la relacion de la quimica con otras disciplinas cientificas y tecnologicas

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TEMA PARA LA MATERIA DE QUIMICA BASICA CON LABORATORIO...INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA...t&t

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Page 1: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 2: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 3: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 4: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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=

Page 5: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 6: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 7: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 8: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 9: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 10: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 11: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 12: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

Page 13: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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+

Page 14: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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)

Page 15: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

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

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Química y AstrofísicaAislamiento del espectro IR del planeta

Resultado

Page 16: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

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

Page 17: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Construcciones novedosas

San Diego (EE.UU.) Friedberg (Alemania)

Asturias (España)

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

Química e IngenieríaMadrid (M-111)

Page 18: LA RELACION DE LA QUIMICA CON OTRAS DISCIPLINAS CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS

FÍSICA

La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

QUÍMICABIOLOGÍA GEOLOGÍA

INGENIERÍA