ángulos rotacionales y distancias entre enlaces a lo largo del tiempo.
Esta información debe ser procesada para obtener distintos
promedios que corresponden a magnitudes medibles experimentalmente.
La exploración de la superficie de energía potencial nos
permite obtener mapas con curvas de nivel de la energía,
correspondiente a un par de ángulos rotacionales
sucesivos en el esqueleto de un trozo de polímero.
Estos mapas conformacionales son muy
valiosos para obtener sus propiedades.
La dinámica molecular permite describir cómo la molécula en su
movimiento va pasando de unos estados conformacionales a otros.
En el mapa con curvas de nivel, esta trayectoria
transcurre en un amplio valle que tiene varios mínimos.
La trayectoria recorre dos de estos
mínimos, pasando a través de un collado.
Estos estudios son de gran aplicación, ya que con ellos
se pueden llegar a conocer procesos tan complicados como,
por ejemplo, la desnaturalización de una proteína con la temperatura.
Como hemos visto, los programas informáticos existentes
en la actualidad son una herramienta muy valiosa,
ya que permiten determinar parámetros en
moléculas complejas o sistemas moleculares, necesarios para comprender el
comportamiento real de estos sistemas.
[Música de cierre]