Producción de metabolitos secundarios
Que las plantas son una fuente inagotable de compuestos químicos y complejas sustancias activas, es algo archiconocido y explotado por el hombre desde hace muchos años: herbolarios y recetas magistrales obtenidas de la «farmacia de la naturaleza» son fruto de la inagotable biodiversidad de nuestro planeta, lo que en la actualidad ha adquirido un enorme protagonismo y divulgación gracias a la concienciación causada por grupos ecologistas y bioconservacionistas, y también a las incursiones cinematográficas que se han realizado sobre estos temas, utilizándolos como base argumental.
También a nivel real, grandes grupos industriales y farmacéuticos trabajan activamente en la detección y caracterización de sustancias producidas por diferentes especies y que pueden tener aplicación en muy diversos campos: en medicina y farmacia (anticancerígenos, antibióticos, ...), lucha contra plagas (insecticidas,...), en la industria alimentaria (conservantes, pigmentos,...), en la industria cosmética (esencias, colorantes, ...), etc. Todos estos productos, a veces muy difíciles o imposibles de sintetizar en laboratorio, se agrupan bajo el nombre de metabolitos secundarios.
Las posibilidades de la aplicación de las técnicas de cultivo de tejidos para la producción de estas sustancias, evitando así los daños ecológicos causados por la sobreexplotación de las especies productoras en la naturaleza y un mejor control de la producción, produjo grandes expectativas en un principio (Yamada y Fujita, 1983; Berlin, 1984), que poco a poco se fueron moderando, tras comprobarse que, en la práctica, determinadas cuestiones y problemas limitaban notablemente los rendimientos y posibilidades de aplicación de estas metodologías.
Las ventajas que a priori presentaba la producción de metabolitos secundarios mediante cultivo de tejidos, como por ejemplo la obtención de productos de mayor pureza, la conversión de sustancias precursoras baratas en compuestos de alto precio (biotransformación) actuando los cultivos celulares como catalizadores de las reacciones implicadas en dicha transformación (Alfermann y Reinhard, 1980; Berlin, 1984), o la obtención de nuevos compuestos, tropezaron con problemas como la baja concentración del metabolito en los cultivos celulares,y problemas de tipo técnico en los sistemas de biorreactores utilizados en el cultivo del material vegetal, como la necesidad de la planta completa para una correcta síntesis de los compuestos, ya que esta síntesis sólo se realiza en estructuras especializadas de la planta y a nivel celular la síntesis es incompleta o muy reducida.
Otras limitaciones de este sistema son puramente técnicas: dificultades en los procesos de manejo y cultivo del material vegetal, en la extracción y purificación de los productos finales obtenidos, la falta de conocimientos sobre los inductores y los mecanismos genéticos y bioquímicos implicados en la regulación y control de este metabolismo secundario.
En la actualidad sólo unos pocos metabolitos secundarios (shikoninas, ácido rosmarínico, ...) se utilizan de forma industrial, aunque el caudal de conocimientos adquiridos sobre estas metodologías ha alcanzado un elevado nivel, y muchos de los problemas planteados en las primeras épocas de aplicación industrial han sido resueltos con éxito, lo que sin duda permitirá nuevos avances.
También a nivel real, grandes grupos industriales y farmacéuticos trabajan activamente en la detección y caracterización de sustancias producidas por diferentes especies y que pueden tener aplicación en muy diversos campos: en medicina y farmacia (anticancerígenos, antibióticos, ...), lucha contra plagas (insecticidas,...), en la industria alimentaria (conservantes, pigmentos,...), en la industria cosmética (esencias, colorantes, ...), etc. Todos estos productos, a veces muy difíciles o imposibles de sintetizar en laboratorio, se agrupan bajo el nombre de metabolitos secundarios.
