Dibujo de moléculas empleando el programa ISIS/Draw


Introducción

ISIS/Draw es un programa de dibujo molecular muy completo, que permite dibujar desde las estructuras químicas más simples hasta las más complejas, en forma rápida y sencilla. Su manejo es intuitivo y fácil de aprender, y sólo requiere conocimientos básicos de Química General y Orgánica.

El propósito de este tutorial es que aprendas la forma de usar ISIS/Draw para dibujar moléculas como la de la figura siguiente.

Tiamina

Esta es la estructura de la Tiamina o vitamina B1. Una de las muchas moléculas que conocerás a lo largo del curso. Cuando domines el contenido del tutorial, podrás dibujar una molécula como esta en unos cuantos minutos.

Instalación del Programa

Para realizar el tutorial, necesitas tener instalado en tu computadora el programa ISIS/Draw. Para instalar el programa descarga el archivo draw25.exe y ábrelo. Realiza la instalación con las opciones sugeridas. Si tienes problemas consulta con tus profesores.

Dibujo de moléculas sencillas

Inicia ISIS/Draw. Se abre una ventana con su barra de menu y una página en blanco con dos barras de herramientas. A la izquierda está la barra de herramientas de dibujo. En la parte superior de la hoja está la barra de herramientas de plantillas, para insertar moléculas pre-dibujadas como ciclohexano y anillos aromáticos.

En la figura siguiente se describe la barra de herramientas de dibujo, como puedes ver, la mayoría de ellas son auto explicativas. Como se hace explicito en la figura, los botones que tienen una flecha pequeña en la esquina inferior derecha, se expanden para formar un menú de opciones, cuando se mantienen presionados durante un segundo.

Herramienta

Botón

Seleccionar con lazo/Seleccionar/Seleccionar molécula

Barra de herramientas de dibujo

Rotación 2D/Rotación 3D

Borrador

Átomo

Enlace sencillo/doble/triple

Cuña arriba/abajo/cualquiera/enlaces arriba/abajo

Cadena/Enlaces consecutivos

Más

Flechas

Mapeo átomo-átomo

Secuencia/Forma

Paréntesis

Texto

Línea/Línea continua/Arcos circular/elíptico

Rectángulo/Esquinas redondeadas/polígono/elipse

La figura siguiente corresponde a la barra de plantillas. Las figuras dibujadas en cada botón, corresponden a las moléculas que se insertan con cada uno de ellos

Barra de herramientas de plantillas

Haz clic en el botón de Enlace y después haz clic en algún lugar de la página en blanco. Se dibuja un enlace simple, que se muestra como una línea semejante al de la figura siguiente.

Enlace sencillo

Cada extremo de la línea es un átomo de Carbono, por lo que esta estructura correponde al Etano. ISIS/Draw omite la letra C, como se acostumbra al dibujar estructuras químicas. Tampoco se muestran los átomos de Hidrógeno, pero el programa contabiliza el número apropiado a cada carbono, en forma automática.

Ahora coloca el apuntador sobre cualquiera de los extremos de la línea. Aparece un cuadro pequeño sobre él. Haz clic y a partir del extremo seleccionado se dibuja un nuevo enlace, con el ángulo apropiado. El dibujo será parecido a la figura siguiente, aunque no necesariamente con la misma orientación, y corresponde a la notación abreviada del Propano.

Propano

Con la herramienta Enlace se puede dibujar cualquier tamaño de molécula, basta hacer clic sobre el átomo en el que se desea iniciar un nuevo enlace para dibujar el enlace hacia otro átomo de Carbono.

En muchas ocasiones es necesario hacer explícitos los símbolos de los elementos que forman la molecula. Haz clic en el menú Edit y después en Select All. Se selecciona toda la molécula, puedes ver que es así, porque queda rodeada por cuadros negros.

Seleccionar molécula

Ahora haz clic en el menú Object y después en Edit Molecule. Se habre el cuadro de diálogo Editar Molécula.

Edit Molecule

En la pestaña Atom busca el menú deplegable Hydrogens, selecciona Auto positión y despues haz clic en OK. La molécula se dibuja con los simbolos de los elementos químicos.

