HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DE SIMULACION DE BIOMOLECULAS POR COMPUTACION

TOSSO, RODRIGO DAVID; BARRERA GUISASOLA, EXEQUIEL; ANDUJAR, SEBASTIAN; SALCEDO, RODRIGO; SUVIRE, FERNANDO DANIEL; ZAMORA, MIGUEL ANGEL

Lanús - Provincia de Buenos Aires

Congreso; XXVIII Congreso Argentino de Química; 2010

Asociación Química Argentina

HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DE SIMULACION DE BIOMOLECULAS POR COMPUTACION INTRODUCCION Este curso fue implementado en la Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia, de la Universidad Nacional de San Luis, durante el ciclo lectivo 2009. El mismo se desarrolló en dos partes de 24 horas cada una, con clases teórico-prácticas de 3 horas semanales. Los contenidos del curso total se dividieron en 12 módulos (seis módulos en cada parte). Es un curso complementario de grado y estuvo destinado a alumnos de las carreras Licenciatura en Química, Licenciatura en Biología Molecular, Licenciatura en Bioquímica y Farmacia, con primer año aprobado y protocolizado por la Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia. OBJETIVOS El objetivo de este curso fue que los alumnos sin experiencia en química computacional iniciaran un entrenamiento en los cálculos de estructura electrónica. En primer lugar que aprendieran cómo usar la teoría de la estructura electrónica para investigar sistemas químicos y bioquímicos y además cómo esta teoría puede ser usada, en conjunto con los resultados experimentales, para resolver diversos problemas de la fisicoquímica de moléculas de interés en diversas áreas de la biología. CONTENIDOS Modelos Computacionales. Técnicas y conceptos básicos. Cálculos semiempíricos. Programa MOPAC. Cálculos de la estructura electrónica. Programa Gaussian 03. Optimización de la geometría. Cálculo de frecuencias. Modelos químicos. Efectos del set de bases. Selección del método teórico apropiado. Modelos de energía de alta precisión. Aplicaciones. Reacciones químicas y reactividad. Modelado de sistemas en solución. Modelado de estados excitados. METODOLOGIA La estructura del dictado se basó en clases teóricas presenciales y clases prácticas semi presenciales. En las clases teóricas se impartieron los principios, fundamentos y ejemplos de cada uno de los temas, mientras que en las clases prácticas se dedicaron a la resolución de problemas concretos mediante ejemplos tipo, dejando al alumno resolver por su cuenta otros similares que debían presentarse concluidos en la siguiente clase. En el abanico de ejemplos desarrollados se incluyeron principalmente moléculas orgánicas. Evaluación: Con el fin de evaluar la asimilación de los conceptos desarrollados se sometió a la consideración de cada estudiante una molécula orgánica simple con distintos patrones de sustitución, con el fin de aplicar los métodos y aproximaciones desarrollados durante el curso. Para esta evaluación se eligió una modalidad semi presencial, con tutorías y un período de una semana para la entrega de los resultados finales a través de un informe detallado de lo realizado. Sobre la molécula propuesta, el alumno debía realizar: a) un análisis conformacional mediante la obtención de una hipersuperficie de energía potencial, donde se debían caracterizar confórmeros y demás puntos críticos de interés; b) un refinamiento de la estructura y energías de los mínimos y estados de transición a distintos niveles de cálculo; c) un análisis que permitiera la obtención de parámetros termodinámicos como por ejemplo ΔE, ΔH, ΔS y ΔG; d) un análisis del comportamiento energético aplicando un modelo de solvatación de dieléctrico continuo. Además se entregó a los alumnos un cuestionario con preguntas de base teórica para ser contestado conjuntamente con la parte práctica, como elemento de evaluación conceptual. Finalmente, los informes fueron defendidos por cada alumno en una jornada de seminario con la presencia del resto de los alumnos, donde además se compararon las variaciones conformacionales de las moléculas y sus patrones de sustitución y la calidad de la información aportada por cada nivel de cálculo empleado. Método de calificación empleado fue cualitativo (aprobado/desaprobado). PROGRAMA Módulo 1: Modelos Computacionales y Modelos Químicos. Teoría de la estructura electrónica. Módulo 2: Especificación de la geometría: Sistema de coordenadas cartesianas y coordenadas internas. Interfases gráficas de usuarios Estudios de macromoléculas mediante modelos reducidos. Módulo 3: Cálculos semiempíricos: Programa MOPAC (Molecular Orbital PACkage). Superficies de energía potencial (SEP). Localización de mínimos. Barreras rotacionales. Módulo 4: Cálculos de la estructura electrónica: Programa Gaussian 03. Cálculos de energía de sistemas moleculares. Orbitales moleculares. Predicción de momentos dipolares y cargas atómicas. Predicción de espectros NMR. Módulo 5: Optimización de la Geometría: Optimizaciones y criterios de convergencia. Minimizaciones. Localización de estructuras de transición. Módulo 6: Cálculo de frecuencias: Predicción de espectros IR. Frecuencias e intensidades vibracionales. Termoquímica. Energía térmica y corrección de punto cero. Caracterización de puntos estacionarios. Módulo 7: Modelos químicos: Efectos del set de bases. Set de bases mínimo. Set de bases split valence. Funciones difusas y polarizadas. Módulo 8: Selección del método teórico apropiado: Métodos semiempíricos. Limitaciones. Correlación electrónica y Métodos Post-SCF. Limitaciones de la teoría de Hartree-Fock. Métodos DFT (Teoría del Funcional de la Densidad). Módulo 9: Modelos de energía de alta precisión: Predicciones muy precisas de propiedades energéticas y termodinámicas. Evaluación de modelos químicos. Precisión relativa. Métodos CBS (Complete Basis Set). Módulo 10: Aplicación al estudio de reacciones químicas y reactividad: Densidad electrónica. Entalpías de reacción. Exploración de la superficie de energía potencial. Pasos de la reacción. Cálculos IRC (Intrinsic Reaction Coordinate). Reacciones isodésmicas. Módulo 11: Modelado de sistemas en solución: Modelos de solvatación. Métodos SCRF (Self-Consistent Reaction Field). Cálculos que incluyen el efecto del solvente. Módulo 12: Modelado de estados excitados: Cálculos de estados excitados. Cálculos CI-singles. Optimizaciones y frecuencias de estados excitados. Método CASSCF (Complete Active Space Multiconfiguration SCF). CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en el desarrollo del presente curso son altamente satisfactorios, ya que han permitido trabajar en temas que no están incluidos en la mayoría de las currículas de grado de las Universidades Nacionales, permitiéndonos avanzar en la formación que reciben los estudiantes. La asimilación por parte de los estudiantes no presentó mayores dificultades debido a la familiaridad con la informática que poseen las nuevas generaciones. Se pudo apreciar también que, en base a la destreza adquirida en la obtención de los resultados individuales, se generaron enriquecedoras discusiones durante la jornada de seminario. Esta edición del curso fue aprobada por vienticinco alumnos de diferentes carreras de la Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia.