Poisson-Boltzmann y su aplicación en los sistemas macromoleculares.

Es una ecuación diferencial que describe interacciones electrostáticas entre moléculas en soluciones iónicas

Es el operador divergencia,

Representa la posición dependencia dieléctrica,

Representa el gradiente del potencial electrostático,

Representa la densidad de carga del soluto,

Representa la concentración del ion i a una distancia de infinito desde el soluto, Es la carga del ion, q es la carga del protón,

Es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, y : es un factor para la accesibilidad de la posición dependencia de la posición r hasta los iones en la disolución.

Aplicación en Sistemas Macromoleculares

Sobre la superficie de la macromolécula existen residuos cargados que generan potenciales eléctricos que se extienden varios angstroms dentro de la solución. Por ejemplo, en el DNA los potenciales producen gran concentración de asociación de iones, que afecta significativamente en un gran factor la conformación y las propiedades de los enlaces. El potencial eléctrico alrededor de las macromoléculas puede aumentar la razón de asociación del sustrato, y el potencial eléctrico alrededor del DNA se ha creído responsable de la no secuencia específica de enlaces de proteínas y otras moléculas. El potencial eléctrico alrededor de ciertas proteínas puede ser el responsable del doblamiento del DNA.

El método FDPB es el camino disponible más efectivo para el cálculo de potenciales alrededor de macromoléculas. Simulaciones detalladas no son lo suficientemente amplias para ser significativo el efecto de la superficie o no incluyen los efectos de la fuerza iónica. El método de PDLD no es apropiado para el cálculo de estos potenciales, en algunos casos no es razonable usar la ley de Coulomb con una constante dieléctrica de 80 o usar soluciones analíticas basadas en modelos simplificados de la macromolécula, además los efectos en los potenciales eléctricos producidos por el solvente pueden ser muy bajos si se utilizan métodos simplificados.

Hay estructuras que inducen gradientes de potencial grandes en sitios activos o potenciales exagerados en el interior de la solución. Los potenciales generados en el solvente muestran tener grandes efectos en la razón de asociación de moléculas cargadas. Este fenómeno recientemente ha sido estudiado de forma extensiva por el cálculo de Dinámica Browniana, el cual hace posible simulaciones de procesos de difusión. El método que ha sido más efectivo en el estudio de la

asociación usa potenciales generados por cálculos de FDPB como bases para el cálculo de fuerzas usados en los procesos de simulación de la Dinámica Browniana.

Aplicaciones a proteínas Cu, Zn-superoxido dan un resultado satisfactorio del valor de la magnitud observada y la dependencia de la fuerza iónica de la razón constante para la difusión de los sitios activos, cuando se usaron modelos que utilizan potenciales simples de Coulomb los resultados difieren de los resultados experimentales.

Para el cálculo de potenciales alrededor de la macromolécula solo es necesario definir la superficie de Van der Waals y la distribución de carga y con solo una corrida del programa de FDPB se encuentran potenciales sobre un enrejado cúbico que pueden ser mostrados gráficamente o numéricamente. Por ejemplo, en el tRNA tiene una “ventana” de potencial negativo alrededor de la molécula, que fue encontrado en la región anticodon, esto sirve para reducir la interacción repulsiva con otras moléculas de cargada negativa y puede aumentar la interacción con el mRNA.

La utilidad de la electrostática para el estudio de sistemas biológicos.

Los sistemas biológicos y moleculares se estudian para realizar modelos que describen el comportamiento y las interacciones entre las diferentes estructuras moleculares, la electrostática de todas las moléculas que se encuentran en los sistemas biológicos es aplicada a sistemas complejos que se pueden asumir ciertas consideraciones en su organización y en los que se les atribuye fenómenos para descubrir su comportamiento y si interacciones que presentan ente sus bio moléculas.

La aplicación actual y sus posibles aplicaciones en la salud, el medio ambiente y los alimentos.

La electrostática se aplica para generar energía eléctrica y que esta sea consumida por aparatos eléctricos. Para alimentos se estudia ampliamente en la conservación de harinas ya que una pequeña chispa de esta energía puede desencadenar una gran explosión. En medicina se usaría para estudiar las interacciones que pudiera presentarse en el ADN con otro tipo de compuestos químicos y en el medio ambiente se puede usar para que la electrostática retenga contaminantes y evitar que lleguen al ambiente.