Símbolos explícitos

¿Y el Metano?

Haz clic en la herramienta Borrador, apunta al Carbono de uno de los extremos del Propano y haz clic, se borra el Carbono, junto con los Hidrógenos. Observa que el carbono donde iniciaba el enlace, queda con el número correcto de Hidrógenos.

De la misma manera, borra otro de los dos átomos restantes. El resultado es que se borra toda la molécula. No es posible obtener el Metano de esta manera.

Para dibujar el Métano haz clic en la herramienta Átomo y después en cualquier parte de la hoja, se habre un menú desplegable cuya primera opción es el Carbono, selecciónalo haciendo clic sobre él.

Símbolos explícitos

Se dibuja el Metano como una letra C. Puedes hacer explícitos los átomos de Hidrógeno de la misma manera que hiciste con el Propano

Dibujo de moléculas más complejas

Como ejemplo de una molécula más compleja dibujarás el aminoácido Glicina, que se muestra en la figura siguiente.

Glicina

Utiliza la herramienta Enlace para dibujar una cadena horizontal de cuatro átomos de Carbono, sólo necesitas tres clics para hacer esto. Haz clic en el segundo átomo de la derecha para añadir una ramificación. A continuación, hay que cambiar algunos de los átomos de Carbono por hetoroátomos (o sea átomos que no son Carbono ni Hidrógeno).

Haz clic en el botón de la herramienta Átomo. Apunta al Carbono del extremo derecho (debe aparecer sobre él un cuadro pequeño) y haz clic. Aparece el menú desplegable que ya conoces. Selecciona la O para cambiar el átomo de Carbono en Oxígeno. De la misma manera, cambia el Carbono de la ramificación a Oxígeno. Ahora, haz clic sobre el átomo del extremo izquierdo, y cambia el Carbono por Nitrógeno (N).

El enlace al Oxígeno ramificado debe ser doble. Hay dos formas de insertar un enlace doble en ISIS/Draw. La forma más simple es hacer clic sobre un enlace simple con la herramienta Enlace simple. Esto aumenta el orden de enlace a 2.

Haciendo clics consecutivos sobre un enlace con esta herramienta, cambia el orden de enlace en forma cíclica entre 1, 2 y 3. En el caso de este enlace de la Glicina, no es posible el orden de enlace de 3. De esta manera, se pueden insertar enlaces múltiples en cualquier lugar de una estructura, o convertir un enlace múltiple en sencillo.

Otro método de insertar un doble enlace es haciendo clic y manteniendo presionada la herramiento Enlace para abrir el menú, y seleccionando el Enlace doble. Con esta herramienta activa, se pueden dibujar enlaces dobles de la misma manera que los enlaces simples.

En la estructura de la Glicina de la figura anterior, los Hidrógenos en los heteroátomos se muestran en forma explícita, como es la convención habitual. Para activar la opción de hacer visibles los átomos de Hidrógeno, haz clic en Options, en la barra de menú, y después en Settings. Se abre el cuadro de dialogo Preferencias

Settings

En la pestaña Chemical Drawing, hay un menú deplegable llamado Show hydrogen labels. Por defecto, está en Off. Para mostrar los Hidrógenos de heteroátomos, selecciona On Hetero. Haz clic en OK. Si, como en este caso, hay estructuras dibujadas, ISIS/Draw pregunta si se desea aplicar los ajustes al dibujo. Haz clic en Yes. El dibujo final debe ser semejante al de la figura de la Glicina que está arriba.

La opción On Hetero or Terminal, sirve para mostrar Hidrógenos sobre heteroátomos y átomos de los extremos de una molécula y, como te podrás imaginar, la opción On All, sirve mostrar los Hidrógenos en todos los átomos.

También se puede cambiar el tipo de átomo seleccionando el átomo o átomos que desees cambiar, con el apuntador. Después haz clic en el menú Object, y en Edit Atom. Se abre el cuadro de diálogo Edit Atom, que ya conociste como Edit Molecule. En el menú desplegable Symbol, selecciona el símbolo del átomo deseado. Si no se encuentra, selecciona Periodic Table. Se abre una tabla periódica en la que puedes seleccionar cualquier símbolo. Para los casos simples, este procedimiento alternativo probablemente no tiene ninguna ventaja. Sin embargo, permite editar varios átomos a la vez, y también cambiar otras propiedades.

