La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas I CURSO DE DIVULGACIÓN LOS AVANCES DE LA QUÍMICA Y SU IMPACTO EN LA SOCIE

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La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

I CURSO DE DIVULGACIÓN

LOS AVANCES DE LA QUÍMICA Y SU IMPACTO EN LA SOCIEDAD

Carlos Miranda 29 de abril de 2009

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Química en Ciencias Medioambientales

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Química en Toxicología

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

La Química, “la ciencia central” BIOLOGÍA CIENCIAS DE LAS PLANTAS Botánica Agronomía

Biología celular Microbiología Anatomía Fisiología Genética

BIOQUÍMICA Biología molecular Inmunología Endocrinología Ingeniería genética

CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES

MEDICINA y CC. SALUD

Ecología Estudios de contaminación

Farmacología Nutrición Química clínica Radiología

QUÍMICA

GEOLOGÍA QUÍMICA NUCLEAR

FÍSICA Física atómica y nuclear Mecánica cuántica Espectroscopía Ciencia de materiales Biomecánica

ASTRONOMÍA

Química en Biología: Secuenciación del ADN

Radioquímica Medicina nuclear

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Premio Nobel de Química (1980) Determinación de la secuencia de bases de los ácidos nucleicos

Walter GILBERT

Frederick SANGER

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 + Base nitrogenada + (Azúcar de 5 át. de C)

Grupos fosfato (de uno a tres)

PURINA

PIRIMIDINA nucleósido

O nucleótido monofosfato

NH

nucleótido difosfato

N

O

R Uracilo

nucleótido trifosfato

ARN 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

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Mecanismo de polimerización del ADN O

O -O

5’

P

-O

Base

O-

O H

O-

P

5’

O

O-

H

H

H

O

H

H

H O

O

H H

H O

Base O

P

P

O-

O-

Base

O-

Base

O-

O

O H

H

H

H O

H

O

H

H

H O

O

H H

P

P

O-

O-

Base

O

O H H

ADN Polimerasa

H H

: OH

P O-

O

P

O

O-

P

O

H

H

P

OBase

O

O O

H

H

:

-O

O

H H

3’ O

O

Base

O

Base

O

-O

O H

O-

H

H

P

O

OH

OH

O

O

O

P O-

OH

H

H

OH

H

H

H

3’

H

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

Secuenciar el ADN: Planteamiento del problema

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

El nucleótido es el bloque fundamental

Grupo OH (3’)

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

Hebra de ADN

¿Cómo conocer el orden de los nucleótidos?

Secuenciar el ADN: Método de terminación de la cadena

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Se puede separar ADN en función del tamaño Electroforesis Poliacrilamida-Urea (Resolución: 1 nucleótido)

¿Distinta longitud?

Sí Parando la elongación de la cadena ¿Cómo? Neutralizando el punto de crecimiento

Secuenciar el ADN: Didesoxinucleótidos trifosfatados

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

DESOXINUCLEÓTIDOS (dNTP) vs DIDESOXINUCLEÓTIDOS (ddNTP)

dATP

ddATP

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 muestra ADN

dTTP dCTP

polimerasa

ddGTP

dATP dGTP

ddTTP

ddCTP

ddATP

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Identificación de los fragmentos MARCAJE Fósforo radiactivo (32P y 33P)

3’ SOLUCIÓN:

TAMAÑO FRAGMENTOS

grandes

pequeños

5’aAAATCAATTCTGTGAAC GATAATCCAGTCATTGATG TTGCCAGAGACAAAGCT 3'

5’

Marcaje de los nucleótidos de terminación

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Marcaje con colorantes fluorescentes

Bodipy-FL-510 [λabs (max) = 502 nm; λem (max) = 510 nm]

R6G [λabs (max) = 525 nm; λem (max) = 550 nm]

CH3

R

N N B F CH CH F S

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

Marcaje de los nucleótidos de terminación

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Separación de fragmentos por electroforesis capilar ATTGC A

Capilar Pol. líquido …..