Las posibilidades de la aplicación de las técnicas de cultivo de tejidos para la producción de estas sustancias, evitando así los daños ecológicos causados por la sobreexplotación de las especies productoras en la naturaleza y un mejor control de la producción, produjo grandes expectativas en un principio (Yamada y Fujita, 1983; Berlin, 1984), que poco a poco se fueron moderando, tras comprobarse que, en la práctica, determinadas cuestiones y problemas limitaban notablemente los rendimientos y posibilidades de aplicación de estas metodologías.
Las ventajas que a priori presentaba la producción de metabolitos secundarios mediante cultivo de tejidos, como por ejemplo la obtención de productos de mayor pureza, la conversión de sustancias precursoras baratas en compuestos de alto precio (biotransformación) actuando los cultivos celulares como catalizadores de las reacciones implicadas en dicha transformación (Alfermann y Reinhard, 1980; Berlin, 1984), o la obtención de nuevos compuestos, tropezaron con problemas como la baja concentración del metabolito en los cultivos celulares,y problemas de tipo técnico en los sistemas de biorreactores utilizados en el cultivo del material vegetal, como la necesidad de la planta completa para una correcta síntesis de los compuestos, ya que esta síntesis sólo se realiza en estructuras especializadas de la planta y a nivel celular la síntesis es incompleta o muy reducida.
Otras limitaciones de este sistema son puramente técnicas: dificultades en los procesos de manejo y cultivo del material vegetal, en la extracción y purificación de los productos finales obtenidos, la falta de conocimientos sobre los inductores y los mecanismos genéticos y bioquímicos implicados en la regulación y control de este metabolismo secundario.
En la actualidad sólo unos pocos metabolitos secundarios (shikoninas, ácido rosmarínico, ...) se utilizan de forma industrial, aunque el caudal de conocimientos adquiridos sobre estas metodologías ha alcanzado un elevado nivel, y muchos de los problemas planteados en las primeras épocas de aplicación industrial han sido resueltos con éxito, lo que sin duda permitirá nuevos avances.
Un avance importante en el tratamiento del Parkinson
Algunos avances científicos nos recuerdan con cierta frecuencia que las posibilidades del intelecto humano para avanzar en su propio conocimiento y en el del mundo que le rodea no tienen límite previsible. Incluso, a veces, podemos comprobar que avances significativos no dependen de sofisticados procedimientos, ni siquiera de tecnologías al alcance de unos pocos. El trabajo publicado recientemente en la revista Neuron por el grupo español de la Universidad de Sevilla liderado por José López Barneo (Neuron 20:197-206, 1998), es una muestra excepcional de cómo vale más una hipótesis audaz pero meditada y una metodología sencilla pero escrupulosa, que lo contrario, para conseguir arrancar a la Naturaleza secretos importantes.
El grupo del Prof. López Barneo lleva algunos años estudiando con cierta eficacia, el funcionamiento de las células del cuerpo carotídeo, acúmulo de células situado en la pared de ambas arterias carotídeas, a nivel del cuello, donde no más de 100.000 celulas actúan de sensores de la tensión de oxígeno de la sangre. De los varios tipos celulares que forman el cuerpo carotídeo, uno de ellos, el tipo I, se comporta como un elemento quimiorreceptor presináptico, sensible a la tensión de oxígeno, capaz de liberar dopamina cuando se le somete a baja concentración de este gas. Estas células, por tanto, son las encargadas de dar la «voz de alarma» cuando la sangre es pobre en oxígeno para que el organismo aumente su capacidad ventilatoria y restablezca la tensión de oxígeno adecuada. Es decir, estas células son especialistas en producir grandes cantidades de dopamina en condiciones de hipoxia.
Este especial comportamiento de las células glómicas (que así se llama también el tipo celular I del cuerpo carotídeo), es el que ha «estimulado» las neuronas del Prof. López Barneo para usar dichas células como arma terapéutica en la enfermedad de Parkinson.
