LO INVITAMOS A VER LAS MOLÉCULAS
EL USO DE PROGRAMAS DE MODELOS
TRIDIMENSIONALES
EN EL APRENDIZAJE DE QUÍMICA
La animación, el color y la interactividad hacen que las moléculas
adquieran vida para los estudiantes desde los primeros años escolares
hasta la universidad.
Aprender los nombres químicos de sustancias
simples que se encuentran en la casa, como sal, vinagre, sirope de maíz
y polvo de hornear, siempre ha sido un reto para los alumnos de Kathryn
Bremner en el grado sexto del Colegio de Secundaria Básica (6º
a 9º )Thomas Harrison.
Ellos cuentan ahora con una nueva herramienta que les ayuda a visualizar
en el computador estas moléculas en tres dimensiones. Esta profesora
de Harrisonburg, Virginia (USA), no renunció a ninguno de sus
planes de clase para que esto pudiera ocurrir; por el contrario, para
lograrlo utilizó RasMol, un programa gratuito de visualización
molecular. ¿Por qué lo hizo? Porque le permitió,
sin incurrir en costos adicionales, utilizar la tecnología en
su materia, de manera interactiva, práctica y divertida para
que sus estudiantes aprendieran sobre moléculas. Por ejemplo,
el sirope de maíz está conformado por moléculas
de glucosa y éstas se pueden dibujar en el tablero en dos dimensiones
(Imagen A en la Ilustración 1) o se puede mostrar y manipular
con RasMol en tres dimensiones (Imagen B en la ilustración 1).
Vea usted mismo la diferencia (Nota del Autor: Hay
un nuevo software disponible en la página principal de RasMol:
Explorador de Proteínas. Todavía no lo he utilizado, pero
parece que resultará un recurso útil [1]. / Nota
del Editor: Podrá encontrar las direcciones de los sitios
que hemos mencionado en la sección de recursos al final de este
artículo [2]).
Ilustración 1: Las imágenes
A y B son representaciones diferentes de una molécula de glucosa.
Visualizar las moléculas en tres dimensiones juega un papel importante, desde los primeros años de bachillerato hasta la universidad, no solo en la enseñanza de la bioquímica sino en cómo las moléculas interactúan entre sí. Los programas de visualización molecular permiten a los estudiantes examinar las moléculas en forma interactiva. Por ejemplo, el Dr. William McClure del Departamento de Ciencias Biológicas en la Universidad Carnegie Mellon afirma: "La estructura molecular es fundamental para la comprensión pero las estructuras químicas también son esenciales. El aspecto tridimensional es especialmente importante en la bioquímica, donde el tamaño, la forma y la polaridad de las [macro] moléculas determinan su función". En vez de utilizar programas completos de modelos moleculares, que pueden ser difíciles e incómodos de manejar (especialmente con moléculas grandes) los programas de visualización molecular permiten a los usuarios:
- rotar toda la imagen en tres dimensiones para ver las partes que no se pueden visualizar en una representación bidimensional y ver así la forma de la molécula (lo que a su vez determina su función);
- activar o desactivar la rotación de ciertas partes de la representación visual para ver distintas cadenas, sub-unidades y tipos de sub-moléculas; y
- medir ángulos dentro de la estructura. Las medidas de ángulos indican la forma de la molécula y si ella tiene en su interior enlaces sencillos, dobles o triples.
"La mayoría de nosotros nos orientamos visualmente. Una gráfica con explicaciones textuales congruentes, enriquece mucho el aprendizaje y/o la comprensión. Me interesan y entusiasman estas formas de 'ver' el mundo invisible de las moléculas, y los estudiantes captan este entusiasmo", explica Dr. McClure.
LA VISUALIZACIÓN COMO HERRAMIENTA
El uso de herramientas de visualización molecular es muy conveniente
en las clases de biología, química y geología y
en todos aquellos cursos en los que puedan ser útiles los modelos
moleculares. La visualización de las moléculas en tres
dimensiones es muy conveniente cuando los alumnos están estudiando
las estructuras y funciones de las proteínas y los aminoácidos.