-

Laser Prisma Detectores

Ventana

Reacción Secuencia

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

Química y Medicina: Contrastes radiológicos

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

RADIOGRAFÍA

CONTRASTES RADIOLÓGICOS

Sustancia susceptible de rayos X

de

ser

empleada

en

exámenes

médicos

Distinguen tejidos blandos por diferencia de opacidad frente a rayos X

Química y Medicina: Contrastes radiológicos

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Contrastes densos Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados

Placa fotosensible

FUENTE RAYOS X

Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X

Química y Medicina: Contrastes radiológicos

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Contrastes densos Sulfato de Bario

Compuestos de yodo

Iohexol

Química y Medicina: Contrastes radiológicos

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Contrastes densos Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados

FUENTE RAYOS X

Placa fotosensible

Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X

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

Química y Medicina: Medicina Nuclear

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Empleo de isótopos radioactivos para dianóstico clínico y tratamiento de enfermedades: • Algunos tipos de cáncer • Enfermedades cardiovasculares • Desórdenes neurológicos…

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

Símbolo

Radiación

Vida media

Uso

3 1H

β

12.32 años

Trazador bioquímico

Sodio-24

24 11 Na

β

14.95 horas

Circulación sanguínea

Fósforo-32

32 15 P

β

14.28 días

Terapia anti-leucemia

Cobalto-60

60 27 Co

β, γ

5.27 años

Terapia cancerosa

Arsénico-74

74 33 As

β+

17.8 días

Localización tumores cerebrales

Tecnecio-99

99m 43 Tc

γ

6.01 horas

Escáner cerebral

131 53 I

β

8.04 días

Terapia tiroidea

Tritio

Yodo-131

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Tomografía por emisión de positrones Técnica de análisis en tiempo real no invasiva Imagen típica PET cerebral

En combinación con TAC (tomografía axial computerizada)

Información y diagnósticos MUY PRECISOS

imagen de PET TAC cuerpo entero

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

Se acumula en los órganos con afinidad por el radiotrazador Emisión de radiación gamma en los órganos donde se localiza

Medición de la ACTIVIDAD METABÓLICA

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

PET: Radionucléidos Isótopos de vida media corta: ~20 minutos 13N, ~10 minutos 15O, ~2 minutos 18F, ~110 minutos

Periodo de semidesintegración

90

% radiactividad

11C,

100

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

nº de periodos

6

7

8

Se incorporan en moléculas que sabemos como utiliza nuestro cuerpo Desintegración por emisión de positrones β+ = e+ 11 6C

11 5B

+

13 7N

13 6C

+ β+ + νe + 2.22 MeV

15 8O

15 7N

+ β+ + νe + 2.85 MeV

18 9F

18 8O

+ β+ + νe + 1.66 MeV

β+

+ νe + 0.45 MeV

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

PET: Radiotrazadores FLUORDESOXIGLUCOSA (FDG) 2-[18F]Fluor-2-desoxi-D-glucosa Tatsuo Ido (años 70)

OTROS

Metabolismo • • • • •

18F-Fluorotimidina

• 15O-Agua • 18F-Fluoromisonidazol • 15O-Oxígeno

11C-Timidina 11C-Aminoácidos 11C-Glucosa 15O-Oxígeno

Angiogénesis

H3C

CH2 N CH3

OH

Química y Astrofísica: Detección de moléculas

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Espectros de emisión y absorción de planetas y estrellas Espectro IR de las moléculas (vibraciones)

Astrofísica: Detección de moléculas por IR

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Detección de agua en el planeta HD189733b

62 años luz

Orbita inclinada alineada con la orbita terrestre

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Química y Astrofísica Aislamiento del espectro IR del planeta

Resultado

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Materiales de alta tecnología

Materiales: Química, Física e Ingenieria

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Materiales compuestos (COMPOSITES) Fibra de vidrio

Fibra de Carbono

PROPIEDADES Elevada resistencia Bajo peso Muy duraderos Alternativa al hormigón armado y el acero

Aplicaciones en Ingeniería y Construcción

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Construcciones novedosas San Diego (EE.UU.)

Friedberg (Alemania)

Asturias (España)

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Química e Ingeniería Madrid (M-111)

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