La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

(1)

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Carlos Miranda

29 de abril de 2009

I CURSO DE DIVULGACIÓN

LOS AVANCES DE LA QUÍMICA Y SU IMPACTO EN LA SOCIEDAD

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

(2)

Química en

Ciencias Medioambientales

Química en

Toxicología

(3)

BIOLOGÍA

Biología celular Microbiología

Anatomía Fisiología Genética

La Química, “la ciencia central”

QUÍMICA

FÍSICA

Física atómica y nuclear Mecánica cuántica

Espectroscopía Ciencia de materiales

Biomecánica

BIOQUÍMICA

Biología molecular Inmunología Endocrinología Ingeniería genética

MEDICINA y CC. SALUD

Farmacología Nutrición Química clínica

Radiología

QUÍMICA NUCLEAR

Radioquímica Medicina nuclear

CIENCIAS DE LAS PLANTAS

Botánica Agronomía

CIENCIAS

MEDIOAMBIENTALES

Ecología

Estudios de contaminación

GEOLOGÍA

ASTRONOMÍA

Química en Biología:

Secuenciación del ADN

Walter GILBERT Frederick SANGER

Premio Nobel de Química (1980)

Determinación de la secuencia de bases de los ácidos nucleicos

(4)

Aspectos estructurales de la molécula de ADN

La molécula de ADN es un “polinucleótido” = polímero de nucleótidos

¿Qué es un nucleótido?

NUCLEÓTIDO Pentosa

(Azúcar de 5 át. de C)

Base nitrogenada Grupos fosfato (de uno a tres)

= + +

nucleósido nucleótido monofosfato

PURINA

PIRIMIDINA

NH N O

O

R Uracilo

ARN

nucleótido difosfato nucleótido trifosfato

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 =

(5)

El grupo OH en posición 3’ del anillo de desoxirribosa es fundamental para la polimerización de la molécula de ADN

::

O

H O

H H

P O

O- O-

O

H O

H H

P

O O-

Base

O

H OH

H H

O Base

O P

-O O-

O-

5’

3’

O

H OH

H H

O P O

O- O P O P -O

O

O- O

O-

Base

O

H O

H H

P O

O- O

O-

O

H O

H H

P

O O-

Base

O

H O

H H

O Base

P

O O-

O

H OH

H H

O Base

O P -O

O-

5’

3’

O P -O

O- O

OH P O- O

Mecanismo de polimerización del ADN

ADN Polimerasa

Secuenciar el ADN:

Planteamiento del problema

El nucleótido es el bloque fundamental

¿Cómo conocer el orden de los nucleótidos?

El OH en posición 3’ es el responsable de la polimerización

NUCLEÓTIDO Grupo OH (3’)

Hebra de ADN

(6)

Secuenciar el ADN:

Método de terminación de la cadena

Se puede separar ADN en función del tamaño

¿Distinta longitud?

Sí

Parando la elongación de la cadena

¿Cómo?

Neutralizando el punto de crecimiento Electroforesis Poliacrilamida-Urea

(Resolución: 1 nucleótido)

Secuenciar el ADN:

Didesoxinucleótidos trifosfatados

DESOXINUCLEÓTIDOS (dNTP) vs DIDESOXINUCLEÓTIDOS (ddNTP)

ddATP dATP

Ausencia del grupo OH en posición 3’ del anillo de ribosa No se puede formar el enlace fosfodiéster

Terminación química de la cadena de ADN

(7)

Identificación de los fragmentos

polimerasa muestra ADN

dATP dCTP

dGTP dTTP

ddATP ddCTP

ddTTP ddGTP

3’

5’

Identificación de los fragmentos

Fósforo radiactivo ( ³² P y ³³ P)

MARCAJE

SOLUCIÓN:

5’aAAATCAATTCTGTGAAC GATAATCCAGTCATTGATG TTGCCAGAGACAAAGCT 3'

pequeños grandes

TAMAÑ O FRAGMENTOS

(8)

Marcaje de los

nucleótidos de terminación

Marcaje con colorantes fluorescentes

N B N F F

CH₃

CH

S CH

R

Bodipy-FL-510

[λ

_abs

(max) = 502 nm; λ

_em

(max) = 510 nm] R6G

[λ

_abs

(max) = 525 nm; λ

_em

(max) = 550 nm]

Bodipy-650

[λ

_abs

(max) = 630 nm; λ

_em

(max) = 650 nm] ROX

[λ

_abs

(max) = 575 nm; λ

_em

(max) = 602 nm]

VENTAJAS:

• Una sola reacción de secuenciación

• Fácil automatización

Marcaje de los

nucleótidos de terminación

Separación de fragmentos por electroforesis capilar

…..

Pol.

líquido

ATTGCA

Laser

Prisma Detectores

-

Ventana Reacción

Secuencia

Capilar

…..

