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María Font Arellano, Profesora de Química Farmacéutica y Química Computacional de la Universidad de Navarra

Gracias

vie, 11 oct 2013 12:52:00 +0000 Publicado en Diario de Navarra

Los que nos dedicamos a la química en cualquiera de sus variantes, tenemos contraída una deuda de agradecimiento con Karplus, Levitt y Warshel. Ellos, como otros a lo largo de los años, han centrado sus investigaciones en el desarrollo de programas que permiten elaborar modelos que simulan la realidad química,  mediante los cuales  podemos plantear, analizar y desarrollar mejor nuestro trabajo.  Y creo que la deuda es aún mayor para los que nos dedicamos al diseño y síntesis de fármacos.  La larga y costosa peripecia del nuevo  fármaco se ha visto significativamente acortada por la aplicación de estos programas, al poder disponer de modelos que simulan en el ordenador los sistemas químicos y biológicos implicados.

Como ejemplo, imaginemos que queremos producir un fármaco. Empleando productos de partida, reactivos, y aplicando un método de síntesis, vamos a conseguir un nuevo compuesto o producto de la reacción en el que podemos reconocer partes de los productos de partida unidos de otra forma,  una nueva entidad molecular. Durante la reacción, unos enlaces químicos se rompen y se crean otros, formando los productos de la reacción; hay pasos que a veces solo duran una fracción de milisegundo, se van generando especies químicas intermedias, estados intermedios, generalmente excitados, no visibles, inestables, que han de existir si se da la reacción. Los  electrones pasan de un punto a otro, hay orbitales que se vacían y otros se llenan, unas moléculas "se destruyen", otras "se crean".

Para poder visualizar estos pasos y controlarlos y corregir el método, en su caso, hoy disponemos de modelos que los simulan  y, mediante su estudio, obtenemos datos que ayudan a optimizarlos. Existen programas que permiten la generación de modelos 3D de reactivos, productos y especies intermedias, y de las biomoléculas, herederos informáticos de aquellos modelos de esferas y barras de madera o plástico, que consiguen que en el ordenador "se vean" las moléculas  y se puedan estudiar.

El  estudio puede hacerse aplicando la mecánica clásica newtoniana, tratando los átomos como si fueran esferas, con masa y volumen concretos, unidos entre si por muelles, enlaces con una fuerza determinada. No se consideran explícitamente los electrones, sí implícitamente, por lo que sirven para obtener una idea muy aproximada de cómo es la molécula, qué forma preferente adopta en reposo, su conformación o conformaciones,  pero no nos permiten saber qué ha pasado con los electrones, las cargas, los "responsables" de la reacción. Estamos a un nivel atómico donde aún son validas las aproximaciones clásicas. La rapidez y posibilidad de aplicarlos a moléculas grandes motivan su empleo.

Para saber qué ha pasado en la reacción, hacia dónde han ido los electrones,  cómo se han roto los enlaces y se han formado otros, qué intermedios de reacción aparecen, etc.   debemos acudir a la cuántica, ya que los electrones son partículas sub-atómicas.  Así se obtienen datos que permiten explicar mecanismos de reacción, optimizar los procedimientos, la necesidad de emplear catalizadores, etc.  Pero hay un problema: son cálculos complicados en tiempo y potencia, y sólo aplicables a moléculas pequeñas.  Por ello, éstas se analizan tanto por métodos clásicos como cuánticos, en función de los datos que interese conocer, mientras que a las grandes sólo se pueden aplicar los clásicos. Los datos obtenidos  son  útiles y se utilizan rutinariamente, pero no informan correctamente del sistema.

Gracias al trabajo que, a partir de los 70 del pasado siglo, desarrollan  Karplus, Levitt y Warshel, hoy disponemos de potentes herramientas que reúnen las aproximaciones clásica y cuántica.

Podemos estudiar sistemas moleculares complejos que implican moléculas sin límite de tamaño, al lograr centrar el nivel de estudio adecuado (más exigente) en la parte pertinente del sistema, aplicando al resto un nivel más liviano. Por ejemplo, en los modelos construidos para estudiar las interacciones entre fármacos y dianas se analizan complejos en los que el fármaco se introduce en el sitio de unión de la diana, diseñando una estrategia en la que al fármaco y a la sección de la diana contenida en un radio determinado alrededor del  mismo, se aplican cálculos cuánticos (aproximación más interesante para analizar las interacciones intra e inter moleculares del sistema),  mientras que  al resto, la parte de la diana más alejada a partir de un punto determinado, se acude a cálculos clásicos. Así, con un consumo en tiempo y cálculo razonable se consigue información más real  sobre el modo de unión, que facilita las estrategias de diseño basadas en la estructura de la diana terapéutica.

La versatilidad de estos programas abre la puerta a su aplicación a un sinfín de áreas  de interés.