Como usar las plantillas

ISIS/Draw cuenta con muchas plantillas que se utilizan para dibujar moléculas grandes y complejas. La barra de herramientas plantillas, que ya conoces, es útil para dibujar varios tipos de moléculas cíclicas.

Haz clic en el botón del anillo de Benceno. Ahora, haz clic en cualquier lugar de la página para colocar el anillo. Apunta a uno de los enlaces verticales del Benceno, verás que está seleccionado porque aparece un rectángulo rodeando el enlace. Haz clic para dibujar un nuevo anillo, fusionado con el primero, sobre el enlace seleccionado. Ahora apunta a cualquiera de los átomos del lado derecho de la molécula y haz clic. Se dibuja otro anillo, pero unido mediante un enlace sencillo con el átomo sobre el que apuntaste. La estructura formada corresponde al 2-fenilnaftaleno y debe ser semjante a la figura siguiente.

2-Fenilantraceno

Además de las estructuras básicas de la barra de herramientas de plantillas, ISIS/Draw tiene muchas más. Al seleccionar un conjunto de plantillas en el menú Templates se abre una ventana que contiene muchas estructuras pre-dibujadas que se inserta haciendo clic en la estructura y después en el sito de la página donde se va a insertar. Las estructuras de las plantillas se pueden añadir como moléculas individuales o fusionarse con enlaces o átomos ya existentes, como hiciste con el anillo de benceno.

Guarda tu trabajo.

Los archivos de ISIS/Draw se guardan usando la barra de menú. Haz clic en File y después en Save, se abre el cuadro de dialogo Guardar Como.

Save As

Usa el menu desplegable Guardar en: para seleccionar le carpeta donde deseas guardar el archivo. En el cuadro Nombre: escribe el nombre con que del archivo y has clic en Guardar.

Repaso

Para practicar todo lo que has aprendido sobre el dibujo de moléculas con ISIS/Draw, usaremos como ejemplo la molécula de Morfina, cuya estructura se muestra en la figura siguiente. Este dibujo fue obtenido del artículo del mismo nombre de Wikipedia. Al concluir el repaso, habrás reproducido esta figura.

Morfina

Antes de empezar a dibujar, necesitas una hoja en blanco. En la barra de menu has clic en Edit y después en Select All. Se selecciona todo el contenido de la hoja. Nuevamente has clic en Edit y depués en Clear, se borran todos los dibujos seleccionados.

También se puede abrir una hoja en blanco en la barra de menu, haciendo clic en File y después en New.

Dibujo del esqueleto básico.

La estructura de la Morfina está formada por 5 anillos fusionados, cuatro están en el mismo plano y el quinto sale hacia delante del plano. La forma más rápida de dibujar esta estructura es usando la barra de herramientas de plantillas.

Para comenzar, dibuja una molécula de Benceno haciendo clic en el botón del Benceno, y después en cualquier lugar de la ventana de dibujo.

NOTA: Recuerda que al momento de dibujar las moléculas, ISIS/Draw crea únicamente átomos de Carbono.

Haz clic en la plantilla del Ciclohexano (cuarto botón de izquierda a derecha) Apunta al enlace inferior derecho del Benceno, cuando se marque con un rectángulo, ház clic para dibujar el ciclohexano fusinado.

Dibuja otro Ciclohexano fusionado al enlace inferior izquierdo del ciclohexano que acabas de dibujar. Debes obtener una estructura como la que se muestra en la figura siguiente.

Paso 1

Para continuar, en la barra de herramientas de dibujo selecciona el Enlace sencillo.

Haz clic sobre los carbonos superior e inferior del borde izquierdo de la molécula (los que están marcados con flechas en la figura siguiente) para dibujar los sustituyentes correspondientes a estas posiciones. Observa que los enlaces se dibujan con un ángulo apropiado a la forma hexagonal del anillo.