La enfermedad de Parkinson se caracteriza por una degeneración selectiva de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra (acúmulo neuronal situado en el tronco cerebral), que envían prolongaciones que conectan con el área denominada cuerpo estriado (núcleo cerebral telencefálico del sistema extrapiramidal), donde liberan el neurotrasmisor dopamina. La falta de dopamina en el estriado, es lo que provoca los conocidos problemas de movilidad que caracterizan a esta enfermedad.
Si bien se han utilizado transplantes de células productoras de dopamina procedentes de cerebros fetales y médula adrenal, para mejorar los síntomas de esta patología, su eficacia relativa y los problemas éticos y legales que conllevan hacen que la búsqueda de procedimientos alternativos esté más que justificada. En esta línea, el grupo sevillano ha tomado un trozo del cuerpo carotídeo de ratas, a las que se les ha provocado experimentalmente la enfermedad de Parkinson por lesión de la sustancia negra, y lo ha colocado en el estriado. Técnicamente el procedimiento es sencillo, por la accesibilidad del cuerpo carotídeo, porque el animal sigue viviendo en excelentes condiciones con el cuerpo carotídeo del lado contrario, y porque el transplante autólogo elimina cualquier problema de rechazo, presente por otra parte en otros tipos de transplantes heterólogos.
El autotransplante de unas 800 células glómicas, que constituyen el 80% del cuerpo carotídeo de la rata, ha sido suficiente para que tres meses después de la operación la mejoría de los síntomas haya sido manifiesta. En este tiempo del 30 al 60% de las células glómicas sobreviven, producen dopamina y aparecen nuevas conexiones neuronales, cuya procedencia no está claro si son glómicas o de neuronas residuales de la sustancia negra, cuyo crecimiento ha sido estimulado por la presencia de las células transplantadas. Esto significaría que éstas últimas producirían factores estimulantes para las neuronas que aún permanezcan, aunque inactivas, en la sustancia negra degenerada experimentalmente. Esta duda sobre el origen de las nuevas terminaciones nerviosas, lejos de introducir asomo de incertidumbre sobre estos resultados, suponen un mérito extra, puesto que otros investigadores han tratado de remediar la enfermedad de Parkinson mediante factores de crecimiento, cuya liberación en los lugares de actuación siempre supone un problema difícil de salvar. Si las células glómicas producen dopamina y factores de crecimiento se habrán solucionado dos problemas terapeúticos de una sola vez.
Los autores están convencidos de que las especiales características de las células glómicas para sintetizar dopamina en situaciones de baja tensión de oxígeno es la clave del éxito de estos transplantes, ya que la hipoxia es una situación normal en el tejido cerebral especialmente tras manipulación quirúrgica.
El impacto en la comunidad científica internacional que ha causado la publicación de este trabajo ha sido de tal calibre que la revista Science en su número 279, publicado el mismo mes (febrero) de la publicación de Neuron, ha dedicado un elogioso comentario de Marcia Barinaga donde refleja, además, opiniones muy favorables de algunos de los más prestigiosos neurocientíficos actuales. Entre ellas se cuenta la de Arnon Rosenthal, especialista en terapia de la enfermedad de Parkinson, del Genetech Inc. de South San Francisco, o la de Anders Bjorklund de la Universidad de Lund, en Suecia, pionero de los transplantes de células fetales para el tratamiento de esta enfermedad, y por tanto, contrincante directo en esta línea de investigación.
Este trabajo de José López Barneo abre un mundo de posibilidades en el tratamiento de una terrible enfermedad que afecta a casi un 2% de las personas mayores de 65 años. La posibilidad de experimentar con las células del glomus carotídeo, conocer el gen que codifica para la expresión de los posibles factores de crecimiento, mejorar por ingeniería genética dicha expresión, lo cual evitaría tener que utilizar un gran número de células en los transplantes, son algunos de los pasos futuros. Las posibilidades terapéuticas son de tal envergadura que probablemente cuando vea la luz este artículo se hayan realizado los primeros experimentos en humanos, para los que todo está previsto, incluidos los permisos legales pertinentes. El procedimiento quirúrgico es tan sencillo, poco invasivo y tan falto, en principio, de efectos indirectos, que las autoridades sanitarias harán bien en facilitar su realización inmediata.
