Gracias al desarrollo de potentes computadoras y de programas que llevan a cabo cálculos teóricos, podemos disponer de representaciones gráficas que nos muestran cómo son aquellas estructuras a nivel molecular que no alcanzamos a discernir con el más potente de los microscopios electrónicos. Cada vez con más frecuencia nos encontramos estas representaciones ilustrando publicaciones científicas, libros de texto y, poco a poco, incluso se van incorporando a la práctica docente.
Estas representaciones y esquemas de modelos moleculares pueden completar nuestra visión de la estructura de la materia, facilitando la visión estereoscópica de las moléculas, observando de forma directa cómo se relacionan distintas partes de una estructura o mostrando cómo interaccionan y se complementan moléculas como proteínas y ácidos nucleicos o enzimas con sus sustratos. Sin embargo, un mal conocimiento de los principios y modelos teóricos a partir de los cuales se generan estas estructuras teóricas nos podría conducir a una interpretación errónea de las mismas. Además, una vez más hay que recordar que trabajamos con modelos que interpretan la realidad física, la cual no tiene por qué coincidir con ellos.
Uno de los métodos de modelización molecular más empleado para generar estos modelos moleculares es la Mecánica Molecular (MM). Su fundamento consiste en expresiones analíticas que expresan la energía total de un sistema en términos de interacciones interatómicas. Los diferentes parámetros de la ecuación se fijan a priori, partiendo de estudios empíricos tipo resonancia magnética nuclear, análisis conformacional, difracción de electrones, etc. Después, mediante derivaciones sucesivas de la función de energía potencial que define el sistema objeto de estudio se obtienen estructuras optimizadas energéticamente (mínimos de energía locales generalmente). Otro método es el denominado de Monte-Carlo, en el cual mediante variaciones de los ángulos diedros se generan sucesivas estructuras al azar, y se selecciona aquella de menor energía, a partir de la cual se vuelven a obtener más estructuras. Con estos métodos se generan estructuras de proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas, las cuales se pueden representar por diversos métodos como los conocidos modelos de varillas, las esferas CPK (Corey-Pauling-Koltum) o las superficies de  potencial electrostático entre muchos otros (en la reciente monografía de A. R. Leach, Molecular Modelling. Principles and Applications, Addison Wesley (1996) puede encontrarse en detalle los fundamentos de estos métodos).
Los modelos obtenidos mediante MM representan estados teóricos de las moléculas, cercanos al mínimo energético, que nos proporcionan una visión estática de las estructuras cuando, por el contrario, las biomoléculas se caracterizan por ser sistemas dinámicos que evolucionan en su estructura y propiedades al tiempo que lo hace el medio en el que se encuentran. Es importante además enfatizar, el tercer principio de la termodinámica nos lo recuerda, que la estructura de la materia a nivel molecular es dinámica: todas las moléculas varían constantemente en su morfología. Lo que observamos a nivel macros-cópico es un promedio de ellas. Un cristal de una proteína purificada viene a contener unas 10²⁰ moléculas de proteína y es improbable que en un momento dado una sola presente la estructura promedio. Los diferentes movimientos a nivel molecular pueden ser visualizados como pequeñas oscilaciones alrededor de una conformación de máxima estabilidad. Los movimientos que experimentan pueden ser de diferente categoría: fluctuaciones atómicas, rápidas vibraciones al azar de corto alcance (menos de 0.5 Å); movimientos colectivos, desarrollados por grupos de átomos o grupos funcionales que actúan como una unidad sobre largas distancias en una escala temporal de 10^-12 a 10^-3 s, o cambios conformacionales de amplias regiones de la estructura que abarcan distancias de hasta 1 nm en tiempos de 10^-9 hasta 10³ s.
Un modelo teórico que nos permite explorar las estructuras moleculares y sus evoluciones en el tiempo, en función de las distintas condiciones físicas y químicas del medio, es el conocido como Dinámica Molecular (DM). La DM simula los movimientos moleculares para visualizarlos en tiempo real. Los períodos de tiempo estudiados son del orden de varias decenas de picosegundos (ps, 10^-12 s), si bien se generan estructuras cada femtosegundo (fs, 10^-15 s). Cada átomo se trata como una partícula que obedece las ecuaciones de Newton [F = m(d²r/dt²)] y que está ligado a los otros átomos que forman la molécula por una función de energía potencial que tiene en cuenta las distintas interacciones entre ellos. Las integraciones sucesivas de esta ecuación en función del tiempo proporcionan una trayectoria del átomo. Es importante remarcar que este modelo nos proporciona estructuras promediadas en el tiempo de simulación. La introducción de la variable tiempo, así como la posibilidad de evaluar propiedades termodinámicas (temperatura, capacidad calorífica…) promediadas en el tiempo, hacen de estos modelos de DM una visión aceptable de una realidad dinámica. La inclusión de la variable tiempo en el análisis de la estructura molecular proporciona una increíble cantidad de detalles, aun cuando el tiempo asumido en el estudio sea pequeñísimo.

Las aplicaciones actuales de la DM son, entre otras, el análisis conformacional de macromoléculas (proteínas, polímeros...), gracias al cual podemos estudiar las variaciones de conformación de una estructura, como podemos ver en la figura de la página anterior. Se trata de cuatro instantáneas de una simulación teórica, llevada a cabo en nuestro laboratorio, del biopolímero cutina, un poliéster de ácidos grasos hidroxilados presente mayoritariamente en la cutícula vegetal de frutos y hojas. Las imágenes corresponden a las conformaciones obtenidas tras 11 (modelo A), 25 (B), 32 (C) y 41 (D) ps de simulación, equilibrada a 303 K. Se distinguen las cadenas metilénicas en gris y los oxígenos, en tono más oscuro, de hidroxilos, carbonilo y enlaces éster que unen el biopolímero (los hidrógenos se eliminaron para una mayor claridad). La superficie más externa representa el volumen molar teórico y permite apreciar cómo se forman y cierran huecos en el polímero, autoensamblaje y posterior expansión del biopolímero, a medida que los esqueletos de enlaces carbono-carbono varían su conformación.
Otra aplicación importante  de la DM es el cálculo de coeficientes de difusión de solutos en plásticos artificiales, membranas lipídicas y biopolímeros, así como la formación de clusters de agua alrededor de proteínas y las interacciones entre componentes de distintos componentes de un sistema complejo, como es el caso de la lignina con las microfibrillas de celulosa.
Sin embargo, una importante aplicación de la DM como es su uso en las aulas, aún no se ha extendido notoriamente, y hay que entender las dificultades técnicas que su uso conlleva. No obstante, habría que evaluar sus ventajas como herramienta para imprimir en el estudiante el carácter dinámico de los sistemas biológicos, aun más a nivel molecular, y lograr una mejor comprensión de los fenómenos moleculares a veces tan difíciles de asimilar mentalmente.

Antonio Matas es alumno de 4º curso de la Licenciatura de Biología
Antonio Heredia es Profdesor Titular de Bioquímica en la Universidad de Málaga