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La relación de la Química conotras disciplinas científicas
y tecnológicas
Carlos Miranda29 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
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica enCiencias Medioambientales
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica en Toxicología
BIOLOGÍABiología celularMicrobiología
AnatomíaFisiologíaGenética
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
La Química, “la ciencia central”
QUÍMICA
FÍSICAFísica atómica y nuclear
Mecánica cuánticaEspectroscopía
Ciencia de materialesBiomecánica
BIOQUÍMICABiología molecular
InmunologíaEndocrinología
Ingeniería genética
MEDICINA y CC. SALUDFarmacología
NutriciónQuímica clínica
Radiología
QUÍMICANUCLEARRadioquímica
Medicina nuclear
CIENCIAS DE LASPLANTAS
BotánicaAgronomía
CIENCIASMEDIOAMBIENTALES
EcologíaEstudios de contaminación
GEOLOGÍA
ASTRONOMÍA
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica en Biología:Secuenciación del ADN
Walter GILBERT Frederick SANGER
Premio Nobel de Química (1980)
Determinación de la secuencia de bases de los ácidos nucleicos
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
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
RUracilo
ARN
nucleótido difosfato
nucleótido trifosfato
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
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=
El grupo OH en posición 3’ del anillo de desoxirribosa es fundamental para la polimerización de la molécula de ADN
: :
O
HO
HH
HH
PO
O-
O-
O
HO
HH
HH
PO O-
Base
Base
O
HOH
HH
HH
OBase
O
P-O O-
O-
5’
3’
O
HOH
HH
HH
OPO
O-
O
POP-O
O
O-
O
O-
Base
O
HO
HH
HH
PO
O-
O
O-
O
HO
HH
HH
PO O-
Base
Base
O
HO
HH
HH
OBase
PO O-
O
HOH
HH
HH
OBase
O
P-O
O-
5’
3’
OP-O
O-
O
OHP
O-
O
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Mecanismo de polimerización del ADN
ADN Polimerasa
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasSecuenciar 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 polimerizaciónNUCLEÓTIDO
Grupo OH (3’)
Hebra de ADN
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasSecuenciar el ADN:Método de terminación de la cadena
Se puede separar ADN en función del tamaño
¿Distinta longitud?
SíParando la elongación de la cadena
¿Cómo?
Neutralizando el punto de crecimiento
Electroforesis Poliacrilamida-Urea(Resolución: 1 nucleótido)
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasSecuenciar el ADN:Didesoxinucleótidos trifosfatados
DESOXINUCLEÓTIDOS (dNTP) vs DIDESOXINUCLEÓTIDOS (ddNTP)
ddATPdATP
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
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Identificación de los fragmentos
polimerasa
muestra ADN
dATPdCTPdGTP
dTTP
ddATPddCTPddTTPddGTP
3’
5’
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Identificación de los fragmentos
Fósforo radiactivo (32P y 33P)
MARCAJE
SOLUCIÓN:
5’aAAATCAATTCTGTGAACGATAATCCAGTCATTGATGTTGCCAGAGACAAAGCT 3'
pequeños
grandes
TA
MA
ÑO
FR
AG
ME
NT
OS
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasMarcaje de los nucleótidos de terminación
Marcaje con colorantes fluorescentes
NB
N
F F
CH3
CHS
CHR
Bodipy-FL-510[λabs (max) = 502 nm; λem (max) = 510 nm]
R6G [λabs (max) = 525 nm; λem (max) = 550 nm]
Bodipy-650[λabs (max) = 630 nm; λem (max) = 650 nm]
ROX[λabs (max) = 575 nm; λem (max) = 602 nm]
VENTAJAS:
• Una sola reacción de secuenciación• Fácil automatización
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasMarcaje de los nucleótidos de terminación
Separación de fragmentos por electroforesis capilar
…..
Pol. líquido
ATTGC A
Laser
Prisma
Detectores
-
VentanaReacción Secuencia
Capilar
…..…..
Pol. líquidoPol. líquido
ATTGC AATTGC A
LaserLaser
PrismaPrisma
DetectoresDetectores
--
VentanaVentanaReacción SecuenciaReacción Secuencia
CapilarCapilar
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Proyecto GENOMA HUMANO
Febrero de 2001
Science 291,1304-1351 (16 February 2001)
Nature 409, 856-859 (15 February 2001)
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Química en Medicina
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica 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
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica y Medicina:Contrastes radiológicos
Contrastes densos
Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados
Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X
FU
EN
TE
RA
YO
S X
Pla
ca f
oto
sen
sib
le
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica y Medicina:Contrastes radiológicos
Contrastes densos
Sulfato de Bario Compuestos de yodo
Iohexol
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica 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
FU
EN
TE
RA
YO
S X
Pla
ca f
oto
sen
sib
le
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica 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
H13
Na1124
P1532
Co2760
As3374
I53131
Tc4399m
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
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
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
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
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
PET: Radionucléidos
Isótopos de vida media corta:
Se incorporan en moléculas que sabemos como utiliza nuestro cuerpo
Desintegración por emisión de positrones
11C, ~20 minutos13N, ~10 minutos15O, ~2 minutos18F, ~110 minutos
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Periodo de semidesintegración
nº de periodos
% r
adia
ctiv
idad
11 C6
13 N7
158 O
18 F9
B115
13 C6
157 N
18 O8
+ β+ + νe + 0.45 MeV
+ β+ + νe + 2.22 MeV
+ β+ + νe + 2.85 MeV
+ β+ + νe + 1.66 MeV
β+ = e+
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
PET: Radiotrazadores
2-[18F]Fluor-2-desoxi-D-glucosa
Metabolismo
FLUORDESOXIGLUCOSA (FDG)
OTROS
Tatsuo Ido(años 70)
Angiogénesis
• 18F-Fluorotimidina• 11C-Timidina• 11C-Aminoácidos• 11C-Glucosa• 15O-Oxígeno
• 15O-Agua• 18F-Fluoromisonidazol• 15O-Oxígeno
H3CN
OH
CH2
CH3
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasQuímica y Astrofísica:Detección de moléculas
Espectros de emisión y absorción de planetas y estrellas
Espectro IR de las moléculas (vibraciones)
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasAstrofísica:Detección de moléculas por IR
Detección de agua en el planeta HD189733b
Orbita inclinada alineada con la orbita terrestre
62 años luz
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Química y AstrofísicaAislamiento del espectro IR del planeta
Resultado
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Materiales de alta tecnología
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicasMateriales: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
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Construcciones novedosas
San Diego (EE.UU.) Friedberg (Alemania)
Asturias (España)
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Química e IngenieríaMadrid (M-111)
FÍSICA
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QUÍMICABIOLOGÍA GEOLOGÍA
INGENIERÍA