La comunidad científica española, que ya había reconocido la labor del Prof. López Barneo hace unos años como el mejor científico andaluz menor de 40 años, acaba de otorgarle el pasado mes de junio el Premio Jaime I de Investigación Científica. La ciencia está de enhorabuena con hallazgos como éste y la comunidad andaluza tiene en el grupo sevillano un bastión importante.
El grupo del Prof. López Barneo lleva algunos años estudiando con cierta eficacia, el funcionamiento de las células del cuerpo carotídeo, acúmulo de células situado en la pared de ambas arterias carotídeas, a nivel del cuello, donde no más de 100.000 celulas actúan de sensores de la tensión de oxígeno de la sangre. De los varios tipos celulares que forman el cuerpo carotídeo, uno de ellos, el tipo I, se comporta como un elemento quimiorreceptor presináptico, sensible a la tensión de oxígeno, capaz de liberar dopamina cuando se le somete a baja concentración de este gas. Estas células, por tanto, son las encargadas de dar la «voz de alarma» cuando la sangre es pobre en oxígeno para que el organismo aumente su capacidad ventilatoria y restablezca la tensión de oxígeno adecuada. Es decir, estas células son especialistas en producir grandes cantidades de dopamina en condiciones de hipoxia.
Este especial comportamiento de las células glómicas (que así se llama también el tipo celular I del cuerpo carotídeo), es el que ha «estimulado» las neuronas del Prof. López Barneo para usar dichas células como arma terapéutica en la enfermedad de Parkinson.
La enfermedad de Parkinson se caracteriza por una degeneración selectiva de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra (acúmulo neuronal situado en el tronco cerebral), que envían prolongaciones que conectan con el área denominada cuerpo estriado (núcleo cerebral telencefálico del sistema extrapiramidal), donde liberan el neurotrasmisor dopamina. La falta de dopamina en el estriado, es lo que provoca los conocidos problemas de movilidad que caracterizan a esta enfermedad.
Si bien se han utilizado transplantes de células productoras de dopamina procedentes de cerebros fetales y médula adrenal, para mejorar los síntomas de esta patología, su eficacia relativa y los problemas éticos y legales que conllevan hacen que la búsqueda de procedimientos alternativos esté más que justificada. En esta línea, el grupo sevillano ha tomado un trozo del cuerpo carotídeo de ratas, a las que se les ha provocado experimentalmente la enfermedad de Parkinson por lesión de la sustancia negra, y lo ha colocado en el estriado. Técnicamente el procedimiento es sencillo, por la accesibilidad del cuerpo carotídeo, porque el animal sigue viviendo en excelentes condiciones con el cuerpo carotídeo del lado contrario, y porque el transplante autólogo elimina cualquier problema de rechazo, presente por otra parte en otros tipos de transplantes heterólogos.
El autotransplante de unas 800 células glómicas, que constituyen el 80% del cuerpo carotídeo de la rata, ha sido suficiente para que tres meses después de la operación la mejoría de los síntomas haya sido manifiesta. En este tiempo del 30 al 60% de las células glómicas sobreviven, producen dopamina y aparecen nuevas conexiones neuronales, cuya procedencia no está claro si son glómicas o de neuronas residuales de la sustancia negra, cuyo crecimiento ha sido estimulado por la presencia de las células transplantadas. Esto significaría que éstas últimas producirían factores estimulantes para las neuronas que aún permanezcan, aunque inactivas, en la sustancia negra degenerada experimentalmente. Esta duda sobre el origen de las nuevas terminaciones nerviosas, lejos de introducir asomo de incertidumbre sobre estos resultados, suponen un mérito extra, puesto que otros investigadores han tratado de remediar la enfermedad de Parkinson mediante factores de crecimiento, cuya liberación en los lugares de actuación siempre supone un problema difícil de salvar. Si las células glómicas producen dopamina y factores de crecimiento se habrán solucionado dos problemas terapeúticos de una sola vez.