Pol.

líquido Pol.

líquido

ATTGCA ATTGCA

Laser Laser

Prisma Prisma Detectores Detectores

--

Ventana

Ventana Reacción

Secuencia Reacción Secuencia

Capilar

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Proyecto GENOMA HUMANO

Febrero de 2001

Science 291,1304-1351 (16 February 2001)

Nature 409, 856-859 (15 February 2001)

Química en Medicina

(10)

Química y Medicina:

Contrastes radiológicos

RADIOGRAFÍA

Distinguen tejidos blandos por diferencia de opacidad frente a rayos X

CONTRASTES RADIOLÓGICOS

Sustancia susceptible de ser empleada en exámenes médicos de rayos X

Química y Medicina:

Contrastes radiológicos

Contrastes densos

Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X

FUENTE RAYOS X Placa fotosensi b le

(11)

Contrastes radiológicos

Contrastes densos

Sulfato de Bario Compuestos de yodo

Iohexol

Química y Medicina:

Contrastes radiológicos

Contrastes densos

Contrastes hipodensos

Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X

Basado en el uso de un gas o de aire Presentan una menor opacidad

FUENTE RAYOS X Placa fotosensi b le

(12)

Química y Medicina:

Medicina Nuclear

Radioisótopos más empleados

Henri Danlos (físico frances) en 1901 empleó radio para tratar heridas de piel producidas en enfermos de tuberculosis

Empleo de isótopos radioactivos para dianóstico clínico y tratamiento de enfermedades: • Algunos tipos de cáncer

• Enfermedades cardiovasculares

• Desórdenes neurológicos…

Radioisótopo Símbolo Radiación Vida media Uso

Tritio β 12.32 años Trazador bioquímico

Sodio-24 β 14.95 horas Circulación sanguínea

Fósforo-32 β 14.28 días Terapia anti-leucemia

Cobalto-60 β, γ 5.27 años Terapia cancerosa

Arsénico-74 β

⁺

17.8 días Localización tumores cerebrales

Tecnecio-99 γ 6.01 horas Escáner cerebral

Yodo-131 β 8.04 días Terapia tiroidea

1

H

3 11

Na

24 15

P

32 27

Co

60 33

As

74

53

I

131 43

Tc

99m

Tomografía por emisión de positrones

Técnica de análisis en tiempo real no invasiva

En combinación con TAC

(tomografía axial computerizada)

imagen de PET TAC cuerpo entero Imagen típica PET cerebral

Información y diagnósticos

MUY PRECISOS

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PET: Radiotrazadores

Administrado por vía intravenosa,

vía oral o vía respiratoria imagen PET TAC de cuerpo entero

Medición de la ACTIVIDAD METABÓLICA

Se acumula en los órganos con afinidad por el radiotrazador

Emisión de radiación gamma en los órganos donde se localiza

PET: Radionucléidos

Isótopos de vida media corta:

Se incorporan en moléculas que sabemos como utiliza nuestro cuerpo

Desintegración por emisión de positrones

11 C, ~20 minutos

13 N, ~10 minutos

15 O, ~2 minutos

18 F, ~110 minutos

¹⁰²⁰₀

30 40 50 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Periodo de

semidesintegración

nº de periodos

% radiactividad

11₆

C

13₇

N

158

O

18₉

F

11

B

5 13₆

C

157

N

18₈

O

+ β

⁺

+ ν

_e

+ 0.45 MeV + β

⁺

+ ν

_e

+ 2.22 MeV + β

⁺

+ ν

_e

+ 2.85 MeV + β

⁺

+ ν

_e

+ 1.66 MeV

β

⁺

= e

⁺

(14)

PET: Radiotrazadores

2-[ ¹⁸ F]Fluor-2-desoxi- D -glucosa

Metabolismo

FLUORDESOXIGLUCOSA (FDG)

OTROS

Tatsuo Ido (años 70)

Angiogénesis

•

¹⁸

F-Fluorotimidina

•

¹¹

C-Timidina

•

¹¹

C-Aminoácidos

•

¹¹

C-Glucosa

•

¹⁵

O-Oxígeno

•

¹⁵

O-Agua

•

¹⁸

F-Fluoromisonidazol

•

¹⁵

O-Oxígeno

H₃C N

OH CH2

CH3

Química y Astrofísica:

Detección de moléculas

Espectros de emisión y absorción de planetas y estrellas

Espectro IR de las moléculas (vibraciones)

(15)

Detección de moléculas por IR

Detección de agua en el planeta HD189733b

Orbita inclinada alineada con la orbita terrestre 62 años luz

Química y Astrofísica

Aislamiento del espectro IR del planeta

Resultado

(16)

Materiales de alta tecnología

Materiales:

Química, Física e Ingenieria

Materiales compuestos (COMPOSITES)

Fibra de Carbono

Fibra de vidrio

PROPIEDADES

Aplicaciones en Ingeniería y Construcción Elevada resistencia

Bajo peso Muy duraderos

Alternativa al hormigón armado

y el acero

(17)

Construcciones novedosas

San Diego (EE.UU.) Friedberg (Alemania)

Asturias (España)

Química e Ingeniería

Madrid (M-111)

(18)