Descripción
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Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza Introducción lo largo de nuestra experiencia docente hemos constatado la dificultad que representa para los alumnos el aprendizaje de la Bioquímica, y de manera A particular, la relación existente entre la estructura y la función de las moléculas de importancia biológica. Esto representa un problema importante, puesto que un conocimiento básico de la estructura molecular es indispensable para la comprensión de muchos conceptos, donde la información contenida en la estructura molecular es de especial importancia para abordar su función y participación en el metabolismo. En este contexto, la visualización molecular utilizando técnicas de realidad virtual, constituye una herramienta poderosa para facilitar el aprendizaje de conceptos cuya asimilación depende de una correcta abstracción por parte del alumno. El uso de estas herramientas, ademas permite comprender las características de las que depende la función de las biomoléculas de una forma dinámica, permitiendo asimilar con un menor esfuerzo las características estructurales de las que dependen sus propiedades. Tomando en cuenta lo anterior, el presente proyecto tiene como objetivo principal generar modelos moleculares interactivos de fácil manejo para su uso en las salas de realidad virtual. Consideramos que este acervo constituirá una herramienta tecnológica de gran utilidad para la enseñanza de asignaturas en donde se estudie la estructura y la función de las moléculas y así contribuir a una enseñanza de calidad que conduzca a un aprendizaje significativo. El uso de los ambientes de Realidad Virtual para la visualización molecular, como una herramienta para la enseñanza, ofrece una gama infinita de posibilidades al facilitar el complicado proceso de abstracción que es parte de la comprensión de las relaciones espaciales entre átomos o moléculas. Esta comprensión es una parte indispensable para entender la relación entre estructura y función que se requieren en las actividades docentes de diversas materias presentes en las áreas químicobiológicas y ciencias de la salud. El presente proyecto brinda a profesores y alumnos interesados la posibilidad de acceder a un amplio acervo de modelos moleculares que se adecuan a sus programas de estudio, manteniendo al mínimo los requerimientos técnicos para su uso durante el desarrollo de una clase. Es importante señalar que, tanto la elección del programa VMD como medio para la visualización de las biomoléculas, así como el desarrollo de la interfaz gráfica de usuario, están pensadas en optimizar las posibles aplicaciones de los recursos generados. Se busca que estas herramientas sean de utilidad tanto dentro, como fuera de los observatorios de realidad virtual de la UNAM, facilitando la creación de nuevos modelos fuera de estos ambientes para su uso en una gran variedad de escenarios docentes (fuera de los observatorios de realidad, es posible desarrollar una clase en un salón convencional mediante el uso de estéreo anaglifo). Finalmente, deseamos agradecer el importante apoyo que los Departamentos de Visualización y Realidad Virtual de la Dirección General de Servicios de Cómputo Académico (DGSCA) nos brindaron durante el desarrollo de el presente proyecto. Luis Rosales León & Celia Virginia Sánchez Meza Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.0 - Agua, Momento Hidrofóbico Descripción El agua es una molécula de importancia central en todos los procesos biológicos. Todos los componentes principales de las células: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucléicos se encuentran rodeados de moléculas de agua. La polaridad de la molécula de agua condiciona el comportamiento de las biomoléculas presentes en ella. Una sustancia es hidrofóbica si no es miscible con el agua. Básicamente la hidrofobicidad ocurre cuando la molécula en cuestión no es capaz de interaccionar con las moléculas de agua por interacciones ióndipolo ni mediante puentes de hidrógeno. Tal es el caso de las cadenas hidrocarbonadas presentes en los fosfolípidos. En esta situación las moléculas de agua en la vecindad se orientan y se asocian formando una estructura parecida al hielo, creándose una especie de jaula de moléculas de agua alrededor de la molécula hidrofóbica. Este script muestra el comportamiento dinámico de las moléculas de agua en la vecindad de dos moléculas hidrofóbica (Fosfatidiletanolamina) Objetivos •Ilustrar el comportamiento de las moléculas de agua en la vecindad de una molécula no polar. •Comparar este comportamiento, tanto en movilidad como en recambio de puentes de hidrógeno con el de una capa mas externa de moléculas. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.0 - Aminoácidos (1) Descripción Un aminoácido es una molécula orgánica que contiene un grupo carboxilo y un grupo amino. Los aminoácidos mas frecuentes y de mayor importancia en la bioquímica son aquellos que, al polimerizarse, forman parte de las proteínas. Este script contiene un modelo del aminoácido Metionina como ejemplo tipo de este grupo de moléculas. En el, es posible resaltar los distintos átomos y grupos funcionales: carbono alfa, grupo amino, grupo carboxilo, hidrógeno y cadena lateral. En el caso del carbono alfa, es posible observar tanto la geometría tetrahédrica, como la asimetría o quiralidad. Objetivos •Mostrar las características más importantes de los aminoácidos. •Identificar en la fórmula de un aminoácido los grupos funcionales carboxilo y amino. •Identificar en la molécula de la metionina los elementos que forman parte de la materia viva: C, N, O, S, H. •Describir las funciones químicas que aparecen en esta molécula: carboxilo, carbonilo, amino, tioéter y metilo. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.0 - Aminoácidos (2) Descripción En este script es posible observar modelos de los 20 aminoácidos más comunes en las proteínas. En el, es posible resaltar los grupos funcionales comunes a todos ellos (carbono alfa, grupo amino, grupo carboxilo, cadena lateral). Adicionalmente es posible mostrar las distintas características asociadas a las cadenas laterales de cada aminoácido, para explicar los diveros tipos de clasificación que es posible utilizar según sus propiedades fisicoquímicas. Objetivos •Observar las fórmulas de los aminoácidos presentes en las proteínas. •Mostrar las características más importantes de los aminoácidos. •Identificar en la fórmula de un aminoácido los grupos funcionales carboxilo y amino. •Relacionar las cadenas laterales de los aminoácidos con sus propiedades y clasificarlos en grupos: No polares y Polares (polares sin carga, con carga positiva y con carga negativa) •Describir las funciones químicas que aparecen en estas moléculas: carboxilo, carbonilo, amino, tioéter, tiol, amida, hidroxilo, indol, imidazol, fenilo y metilo. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.1 - Estructura Secundaria Descripción La complejidad de las biomoléculas, especialmente las proteínas, hace necesario el uso de representaciones simplificadas de las mismas. Sin embargo, estas representaciones deben de conservar la capacidad de mostrar las características mas importantes de las estructuras que se desea observar. En este script se presenta la estructura de la albúmina de huevo para ejemplificar este tipo de representaciones (listones, esquemática). Así mismo, se muestran las características de los principales elementos que conforman la estructura secundaria en las proteínas, incluyendo el esqueleto de la cadena polipeptídica, los puentes de hidrógeno que la estabilizan y los planos del enlace peptídico. Objetivos •Describir el estado nativo de las proteínas y sus diferentes niveles de organización: estructuras primaria y secundaria. •Describir el arreglo espacial local de los átomos del esqueleto del polipéptido sin considerar la conformación de sus cadenas laterales. •Mostrar como la estructura secundaria es mantenida por puentes de hidrógeno entre el oxígeno y el nitrógeno involucrados en los enlaces peptídicos de los aminoácidos. •Ilustrar los principales elementos que conforman la estructura secundaria en las proteínas: la alfa hélice, y la hebra beta. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.1 - Estructura Supersecundaria Descripción Los elementos de estructura secundaria suelen establecer arreglos geométricos particulares, los cuales se conocen como estructura supersecundaria y constituyen un nivel intermedio entre la estructura secundaria y la estructura tridimensional de una cadena polipeptídica. En este script se muestran los motivos más característicos de la estructura supersecundaria: Motivo solo alfa (Citocromo b562) Esta proteína forma parte del complejo II de la cadena respiratoria, y contiene un grupo hemo, formado por cuatro anillos de pirrol planares enlazados por puentes de alfa metileno. En el centro de este anillo existe un hierro ferroso (Fe+2). La oxidación y reducción del átomo de hierro son esenciales para la actividad biológica. Barril alfa-beta (Triosa fosfato isomerasa) Es una enzima que cataliza la interconversión entre el gliceraldehido-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. Sandwich alfa-beta (Lactato deshidrogenasa) Pertenece a la categoría de las Oxidorreductasas y se encarga de que el piruvato sea reducido a lactato. Herradura alfa-beta (Inhibidor de la ribonucleasa) El inhibidor de la ribonucleasa se une a esta enzima en una de las interacciones proteína-proteína más fuertes conocidas, dado que la ribonucleasa o RNasa es una enzima que cataliza la hidrólisis del RNA, esta propiedad la convierte en un mecanismo de control