Los autores están convencidos de que las especiales características de las células glómicas para sintetizar dopamina en situaciones de baja tensión de oxígeno es la clave del éxito de estos transplantes, ya que la hipoxia es una situación normal en el tejido cerebral especialmente tras manipulación quirúrgica.
El impacto en la comunidad científica internacional que ha causado la publicación de este trabajo ha sido de tal calibre que la revista Science en su número 279, publicado el mismo mes (febrero) de la publicación de Neuron, ha dedicado un elogioso comentario de Marcia Barinaga donde refleja, además, opiniones muy favorables de algunos de los más prestigiosos neurocientíficos actuales. Entre ellas se cuenta la de Arnon Rosenthal, especialista en terapia de la enfermedad de Parkinson, del Genetech Inc. de South San Francisco, o la de Anders Bjorklund de la Universidad de Lund, en Suecia, pionero de los transplantes de células fetales para el tratamiento de esta enfermedad, y por tanto, contrincante directo en esta línea de investigación.
Este trabajo de José López Barneo abre un mundo de posibilidades en el tratamiento de una terrible enfermedad que afecta a casi un 2% de las personas mayores de 65 años. La posibilidad de experimentar con las células del glomus carotídeo, conocer el gen que codifica para la expresión de los posibles factores de crecimiento, mejorar por ingeniería genética dicha expresión, lo cual evitaría tener que utilizar un gran número de células en los transplantes, son algunos de los pasos futuros. Las posibilidades terapéuticas son de tal envergadura que probablemente cuando vea la luz este artículo se hayan realizado los primeros experimentos en humanos, para los que todo está previsto, incluidos los permisos legales pertinentes. El procedimiento quirúrgico es tan sencillo, poco invasivo y tan falto, en principio, de efectos indirectos, que las autoridades sanitarias harán bien en facilitar su realización inmediata.
La comunidad científica española, que ya había reconocido la labor del Prof. López Barneo hace unos años como el mejor científico andaluz menor de 40 años, acaba de otorgarle el pasado mes de junio el Premio Jaime I de Investigación Científica. La ciencia está de enhorabuena con hallazgos como éste y la comunidad andaluza tiene en el grupo sevillano un bastión importante.
Dinámica de las biomoléculas
Gracias al desarrollo de potentes computadoras y de programas que llevan a cabo cálculos teóricos, podemos disponer de representaciones gráficas que nos muestran cómo son aquellas estructuras a nivel molecular que no alcanzamos a discernir con el más potente de los microscopios electrónicos. Cada vez con más frecuencia nos encontramos estas representaciones ilustrando publicaciones científicas, libros de texto y, poco a poco, incluso se van incorporando a la práctica docente.
Estas representaciones y esquemas de modelos moleculares pueden completar nuestra visión de la estructura de la materia, facilitando la visión estereoscópica de las moléculas, observando de forma directa cómo se relacionan distintas partes de una estructura o mostrando cómo interaccionan y se complementan moléculas como proteínas y ácidos nucleicos o enzimas con sus sustratos. Sin embargo, un mal conocimiento de los principios y modelos teóricos a partir de los cuales se generan estas estructuras teóricas nos podría conducir a una interpretación errónea de las mismas. Además, una vez más hay que recordar que trabajamos con modelos que interpretan la realidad física, la cual no tiene por qué coincidir con ellos.