Este método tridimensional les ofrece ventajas sobre los métodos
de enseñanza convencionales. En especial, en la mayoría
de los cursos de bioquímica en los cuales se requiere que los
estudiantes se aprendan la estructura de cada uno de los 20 aminoácidos.
Este proceso de aprendizaje se puede enriquecer al ver estas moléculas
tridimensionalmente.
La visualización molecular utiliza un enfoque práctico
que complementa el método convencional del tablero y el libro
de texto, y ofrece así una imagen más rica, llamativa
e interactiva, que se puede recordar más fácilmente.
RasMol es un programa para representación gráfica de moléculas que busca visualizar las proteínas, los ácidos nucleicos y las moléculas pequeñas. Es una herramienta educativa poderosa para mostrar la estructura del ADN y de las proteínas. El programa se diseñó para presentar, enseñar y generar imágenes que se pudieran publicar. Con este programa se pueden ver, rotar y animar tanto moléculas pequeñas como moléculas y cristales grandes. Cada una de las perspectivas del modelo se puede guardar como una imagen diferente. (Véase la Sección: El Uso de Programas de Modelos Moleculares)
“Chemscape Chime” es un “plug in” (módulo de programa) gratuito, basado en “RasMol”, que se instala y permite que Internet Explorer pueda visualizar moléculas en tres dimensiones. (Nota: “Chime” no funciona en la última versión de Internet Explorer, funciona mejor con el Navegador Netscape 4.7x.) Las características esenciales de “RasMol” y “Chemscape Chime” son las mismas. Los dos programas muestran archivos guardados en el formato Banco de Datos de Proteínas (Protein Data Bank, PDB); el modelo Quake (MDL, por su sigla en inglés) y otros formatos menos comunes disponibles en la Red.
MODELOS EN EL AULA
“RasMol” ofrece un método único para enseñar
sobre aminoácidos [3] y es una herramienta muy útil que
los estudiantes pueden utilizar para aprender la estructura y composición
de los 20 aminoácidos. Los profesores pueden crear páginas
Web con enlaces “Chime” insertados que sirvan como tutoriales
para estudiantes tanto de bachillerato como universitarios; uno de estos
ejemplos es "Aminoácidos Combinados", creado por el
Dr. McClure. Los profesores pueden también alentar a sus estudiantes
para que creen sus propias páginas Web sobre una proteína
específica o un tutorial sobre los 20 aminoácidos. Los
profesores podrían pedir a los estudiantes que bajaran un archivo
PDB específico para redactar luego un ensayo en el que incluyeran
sus versiones modificadas de la molécula. Por ejemplo, una tarea
podría ser que los estudiantes descargaran el archivo 4hhb (en
formato PDB), que aparece en la Figura 2, de la página del PDB,
para luego llevar a cabo una investigación sobre la hemoglobina,
reuniendo información suficiente para redactar un informe corto
centrado en la estructura y la función. Los estudiantes pueden
enfocarse en un aspecto específico de la hemoglobina, como el
cambio de la estructura y de la función en presencia o ausencia
de oxígeno o, como difiere la hemoglobina fetal de la hemoglobina
del adulto. Los estudiantes pueden añadir ilustraciones con leyendas
detalladas, incluyendo una descripción de la figura y de las
referencias citadas. Al completar esta tarea, los estudiantes habrán
aprendido a manipular y guardar una imagen en “RasMol”,
ingresar una figura en un documento de Microsoft Word y, lo más
importante, la bioquímica en la que se apoya la hemoglobina.
Figura 2 - Ilustración de una
molécula de desoxihemoglobina.
Esta imagen se realizó como parte de una tarea sobre la hemoglobina.
El Cuadro fue creado por Cindy Klevickis en “RasMol”
utilizando el archivo PDB 4hhb creado a su vez por G. Fermi y M. C.
Perutz, 07-Mar-1984.