de la biosíntesis de proteínas, y en último término del desarrollo y proliferación celular. Barril beta (Proteína fijadora de retinol) Son proteínas que se encargan del almacenaje y transporte de los retinoides hacia los tejidos y de su presentación a las enzimas que los utilizan. Aspa beta (Neuraminidasa) Motivo de estructura supersecundaria en forma de aspa (propeller). Subunidad del tetrámero de la neuraminidasa del virus de la influenza tipo A. Llave Griega (Proteína gama beta cristalina) Esta es una proteína soluble del cristalino, cya función es la de evitar la desnaturalización e insolubilización de otras proteínas en el ojo. Proteína Multidomínio (Piruvato cinasa) Esta proteína multidominio es un ejemplo Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.1 - Estructura Supersecundaria (continuación) de la formación de una estructura biológica a partir de distintos motivos de estructura supersecundaria con motivos alfa, sándwich alfa-beta, barril alfa-beta y barril beta. La piruvato cinasa cataliza la segunda fosforilación a nivel de substrato en la glucólisis. Objetivos •Describir el estado nativo de las proteínas y sus diferentes niveles de organización: estructuras primaria, secundaria y supersecundaria. •Describir el arreglo espacial local de los átomos del esqueleto del polipéptido que da lugar a la estructura secundaria y como la combinación de los elementos secundarios de hélices alfa y láminas beta da lugar a la estructura supersecundaria. •Mostrar los motivos más comunes y describir las combinaciones que les dan origen. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.2 - Diversidad en Proteínas Descripción Las proteínas desempeñan un papel fundamental en los seres vivos y son las biomoléculas más versátiles y más diversas. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, entre las que destacan: estructural, regulatoria, transporte y catálisis. Este conjunto de modelos muestra las características estructurales de las cuales dependen las diferentes funciones que desempeñan las proteínas. Las estructuras incluidas corresponden a: proteínas estructurales (colágena, espectrina, fibroína y clathrina); enzimas (DNA ligasa, ureasa); proteínas de transporte (hemoglobina, albúmina); proteínas de almacenamiento (ferritina, mioglobina). Objetivos •Ilustrar a las proteínas como las moléculas más abundantes y funcionalmente diversas de los sistemas vivos. •Relacionar la función biológica de las proteínas con su estructura. •Clasificar a las proteínas con base en su disposición espacial: globulares y fibrosas. •Clasificar a las proteínas de acuerdo a su función. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 1.3 - Ribosoma Descripción La síntesis de proteínas es un proceso complejo en el que intervienen de manera coordinada más de cien macromoléculas para unir los 20 aminoácidos en una secuencia específica, codificada en el RNA mensajero. En este proceso participan los tres diferentes tipos de RNA (mensajero [ARNm], ribosomal [ARNr] y de transferencia [ARNt]). Cada uno contribuye de manera específica a la obtención de una proteína funcional. El script presenta un modelo del ribosoma completo incluyendo el RNAm y el RNAt, de tal manera que es posible observar la estructura detallada del complejo responsable de la síntesis de proteínas, asi como las interacciones más importantes presentes en el (interacción codón-anticodón, interacción ARNm-ARNr, etc). Objetivos •Ilustrar la estructura básica del complejo involucrado en la síntesis de proteínas. •Describir las principales interacciones entre las moléculas que integran esta complejo, así como su participación a lo largo del proceso que este lleva a cabo. •Ubicar el sítio catalítico del ribosoma, haciendo énfasis en la importancia biológica y evolutiva de esta ribozima. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 2.1 - Carbohidratos, Estructrura (1) Descripción Los monosacáridos se clasifican de acuerdo a tres principales características: la posición del grupo carbonilo, el número de átomos de carbono que contiene y su quiralidad. Si el grupo carbonilo es un aldehído, el monosacárido es una aldosa; si el grupo carbonilo es una cetona, el monosacárido es una cetosa. En este modelo encontramos a las principales D-aldosas y D-cetosas de 3 a 6 átomos de carbono así como sus derivados: gliceraldehido, eritrosa, ribosa glucosa, galactosa, manosa, eritrulosa, ribulosa, fructosa, N-acetil glucosamina, N-acetil neuramínico e inositol. La representación en esferas y bastones permite el análisis de la conformación en el espacio de estas moléculas y las diferencias entre ellas en cuanto a número de átomos de carbono asimétricos presentes en cada una de estas moléculas. Objetivos •Definir qué son los carbohidratos. •Mostrar la estructura química de los monosacáridos con base en su grupo carbonilo, en su estructura lineal o cíclica y en el número de átomos de carbono. •Definir el concepto de carbono asimétrico y los diferentes tipos de isómeros ópticos: epímero, enantiómero y anómero. •Describir la estructura de los carbohidratos de importancia fisiológica: ribosa, glucosa, fructosa, manosa y galactosa. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 2.1 - Carbohidratos, Estructrura (2) Descripción El grupo hidroxilo de una aldosa o una cetosa lineal suele reaccionar de manera reversible con un átomo de carbono en la misma molécula, para formar un hemiacetal o hemicetal. Este anillo heterocíclico, contiene un puente de oxígeno entre los dos átomos de carbono. Los anillos con cinco y seis átomos son llamados formas furanosa y piranosa respectivamente y existen en equilibrio con la cadena lineal abierta. En este script se muestran las diferencias entre las formas lineales y cíclicas de la glucosa y la fructosa. Dentro de los carbohidratos cíclicos, es posible observar las estructuras en forma de silla. Finalmente, se muestran diversos carbohidratos de acuerdo al número de carbonos que los forman, desde 3 a 7 átomos de carbono. Objetivos •Mostrar la estructura química de los monosacáridos con base en su grupo carbonilo, en su estructura lineal o cíclica y en el número de átomos de carbono. •Definir el concepto de carbono asimétrico y los diferentes tipos de isómeros ópticos: epímero, enantiómero y anómero. •Describir la estructura de los carbohidratos de importancia fisiológica: ribosa, glucosa, fructosa. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 2.1 - Carbohidratos, Isomería Descripción Todos los monosacáridos, al poseer al menos un carbono quiral presentan formas isoméricas, las cuales son identificadas de forma diferencial por los sistemas biológicos. El presente script ilustra los isómeros L y D para Arabinosa, Eritrosa, Gliceraldheido, Ribulosa y Treosa. Objetivos •Ilustrar la estructura química de los monosacáridos con base en su grupo carbonilo, en su estructura lineal o cíclica y en el número de átomos de carbono. •Definir el concepto de carbono asimétrico y los diferentes tipos de isómeros ópticos: epímero, enantiómero y anómero. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 2.1 - Polisacáridos Descripción Los polisacáridos son polímeros, cuyos monómeros constituyentes son monosacáridos, los cuales se unen repetitivamente mediante enlaces glucosídicos. Estos compuestos llegan a tener un peso molecular muy elevado, dependiendo del número y tipo de monómeros que participen en su estructura. Éstas moléculas cumplen una gran variedad de funciones, principalmente a nivel estructural y como reservas energéticas. El presente script muestra la estructura de diversos poliscáridos estructurales y de reserva, incluyendo celulosa, almidón y glucógeno. Objetivos •Definir qué son los polisacáridos. •Ilustrar la estructura de los carbohidratos de importancia fisiológica: sacarosa, lactosa, maltosa, almidón, glucógeno y celulosa. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 2.2 - Glucólisis Descripción La glucólisis es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa para la obtención de energía para la célula. Ésta vía consiste en 10 reacciones enzimáticas que convierten la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo. En este script se muestra una animación paso a paso de las reacciones químicas que integran el proceso de la Glucólisis, dividiendo las 10 reacciones enzimáticas en dos etapas: Fase de gasto de energía y Fase de ganancia energética. Nota: Esta animación pretende ser una guía de las reacciones presentes en esta via metabólica y por lo tanto no muestra ni las enzimas participantes en cada reacción ni los mecanismos detallados de las reacciones ilustradas. Objetivos •Describir las reacciones de la vía glucolítica, indicando las reacciones irreversibles y aquellas que generan NADH o ATP por fosforilación a nivel de sustrato. •Señalar los productos de la vía y su destino en presencia y en ausencia de oxígeno. •Ilustrar el balance energético a lo largo de esta vía, así como su regulación. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 2.2 - Glucólisis, Hexocinasa Descripción Las hexocinasas son un grupo de enzimas de baja especificidad encargadas de la transferencia de un grupo fosfato desde una molécula de ATP hacia una hexosa. En la mayoría de los organismos, la glucosa es el sustrato principal de las hexocinasas y la glucosa-6-fosfato su principal producto (primera reacción de la vía glucolítica). La importancia de esta reacción radica en que constituye el “paso de compromiso” hacia las vías de catabolísmo de la glucosa. El presente script muestra un modelo animado del cambio conformacional de lesta enzima provocado por la unión de los sustratos. Este cambio en la estructura de la enzima facilita la reacción al ocultar los sustratos del solvente Objetivos •Explicar el mecanismo de acción de la hexocinasa y su importancia en esta vía metabólica. •Identificar los componentes de un sistema enzimático. •Conocer el modo de acción de las enzimas y en qué consiste su especificidad. •Ilustrar los cambios conformacionales en las enzimas y su papel en la función de las mismas. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 4.0 - Nucleótidos Descripción Los nucleótidos son moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de una pentosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato. la importancia de los nucleótidos radica en que son los monómeros de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) en los cuales forman cadenas lineales de gran longitud. Los nucleótidos, por razón de que sus grupos de fosfato le confieren un enlace de alta energía, son fuentes preferidas en las células para la transferencia de energía. El presente script muestra a los principales nucleótidos que forman parte del ADN y el ARN. Objetivos •Mostrar las características más importantes de los nucleótidos. •Identificar en la fórmula de un nucleótido los grupos funcionales. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 4.2 - Nucleosoma Descripción El nucleosoma es una complejo macromolecular que constituye la unidad fundamental y esencial de la cromatina y por lo tanto, de la organización del ADN en las células eucariontes. Los nucleosomas están formados por un núcleo proteico constituido por un octámero de histonas, proteínas fuertemente básicas y muy conservadas filogenéticamente. En el nucleosoma, la doble hélice del ADN se enrolla sobre cada octámero de histonas, dando alrrededor de dos vueltas por octámero. Este modelo animado busca ilustrar la estructura del nucleosoma, mostrando algunas de las interacciones que contribuyen a la estabilidad de este complejo (complementareidad electrostática entre la doble hélice del ADN y la superficie del octámero de histonas). Objetivos •Mostrar la estructura del nucleosoma, incluyendo el octámero de histonas y la doble hélice del ADN. •Explicar mediante esta estructura, el empaquetamiento del ADN, así como sus distintos niveles de organización (nucleosoma, fibra de 30 nm (solenoide), el superenrollamiento de 300 nm y cromosoma en metafase). •Ilustrar, utilizando como ejemplo a las histonas, el papel de las proteínas como responsables del empaquetamiento del DNA. •Relacionar los cambios en el empaquetamiento del ADN con su función. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 5.1 - Clatrina Descripción La clatrina es una proteína que desempeña un papel de vital importancia en la formación de las llamadas “vesículas recubiertas“. Esta proteína facilita la formación de pequeñas vesículas en la membrana celular, éstas se encargan del transporte selectivo de moléculas hacia otras estructuras celulares como la red trans-Golgi. Una vez que la clatrina guía la formación de una vesícula fuera de la membrana celular, se desprende de la misma y es reciclada para la formación de nuevas vesículas. Este script muestra la estructura de una cubierta de clatrina e incluye una molécula de hemoglobina como una referencia del tamaño relativo de este complejo molecular con respecto a una proteína de tamaño medio. Objetivos •Mostrar la estructura de una cubierta de clatrina, para explicar el proceso de formación de vesículas en el citoplásma. •Ilustrar el tamaño relativo de algunos complejos macromoleculares, utilizando como ejemplos a la clatrina y la hemoglobína. Visualización Molecular para la enseñanza Rosales León & Sánchez Meza 6.1 - Anticuerpos Descripción Los anticuerpos son glucoproteínas del tipo gamma globulina y son empleados por el sistema inmunitario para identificar y neutralizar elementos extraños tales como bacterias, virus o parásitos. Los anticuerpos estan constituidos por unidades estructurales básicas, cada una de ellas con dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeras. Aunque la estructura general de todos los anticuerpos es muy semejante, una pequeña región de la proteína es extremadamente variable, lo cual permite la existencia de millones de variantes capaces de reconocer una molécula blanco o antígeno distínto. El presente modelo muestra la estructura general de un anticuerpo. Se presentan las cadenas pesadas y ligeras, las zonas variables e hipervariables, así como la interacción de la inmunoglobulina con dos antígenos distintos. Objetivos •Mostrar la estructura de las inmunoglobulinas, señalando las diferentes clases y subclases, así como las cadenas pesadas y ligeras. •Describir qué la reacción antígeno-anticuerpo, definiendo especificidad, afinidad y valencia en los anticuerpos. •Señalar los tipos de unión antígeno-anticuerpo que participan y las condiciones físicoquímicas que las afectan.