Uno de los métodos de modelización molecular más empleado para generar estos modelos moleculares es la Mecánica Molecular (MM). Su fundamento consiste en expresiones analíticas que expresan la energía total de un sistema en términos de interacciones interatómicas. Los diferentes parámetros de la ecuación se fijan a priori, partiendo de estudios empíricos tipo resonancia magnética nuclear, análisis conformacional, difracción de electrones, etc. Después, mediante derivaciones sucesivas de la función de energía potencial que define el sistema objeto de estudio se obtienen estructuras optimizadas energéticamente (mínimos de energía locales generalmente). Otro método es el denominado de Monte-Carlo, en el cual mediante variaciones de los ángulos diedros se generan sucesivas estructuras al azar, y se selecciona aquella de menor energía, a partir de la cual se vuelven a obtener más estructuras. Con estos métodos se generan estructuras de proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas, las cuales se pueden representar por diversos métodos como los conocidos modelos de varillas, las esferas CPK (Corey-Pauling-Koltum) o las superficies de potencial electrostático entre muchos otros (en la reciente monografía de A. R. Leach, Molecular Modelling. Principles and Applications, Addison Wesley (1996) puede encontrarse en detalle los fundamentos de estos métodos).
Los modelos obtenidos mediante MM representan estados teóricos de las moléculas, cercanos al mínimo energético, que nos proporcionan una visión estática de las estructuras cuando, por el contrario, las biomoléculas se caracterizan por ser sistemas dinámicos que evolucionan en su estructura y propiedades al tiempo que lo hace el medio en el que se encuentran. Es importante además enfatizar, el tercer principio de la termodinámica nos lo recuerda, que la estructura de la materia a nivel molecular es dinámica: todas las moléculas varían constantemente en su morfología. Lo que observamos a nivel macros-cópico es un promedio de ellas. Un cristal de una proteína purificada viene a contener unas 1020 moléculas de proteína y es improbable que en un momento dado una sola presente la estructura promedio. Los diferentes movimientos a nivel molecular pueden ser visualizados como pequeñas oscilaciones alrededor de una conformación de máxima estabilidad. Los movimientos que experimentan pueden ser de diferente categoría: fluctuaciones atómicas, rápidas vibraciones al azar de corto alcance (menos de 0.5 á); movimientos colectivos, desarrollados por grupos de átomos o grupos funcionales que actúan como una unidad sobre largas distancias en una escala temporal de 10-12 a 10-3 s, o cambios conformacionales de amplias regiones de la estructura que abarcan distancias de hasta 1 nm en tiempos de 10-9 hasta 103 s.
Un modelo teórico que nos permite explorar las estructuras moleculares y sus evoluciones en el tiempo, en función de las distintas condiciones físicas y químicas del medio, es el conocido como Dinámica Molecular (DM). La DM simula los movimientos moleculares para visualizarlos en tiempo real. Los períodos de tiempo estudiados son del orden de varias decenas de picosegundos (ps, 10-12 s), si bien se generan estructuras cada femtosegundo (fs, 10-15 s). Cada átomo se trata como una partícula que obedece las ecuaciones de Newton [F= m(d2r/dt2)] y que está ligado a los otros átomos que forman la molécula por una función de energía potencial que tiene en cuenta las distintas interacciones entre ellos. Las integraciones sucesivas de esta ecuación en función del tiempo proporcionan una trayectoria del átomo. Es importante remarcar que este modelo nos proporciona estructuras promediadas en el tiempo de simulación. La introducción de la variable tiempo, así como la posibilidad de evaluar propiedades termodinámicas (temperatura, capacidad calorífica.) promediadas en el tiempo, hacen de estos modelos de DM una visión aceptable de una realidad dinámica. La inclusión de la variable tiempo en el análisis de la estructura molecular proporciona una increíble cantidad de detalles, aun cuando el tiempo asumido en el estudio sea pequeñísimo.