Los estudiantes de primaria pueden aprender sobre las propiedades del agua. ¿Qué es el hielo? ¿Cómo interactúan entre sí las moléculas del agua? ¿Qué le ocurre a las moléculas cuando la temperatura se incrementa o se baja? Utilice “RasMol” para dirigir el interés a las formas de los átomos que crean la molécula.
Para estudiantes de Secundaria Media, utilice las moléculas que se pueden encontrar en la Página Web “Visualización en Ciencia y Matemática” (Visualization in Science y Mathematics; VISM, por su sigla en inglés) para enseñarles sobre la calidad ambiental del aire. ¿Qué es la contaminación y qué moléculas actúan como contaminantes? ¿Qué es la capa de ozono? Utilice los archivos PDB para mostrar estas moléculas y permítale a cada estudiante manipular sus propias moléculas.
“RasMol” y “Chime” se pueden incorporar a las aulas de clase de química y biología de bachillerato, para que los estudiantes los utilicen y manipulen. Ensaye, utilizando archivos PDB para hacer una presentación de la estructura de los 20 aminoácidos. Utilice “RasMol” para resaltar el alpha carbón, grupo de los aminos, grupo de los carboxílicos y las cadenas laterales o secundarias. Solicite a sus estudiantes que descarguen un archivo PDB de la Página Web “VISM” y redacten un ensayo sobre su estructura, utilizando gráficas creadas por ellos mismos.
El uso de herramientas de visualización molecular para complementar otras formas de aprendizaje en el aula realmente ayuda a los estudiantes a dominar el material. Cuando se le pidió evidencia al Dr. McClure de que este método de enseñanza realmente funciona, el respondió: "Cuando se utilizan las páginas con la estructura ‘Chime’ en clase, como parte de las tareas y, además, aparecen como problemas en los exámenes, la respuesta de los estudiantes es muy positiva. Realizamos encuestas de retroalimentación en la clase de Bioquímica 1, dos veces por semestre. Las preguntas indagan sobre el nivel de utilidad que tienen en el aprendizaje los diversos materiales del curso; los temas de ‘Chime’ obtienen puntajes entre 3,5 y 4.0, sobre un máximo de 5.0."
UN EJEMPLO DE LA VIDA REAL
La primera vez que la Dra. Cindy Klevickis pudo entender la función
de las proteínas fue hace más de 30 años, cuando
su profesor de bioquímica le mostró diapositivas tridimensionales
y le suministró lentes tridimensionales para verlas. "Desde
que tuve esa experiencia, siempre he pensado que la bioquímica
debe enseñarse utilizando gráficas tridimensionales,"
afirma la Dra. Klevickis, quien enseña Aplicaciones para Computador
en Biotecnología, un curso orientado a estudiantes universitarios
de nivel superior. Este curso práctico se basa en proyectos y
los estudiantes crean sus propios tutoriales basados en la estructura
y las funciones de las proteínas. Klevickis afirma que el uso
de computadores en el aula hace que los estudiantes se centren en el
contenido del curso porque ellos tienen que aprender cómo funcionan
las proteínas antes de poder planificar un tutorial sobre estas.
Klevickis también considera que la biología es una materia inherentemente visual. La biología ocurre en tres dimensiones, pero es muy difícil visualizarla en forma tridimensional, y es aquí dónde entran a jugar un papel importante los programas de visualización molecular. Estos programas permiten a los usuarios observar una estructura tridimensional y un proceso de cambio animado, paso a paso.
Klevickis ha recibido sobre su clase retroalimentación muy positiva por parte de los estudiantes y, hasta ha tenido casos en los que ellos han podido utilizar lo aprendido directamente en su trabajo. Por ejemplo, uno de ellos actualmente trabaja con el Recurso de Información sobre Proteínas (PIR, por su sigla en inglés) en tanto que otro ha enseñado aplicaciones para computadores en instituciones de secundaria básica y, ha utilizado “RasMol” como parte de su currículo.
