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?
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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
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Ewald (1888-1985)
Primer semestre de 1912
Laue (1879-1960)
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William Lawrence Bragg (1890-1971)
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William Lawrence Bragg (1890-1971)
11 de noviembre de 1912
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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)
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
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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. Simetrías.
Triclínico Monoclínico Ortorrómbico
Hexagonal Tetragonal Cúbico Romboédrico
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CARBÓN ACTIVO (C)
Carbono (C)
Grafito
Diamante
Estado físico: dependiente de las interacciones entre moléculas.
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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
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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).
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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
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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
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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
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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.
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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)
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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”
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Carbono (C) Grafito
Diamante
Los alotropos del carbono
Bernal (1901-1971)
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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
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
La hemoglobina: una molécula esencial
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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
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Colesterol (esteroide): Componente esencial de la membrana celular de mamíferos Intermedio en la biosíntesis de hormonas y ácidos biliares
Bernal y Crowfoot, 1934-1944
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Carnavales de química, festival de la cristalografía, conferencias, grandes científicos, investigación, la imagen de la química, la química en la prensa, química orgánica, recursos educativos, sitios de interés, sustancias químicas, tabla periódica, universidades.
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Año internacional de la química, centros de investigación, ciencia y sociedad, congresos científicos, conferencias, divulgación, educación, historia de la química, libros de interés, material educativo, prensa, recursos educativos, sociedades científicas.
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