Las aplicaciones actuales de la DM son, entre otras, el análisis conformacional de macromoléculas (proteínas, polímeros...), gracias al cual podemos estudiar las variaciones de conformación de una estructura, como podemos ver en la figura de la página anterior. Se trata de cuatro instantáneas de una simulación teórica, llevada a cabo en nuestro laboratorio, del biopolímero cutina, un poliéster de ácidos grasos hidroxilados presente mayoritariamente en la cutícula vegetal de frutos y hojas. Las imágenes corresponden a las conformaciones obtenidas tras 11 (modelo A), 25 (B), 32 (C) y 41 (D) ps de simulación, equilibrada a 303 K. Se distinguen las cadenas metilénicas en gris y los oxígenos, en tono más oscuro, de hidroxilos, carbonilo y enlaces éster que unen el biopolímero (los hidrógenos se eliminaron para una mayor claridad). La superficie más externa representa el volumen molar teórico y permite apreciar cómo se forman y cierran huecos en el polímero, autoensamblaje y posterior expansión del biopolímero, a medida que los esqueletos de enlaces carbono-carbono varían su conformación.
Otra aplicación importante de la DM es el cálculo de coeficientes de difusión de solutos en plásticos artificiales, membranas lipídicas y biopolímeros, así como la formación de clusters de agua alrededor de proteínas y las interacciones entre componentes de distintos componentes de un sistema complejo, como es el caso de la lignina con las microfibrillas de celulosa.
Sin embargo, una importante aplicación de la DM como es su uso en las aulas, aún no se ha extendido notoriamente, y hay que entender las dificultades técnicas que su uso conlleva. No obstante, habría que evaluar sus ventajas como herramienta para imprimir en el estudiante el carácter dinámico de los sistemas biológicos, aun más a nivel molecular, y lograr una mejor comprensión de los fenómenos moleculares a veces tan difíciles de asimilar mentalmente.
Estas representaciones y esquemas de modelos moleculares pueden completar nuestra visión de la estructura de la materia, facilitando la visión estereoscópica de las moléculas, observando de forma directa cómo se relacionan distintas partes de una estructura o mostrando cómo interaccionan y se complementan moléculas como proteínas y ácidos nucleicos o enzimas con sus sustratos. Sin embargo, un mal conocimiento de los principios y modelos teóricos a partir de los cuales se generan estas estructuras teóricas nos podría conducir a una interpretación errónea de las mismas. Además, una vez más hay que recordar que trabajamos con modelos que interpretan la realidad física, la cual no tiene por qué coincidir con ellos.
Uno de los métodos de modelización molecular más empleado para generar estos modelos moleculares es la Mecánica Molecular (MM). Su fundamento consiste en expresiones analíticas que expresan la energía total de un sistema en términos de interacciones interatómicas. Los diferentes parámetros de la ecuación se fijan a priori, partiendo de estudios empíricos tipo resonancia magnética nuclear, análisis conformacional, difracción de electrones, etc. Después, mediante derivaciones sucesivas de la función de energía potencial que define el sistema objeto de estudio se obtienen estructuras optimizadas energéticamente (mínimos de energía locales generalmente). Otro método es el denominado de Monte-Carlo, en el cual mediante variaciones de los ángulos diedros se generan sucesivas estructuras al azar, y se selecciona aquella de menor energía, a partir de la cual se vuelven a obtener más estructuras. Con estos métodos se generan estructuras de proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas, las cuales se pueden representar por diversos métodos como los conocidos modelos de varillas, las esferas CPK (Corey-Pauling-Koltum) o las superficies de potencial electrostático entre muchos otros (en la reciente monografía de A. R. Leach, Molecular Modelling. Principles and Applications, Addison Wesley (1996) puede encontrarse en detalle los fundamentos de estos métodos).