Los modelos moleculares son importantes para la Dra. Klevickis porque sus estudiantes ya no solamente memorizan datos, sino que comprenden la forma en que funcionan las cosas con sólo ver el proceso animado. "Es interesante, divertido y compromete a los estudiantes con el aprendizaje activo", dice ella, "¡Los estudiantes están llevando a cabo programación de computadores sin siquiera saberlo!" Y "a medida que el Proyecto del Genoma Humano evoluciona de la localización de genes hacia la comprensión de sus productos proteínicos, los modelos moleculares llegarán a ser una parte aún más importante de la bioinformática”.
LA BIOQUÍMICA EN NUESTRO MUNDO
Los 20 aminoácidos tienen un amplio rango de propiedades químicas
y, por lo tanto, la posibilidad de una gran diversidad de secuencias
proteínicas. Las cadenas lineales primarias de aminoácidos
se doblan o pliegan, para configurar formaciones tridimensionales específicas,
que se pueden ver y estudiar en “RasMol”. La biología
estructural es de gran importancia porque la estructura de una proteína
se relaciona de manera fundamental con su función. Cuando se
determina la estructura de una proteína, la función también
se puede establecer. Esto significa que se pueden desarrollar medicamentos
para que interactúen en formas específicas con la proteína.
Investigadores de todo el mundo esperan que esta línea de investigación
logre curar muchas de las enfermedades que perturban actualmente la
sociedad . Por lo tanto, el estudio de la estructura de las proteínas
es importante para la comprensión de la bioquímica y también
para la producción de beneficios prácticos, tanto para
los científicos como para los que no lo son.
EL USO DE PROGRAMAS DE MODELOS MOLECULARES
La mejor forma de entender las ventajas de usar estos programas de modelos
en el aula es descargarlos y examinarlos personalmente [2].
“RasMol”
Descargue la versión adecuada de “RasMol” que sea
acorde al sistema operativo de su computador (“RasWin” para
PC, “RasMac” para Macintosh, etc), instálela y luego
descargue un Archivo PDB (Banco de Datos de Proteínas) de la
Página Web “Visualización
en Ciencia y Matemáticas” (Visualization in Science
y Mathematics - VISM, por su sigla en inglés) “Klotho”
: Base de Datos Relacionales de Compuestos Bioquímicos o, del
Banco de Datos de Proteínas (Protein Data Bank – PDB, por
su sigla en inglés).
PDB es un sitio
internacional de intercambio para datos sobre estructuras macromoleculares
tridimensionales. Ha sido diseñada para que los investigadores
depositen y procesen en él, las estructuras macromoleculares
que estén estudiando. Cada archivo cita tanto el autor como la
publicación periódica en la que fue publicada la imagen.
Comencemos en la página de la “VISM”. Seleccione, “Colecciones de Archivos Personalizadas” (Customized Molecular File Collections); luego, “Estructuras de Amino Ácidos” (Amino Acid Structures). A continuación haga clic en el botón derecho del ratón (en los PC) o haga clic y mantenga pulsado el botón (en los MAC) en cualquiera de los archivos del PDB para guardarlo en su disco duro. Ejecute “RasMol” y abra el archivo que acaba de descargar.
Las imágenes aparecen primero en la caja de visualización RasMol (Figura 3) en forma de estructuras del tipo alambre. Utilice el menú de Visualización para cambiar el tipo de efecto visual a barras y esferas, lazos u otros. Haga clic y sostenga el botón del ratón mientras mueve el cursor para rotar la molécula. Haga clic derecho en el ratón y manténgalo (en los PC) o mantenga pulsada la tecla de comando; luego coloque el cursor del ratón en la ventana de visualización (en los Mac) para mover la molécula de un lado al otro sin rotarla. Pulse y sostenga en esta posición la tecla de Mayúscula (shift) más clic y, mueva el cursor del ratón para acercar y alejar la figura. Use el menú de Colores para colorear la molécula con base en las distintas propiedades de sus componentes (por ejemplo, temperatura o estructura).
