La forma más simple que se utilizado tradicionalmente para representar estructuras moleculares son las fórmulas químicas. Así, por medio de las llamadas fórmulas empíricas, se representan las moléculas indicando los elementos químicos que las constituyen añadiendo a cada uno un subíndice que representa el número de átomos presentes de cada uno de ellos (ver figura a la izquierda del texto). Las fórmulas empíricas no dan información acerca de cómo están situados los átomos en la molécula ni de cómo están enlazados entre sí. Por ello, para conseguir una representación más próxima a la realidad, se han utilizado las llamadas fórmulas estructurales, en las que se representan también por medio de sus símbolos los elementos químicos constituyentes y por medio de guiones los enlaces químicos que los unen. Las fórmulas estructurales resultan especialmente útiles en la Química Orgánica y en la Bioquímica, ciencias en las que la complejidad de las moléculas a representar es creciente.

Aun siendo de gran utilidad, el uso de fórmulas, incluso de fórmulas estructurales, presenta la limitación de que con ellas se representa en dos dimensiones (sobre el plano del papel o pantalla) objetos tridimensionales como son las moléculas. Tradicionalmente se ha tratado de superar esta limitación utilizando convenciones en la representación que intentan dar al observador la sensación de profundidad o perspectiva (enlaces con trazo más o menos grueso, con forma de cuña, etc.). A pesar de ello, cuando se trata de moléculas muy grandes, las representaciones en dos dimensiones como las descritas van resultando cada vez más farragosas y menos útiles para proporcionarnos una idea cabal acerca de la forma tridimensional de la molécula representada.

Para superar estas dificultades, al menos en el ámbito de la investigación científica, se ha recurrido a la construcción de modelos moleculares tridimensionales. Ensamblando convenientemente bolas y varillas fabricadas con los materiales adecuados se pueden construir representaciones a escala de todo tipo de moléculas. La construcción y manipulación de estos modelos moleculares resultó ser una herramienta fundamental en muchos de los avances en el estudio de la estructura de las macromoléculas que se produjeron en la segunda mitad del S.XX. Aun así, la construcción y manipulación de estos modelos suele ser un proceso lento y a veces tedioso para los investigadores.

En primer lugar, vamos a ver algunos modelos de moléculas pequeñas como el , el , o el , representados aquí con modelos virtuales de bolas y varillas.

La gran utilidad de estos modelos se aprecia mejor cuando tenemos que representar moléculas algo más complejas como por ejemplo la , representada aquí en su forma cíclica como α-D-glucopiranosa en un modelo de bolas y varillas. Esta representación y su equivalente denominada (wireframe), resultan útiles para apreciar las distancias entre los átomos, los ángulos de enlace y otros aspectos de la geometría de la molécula.

Si pretendemos formarnos una idea acerca de la forma de la superficie de la molécula, tal como sería "vista" por otras moléculas tales como enzimas, podemos recurrir a un (spacefill), en el que los átomos se representa extendidos hasta su radio de Van der Waals, aunque de este modo nos perdemos algunos detalles de la geometría molecular. Existe una forma de representación alternativa que combina las ventajas de las dos anteriores: el modelo de , en el que superpone un modelo de bolas y varillas con una "superficie transparente", perfilada a base de puntos.

Cuando se trata de representar macromoléculas como proteínas y ácidos nucleicos, los modelos moleculares virtuales resultan todavía de mayor utilidad. Veámoslo con una proteína de bajo peso molecular como la humana, una hormona implicada en la regulación de metabolismo de los glúcidos, que está formada por dos cadenas polipeptídicas con un total de 51 residuos de aminoácidos. Aquí podemos apreciar la representación en malla de alambre. El también resulta revelador de ciertos aspectos de la molécula. Si añadimos una apreciamos ahora superpuesta una imagen de la superficie molecular de van der Waals, que se torna el aspecto más relevante de la representación en el . En todas las representaciones hasta ahora expuestas se ha utilizado el código de colores CPK, propuesto inicialmente por los bioquímicos Corey, Pauling y Koltun y modificado posteriormente para adaptarlo a la generación de modelos moleculares virtuales. Este código asigna un color a cada uno de los elementos químicos más frecuentes atendiendo a la siguiente convención:, , y . Se reserva el blanco para el hidrógeno, que se obvia en la representación de macromoléculas complejas con el objeto de simplificarlas. Volvamos ahora al . Además del código CPK que se ha descrito, se han desarrollado otras convenciones de colores para resaltar diferentes aspectos de la molécula a representar. Una de ellas, particularmente útil para las proteínas, consiste en la utilización de una que van variando desde el extremo amino-terminal (azul) hasta el carboxi-terminal (rojo) de una cadena polipeptídica. También existe la posibilidad de utilizar colores diferentes que pongan de manifiesto la existencia de cuando es el caso.

En ocasiones puede resultar de interés que el modelo proporcione información acerca de la estructura secundaria que presentan distintos tramos de una cadena polipeptídica. Para ello se utiliza el , que en este caso pone de manifiesto el predominio en la insulina de la estructura secundaria en hélice-α. Una alternativa interesante puede ser el modelo que resalta el de las cadenas polipeptídicas obviando las cadenas laterales de los aminoácidos, o el que reprenta los tramos con estructura secundaria en hélice-α por medio de .

La molécula utilizada como ejemplo hasta ahora, la insulina, es una proteína relativamente pequeña y de estructura tridimensional no demasiado compleja. Los modelos moleculares virtuales pueden utilizarse para representar estructuras sensiblemente más grandes y complejas. Aquí podemos ver un modelo espacial compacto del enzima , que cataliza una de las etapas iniciales en la síntesis de las pirimidinas. La unidad funcional de la aspartato-transcarbamilasa es un dodecámero que aquí vemos representado mediante un modelo espacial compacto en el que se resaltan por medio de distintos colores las 12 subunidades que lo forman. En el dodecámero podemos distinguir y . Un nos da información acerca de la distribución de los distintos tipos de estructura secundaria en las distintas subunidades; vemos que la hélice-α (en púrpura) predomina en las subunidades catalíticas mientras que la hoja-β (en amarillo) lo hace en las reguladoras. Usando ahora un podemos apreciar la compleja estructura de esta gran macromolécula que está formada por 21.318 átomos.

Atribución de contenidos

• Los modelos moleculares de agua, dióxido de carbono, amoníaco y α-D-glucopiranosa han sido generados por el autor utilizando la herramienta JSME Molecular Editor [1]
• El modelo molecular de la insulina se ha tomado de Proteopedia 3i40
• El modelo molecular del enzima aspartato transcarbamilasa se ha tomado de Aspartate Transcarbamoylase (ATCase)