Los modelos obtenidos mediante MM representan estados teóricos de las moléculas, cercanos al mínimo energético, que nos proporcionan una visión estática de las estructuras cuando, por el contrario, las biomoléculas se caracterizan por ser sistemas dinámicos que evolucionan en su estructura y propiedades al tiempo que lo hace el medio en el que se encuentran. Es importante además enfatizar, el tercer principio de la termodinámica nos lo recuerda, que la estructura de la materia a nivel molecular es dinámica: todas las moléculas varían constantemente en su morfología. Lo que observamos a nivel macros-cópico es un promedio de ellas. Un cristal de una proteína purificada viene a contener unas 1020 moléculas de proteína y es improbable que en un momento dado una sola presente la estructura promedio. Los diferentes movimientos a nivel molecular pueden ser visualizados como pequeñas oscilaciones alrededor de una conformación de máxima estabilidad. Los movimientos que experimentan pueden ser de diferente categoría: fluctuaciones atómicas, rápidas vibraciones al azar de corto alcance (menos de 0.5 á); movimientos colectivos, desarrollados por grupos de átomos o grupos funcionales que actúan como una unidad sobre largas distancias en una escala temporal de 10-12 a 10-3 s, o cambios conformacionales de amplias regiones de la estructura que abarcan distancias de hasta 1 nm en tiempos de 10-9 hasta 103 s.
Un modelo teórico que nos permite explorar las estructuras moleculares y sus evoluciones en el tiempo, en función de las distintas condiciones físicas y químicas del medio, es el conocido como Dinámica Molecular (DM). La DM simula los movimientos moleculares para visualizarlos en tiempo real. Los períodos de tiempo estudiados son del orden de varias decenas de picosegundos (ps, 10-12 s), si bien se generan estructuras cada femtosegundo (fs, 10-15 s). Cada átomo se trata como una partícula que obedece las ecuaciones de Newton [F= m(d2r/dt2)] y que está ligado a los otros átomos que forman la molécula por una función de energía potencial que tiene en cuenta las distintas interacciones entre ellos. Las integraciones sucesivas de esta ecuación en función del tiempo proporcionan una trayectoria del átomo. Es importante remarcar que este modelo nos proporciona estructuras promediadas en el tiempo de simulación. La introducción de la variable tiempo, así como la posibilidad de evaluar propiedades termodinámicas (temperatura, capacidad calorífica.) promediadas en el tiempo, hacen de estos modelos de DM una visión aceptable de una realidad dinámica. La inclusión de la variable tiempo en el análisis de la estructura molecular proporciona una increíble cantidad de detalles, aun cuando el tiempo asumido en el estudio sea pequeñísimo.
Las aplicaciones actuales de la DM son, entre otras, el análisis conformacional de macromoléculas (proteínas, polímeros...), gracias al cual podemos estudiar las variaciones de conformación de una estructura, como podemos ver en la figura de la página anterior. Se trata de cuatro instantáneas de una simulación teórica, llevada a cabo en nuestro laboratorio, del biopolímero cutina, un poliéster de ácidos grasos hidroxilados presente mayoritariamente en la cutícula vegetal de frutos y hojas. Las imágenes corresponden a las conformaciones obtenidas tras 11 (modelo A), 25 (B), 32 (C) y 41 (D) ps de simulación, equilibrada a 303 K. Se distinguen las cadenas metilénicas en gris y los oxígenos, en tono más oscuro, de hidroxilos, carbonilo y enlaces éster que unen el biopolímero (los hidrógenos se eliminaron para una mayor claridad). La superficie más externa representa el volumen molar teórico y permite apreciar cómo se forman y cierran huecos en el polímero, autoensamblaje y posterior expansión del biopolímero, a medida que los esqueletos de enlaces carbono-carbono varían su conformación.
Otra aplicación importante de la DM es el cálculo de coeficientes de difusión de solutos en plásticos artificiales, membranas lipídicas y biopolímeros, así como la formación de clusters de agua alrededor de proteínas y las interacciones entre componentes de distintos componentes de un sistema complejo, como es el caso de la lignina con las microfibrillas de celulosa.
Sin embargo, una importante aplicación de la DM como es su uso en las aulas, aún no se ha extendido notoriamente, y hay que entender las dificultades técnicas que su uso conlleva. No obstante, habría que evaluar sus ventajas como herramienta para imprimir en el estudiante el carácter dinámico de los sistemas biológicos, aun más a nivel molecular, y lograr una mejor comprensión de los fenómenos moleculares a veces tan difíciles de asimilar mentalmente.
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