Figura 3. La estructura de L-leucina
de “Klotho”: Base de Datos Relacionales de Compuestos Químicos
(Biochemical Compounds Declarative Database).
También puede utilizar los colores para resaltar los distintos átomos que conforman la molécula. Vaya a la pantalla de comando [en la barra de tareas en un PC o detrás de la ventana de visualización en un Mac- (Figura 4)], seleccione un átomo, hidrógeno por ejemplo, digitando“seleccione hidrógeno” y finalmente cambie el color a azul digitando “color azul”.
Figura 4. Pantalla de Comandos de “RasMol”
Existen varias guías en la Red para ayudarles, a usted y a sus estudiantes, a dominar “RasMol” [2].
“CHIME”
“Chime” funciona en forma muy similar a “RasMol”,
pero es un módulo de programa (plug-in) del Navegador Netscape
(también funciona con Explorer), con el que usted podrá
trabajará en Internet con el navegador de su elección.
Descargue el “plug-in”, instálelo y abra el Navegador.
(Nota: En un Mac, es posible que tenga que aumentar la memoria al Navegador).
Es necesario acceder a un menú emergente (pop up) para hacer cambios a las moléculas que se muestren. Haga clic derecho en la imagen (PC) o para Mac, haga clic en el logo de MDL ubicado en la parte inferior derecha de la pantalla (Figura 5) En el menú de propiedades podrá cambiar la forma de visualización de la molécula, cambiar el color, activar o desactivar la rotación, rotular los átomos y guardar el archivo en su disco duro.
Figura 5. Los usuarios de computadores
Mac deberán hacer clic en el logotipoMDL
para tener acceso en Chime, al menú de propiedades.
Recuerde que en Internet podrá encontrar guías didácticas sobre “Chime”.
RECURSOS
Software (Ver “Reseña de Software para Química”
http://www.eduteka.org/SoftQuimica.php)
Chemscape Chime: http://www.mdlchime.com/downloads/downloadable/index.jsp
RasMol: http://www.umass.edu/microbio/rasmol/index2.htm
Bernstein + Sons: http://www.bernstein-plus-sons.com/
Archivos PDB
Klotho: Base de Datos Declarativa de Compuestos Bioquímicos:
http://www.biocheminfo.org/klotho/compound_list.html
El Banco de Datos sobre Proteínas (Protein Data
Bank PDB): http://www.rcsb.org/pdb/
Moléculas R Us: http://molbio.info.nih.gov/doc/mrus/mol_r_us.html
Actividades en el Aula
Bioquímica en 3 Dimensiones -Principios Lehninger de Bioquímica
(nivel de bachillerato o universitario): http://www.worthpublishers.com/lehninger3d/index2.html
La Página Web acerca de la Visualización en Ciencias y
Matemáticas (VISM) (para principiantes): http://www.isat.jmu.edu/users/klevicca/VISM/vism.htm
Tutorías RasMol
RasMol en Español: http://www.ugr.es/~gebqmed/esrasmol.html
Manual de RasMol Version 2.6-beta-2 (Español): http://www.ugr.es/~gebqmed/rasmanual.html
Manual RasMol 2.7.2.1 (Español): http://www.bernstein-plus-sons.com/software/rasmol/doc/esrasmol27.html
Manual para producir Archivos “sript” (Español):
http://www.ugr.es/~gebqmed/rasscrip.html
Manual de Chime (Español): http://www.biorom.uma.es/contenido/ManualChime/index.html
Introducción al Modelado Molecular: http://www.usm.maine.edu/~rhodes/RasTut/
Manual de Referencia RasMol : http://www.umass.edu/microbio/rasmol/getras.htm#rasmanual
Tutoría RasMol: http://web.chemistry.gatech.edu/~williams/bCourse_Information/4581/labs/tbp/rasmol/rasmol_tbp_fset.html
NOTAS DEL EDITOR:
[1] Protein Explorer en español: Protein Explorer
es un programa derivado de RasMol que permite, en forma simple pero
potente, investigar la estructura de macromoléculas y su relación
con la función. http://www2.uah.es/biomodel/pe/inicio.htm
[2] Ver “Reseña de Software para Química”
http://www.eduteka.org/SoftQuimica.php
[3] RasMol también incluye los tipos de enlace
amino carbónicos.
CRÉDITOS:
Traducción realizada por EDUTEKA del Artículo original
“Come See the Molecules" escrito por Rachel Malinowski, Cindy
Klevickis y Robert Kolvoord y publicado en el Número 4 del Volumen
29 de la revista Learning & Leading with Technology (http://www.iste.org/LL/29/4/index.cfm).
Rachel Malinowski (rachelhelene@hotmail.com)
se graduó en Mayo de 2001 en la Universidad James Madison con
especialización en ciencias integradas y tecnología. Estudió
con la Dra. Klevickis un curso sobre Aplicaciones Informáticas
en Biotecnología. Le interesa la enseñanza de ciencia
y tecnología y actualmente trabaja en la Compañía
Farmacéutica Novartis en Gaithersburg, Maryland.
Cindy Klevickis, PhD (klevicca@jmu.edu),
colaboró en la redacción este artículo. Es profesora
asociada en ciencias integradas y tecnología en la Universidad
James Madison. Obtuvo un PhD en biofísica en la Universidad de
Virginia y se especializa en modelado de proteínas y espectroscopia
de resonancia magnética. La Dra. Klevickis utiliza RasMol y Chime
para enseñar Aplicaciones Informáticas en Biotecnología.
Si desea ponerse en contacto con ella la Dra. Klevickis puede escribirle
escríbale a James Madison University. MSC 4102, Harrisonburg,
VA 2280; www.isat.jmu.edu/klevickis.htm.
Robert Kolvoord, PhD (kolvoora@jmu.edu),
también colaboró en la redacción este artículo.
Es profesor asociado en el programa de ciencias integradas y tecnología
y en la Facultad de educación en la James Madison University.
Obtuvo su PhD en mecánica teórica y aplicada en la Universidad
de Cornell. Sus intereses incluyen hipermedios, la hipermedia, la visualización
científica, la tecnología educativa, el modelado y la
simulación numérica. El Dr. Kolvoord organiza el taller
de Visualización en Ciencias y Matemáticas (VlSM, por
su sigla en inglés) en la citada Universidad James Madison, financiado
por la Fundación Nacional de la Ciencia, que incluye temas sobre
las técnicas y la aplicación de la visualización
de datos para profesores de matemáticas y ciencias. Si desea
ponerse en contacto con el Dr. Kolvoord escríbale a: James Madison
University. MSC 4102, Harrisonburg. VA 22807; www.isat.jmu.edu/kolvoord.htm.
EDUTEKA agradece muy especialmente a Guillermo Gutiérrez, profesor
de Química del Instituto Nuestra Señora de la Asunción
(INSA http://www.insa-col.org/
), por la revisión y comentarios realizados a esta traducción
.
Publicación de este documento en EDUTEKA:
Abril 03 de 2004.
Última modificación de este documento: Abril 03 de 2004.
- ¿Qué pasa con la ingeniería en Colombia?
- Pisa 2006 – Hallazgos Fundamentales
- Evaluación Pisa 2006
- Nuevos Módulos de Simulaciones Listos para Descargar
- Declaración de la NSTA sobre el Uso de la Tecnología
- Recursos en EDUTEKA para cumplir con los Estándares en Ciencias Naturales
- Biodiversidad, Colombia País de Vida
- Cómo Planear una Visita Escolar a un Zoológico
- De Visita por los Museos de Ciencias en la Red
- Recolección de Datos con Sondas y Sensores
| Última actualización del Sitio: Junio 1 de 2008 AVISO IMPORTANTE:
Este documento puede ser descargado, copiado e impreso solo para fines
no comerciales.
|