Paso 2

Agrega sustituyentes a los dos carbonos intermedios del borde izquierdo de la molécula (los que están marcados con asterícos en la figura siguiente). Como puedes ver, así no se puede dibujar el anillo de cinco lados que falta.

Paso 3

Haz clic en la herramienta Borrador. Para borrar los dos sustituyentes que no sirven apunta a ellos, hasta que se forme un cuadrado alrededor del Carbono del extremo o un rectángulo alrededor del enlace, y haz clic.

Nuevamente selecciona la herramienta Enlace sencillo. Apunta al carbono inferior del lado izquierdo del anillo de Benceno, arrástra el apuntador hacia el punto medio de la distancia que lo separa del Carbón superior del borde izquierdo del Ciclohexano inferior, manteniendo presionado el botón principal del ratón, y suéltalo cuando llegues ahí. Observa que se dibuja un enlace de longitud igual a la del resto de la molécula.

Ahora apunta al Carbono superior del borde izquierdo del Ciclohexano inferior y arrastra el apuntador hasta el Carbono que acabas de dibujar. Observa que se dibuja un enlace de la longitud apropiada para unir los dos átomos, aunque no sea de longitud estándar.

Para dar forma al pentágono, haz clic en la herramienta Seleccionar. Apunta al Carbono donde se unen los dos enlaces que acabas de dibujar y arrástralo hasta una posición intermedia, para formar un pentágono semejante al de la figura de la Morfina. El resultado debe ser semejante a la figura siguiente.

Paso 4

Usando las herramientas que empleaste para dibujar el pentágono, dibuja el anillo que está hacia el frente de la molécula. Trata de dibujar los enlaces en los mismos ángulos que tienen en la figura de la Morfina.

Ahora dibuja los enlaces que corresponden al grupo Metilo y los dos Hidrógenos, usando la herramienta Enlace sencillo. Asegúrate de dibujarlas en las posiciones correctas. El resultado debe ser semejante a la figura siguiente.

Paso 5

Para conservar la estructura básica, guarda el archivo con el nombre Morfina. De esta manera si tienes algún problema en los pasos siguientes, puedes recuperar el archivo original.

Dibujar los enlaces múltiples y los enlaces en cuña.

Selecciona la herramienta Enlace doble. Haz clic sobre el enlace correspondiente de la estructura de la Morfina, cuando se dibuje un rectángulo alrededor del enlace, se dibuja el doble enlace. Observa qué sucede si haces clic otra vez sobre el enlace doble con la misma herramienta. Esta propiedad de la herramienta Enlace doble es útil para dibujar los enlaces dobles en la forma más clara posible.

Selecciona la herramienta Cuña arriba. Haz clic sobre los enlaces que van a los átomos de Hidrógeno de la Morfina y en los dos enlaces que salen del Ciclohexano intermedio. Los enlaces se dibujan como cuñas. Nuevamente prueba haciendo clic sobre las cuñas con la misma herramienta para observar las propiedades de esta herramienta.

Ahora selecciona la herramienta Enlace superior y haz clic sobre los dos enlaces que cierran el anillo que sale del plano de la Morfina. Recuerda que se modifican los enlaces cuando están encerrados en el rectángulo de selección.

Finalmente utiliza la herramienta Cuña abajo, para dibujar el enlace hacia abajo del grupo OH inferior de la Morfina. Al terminar todas estas maniobras tu estructura debe verse como la figura de la derecha.

Agregar Hetroátomos y grupos químicos.

Selecciona la herramienta Seleccionar para seleccionar el átomo del pentágono que corresponde al Oxígeno de la Morfina y haz clic en la opción Object de la barra de menús. En la lista que se despliega selecciona Edit Atom para abrir la ventana de edición. En la pestaña Atom, haz clic en la flecha de la lista Symbol y selecciona el símbolo del Oxigeno. Haz clic en el botón OK. Ahora debe aparecer el símbolo del Oxigeno en la posición seleccionada de la molécula.

De la misma forma, dibuja los símbolos del Nitrógeno y los dos Hidrógenos, en las posiciones apropiadas de la molécula.

Para dibujar el radicar Metilo del N de la molécula, selecciona el extremo del enlace correspondiente y nuevamente haz clic en Object y después en Edit Atom. Observa que en la ventana Edit Atom, el símbolo corresponde al Carbono de modo que no es necesario cambiarlo. Para que se dibuje el Carbono con Hidrógenos haz clic en la flecha de la lista Hydrogens y selecciona la opción Auto position. Debe dibujarse el grupo correspondiente en el recuadro inferior de la ventana, y al hacer clic en el botón OK, se debe dibujar el Metilo en la Morfina.

De la misma manera dibuja los dos sustituyentes OH que faltan para completar la Morfina. El resultado final debe ser semejante a la figura siguiente.

Mejorando la molécula.

Los símbolos de los elementos se ven grandes. Haz clic en la opción Edit de la barra de herramientas y después en Select All. Ahora haz clic en Object y después en Edit Molecule. En la ventana Edit Molecule selecciona la pestaña Font y cambia el tamaño de letra a 10 puntos con estilo Bold

En el extremo derecho superior de la ventana se encuentra la lista que controla el grosor de las líneas de los enlaces, cambia el valor a 1.2 puntos. Haz clic en el botón OK.

Para añadir una etiqueta con el nombre de la molécula selecciona la herramienta Texto y haz clic debajo de la estructura de la molécula y escribe el nombre Morfina.

Selecciona la herramienta Seleccionar y haz doble clic sobre el nombre de la molécula. En la ventana que se abre cambia el tipo de letra a Times New Roman con estilo Bold.

Es posible alinear la molécula con su etiqueta, para ello, en la barra de herramientas haz clic en <>Edit y después en Select All. Ahora haz clic en Object y después en Align. En la ventana que se abre selecciona la opción <>Left/Right Centers y haz clic en el botón OK. La etiqueta se alinea al centro de la estructura. Ahora tu molécula debe verse como la figura siguiente.

Otros recursos de ISIS/Draw

Este programa tiene muchas otras utilidades, sólo mencionaremos algunas de las más notables.

Plantillas

En su instalación estándar, ISIS/Draw cuenta con una biblioteca de más de 250 plantillas de compuestos importantes incluidos aminoácidos y glúcidos. Para usar estas plantillas basta desplegar la lista de categorías, haciendo clic en la opción Templates de la barra de menús, y seleccionar la clase de moléculas que buscamos, se abre una ventana que muestra las moléculas de la biblioteca. Haciendo clic en la molécula que nos interesa y después clic en la ventana de dibujo, se copia la plantilla correspondiente.

Enlaces cruzados

Como puedes ver en la figura de la Morfina que está al inicio de este documento, uno de los enlaces del anillo que sale del plano de la Morfina se dibuja por arriba de un enlace del Ciclohexano. En ISIS/Draw también podemos dibujar los enlaces cruzados. Usando la herramienta Seleccionar haz doble clic sobre el enlace que va atrás de los dos que se cruzan, el que es vertical. Recuerda que la indicación de que el enlace está seleccionado es que se dibuja un rectángulo a su alrededor. En la ventana que se abre haz clic en la pestaña Bond, activa la opción Crossed bond y haz clic en el botón OK. Se dibuja la molécula dejando espacios en blanco para indicar cuál es el enlace que va por debajo.

Cálculo de propiedades moleculares

Cuando hemos dibujado la estructura de una molécula, podemos calcular algunas propiedades de la estructura. Usa la herramienta Seleccionar molécula para seleccionar únicamente la estructura de la Morfina. Haz clic en la opción Chemistry de la barra de menús, después en Calculate Mol Values y finalmente en Calculate. Se despliega una ventana con los datos calculados, que se pueden incluir en la ventana de dibujo haciendo clic en el botón Paste, como se ve en la figura siguiente.

Estas son las principales utilidades de ISIS/Draw pero no son todas, te invitamos a que explores su uso para que te familiarices con todos los recursos que pone a tu disposición. Recuerda que al igual que todas las herramientas, ISIS/Draw te será tan útil como hábil seas en su manejo.

Ejercicio de evaluación

Con lo que has aprendido, dibuja las estructuras de los compuestos que se muestran a continuación. Guarda cada una de las moléculas en un archivo con el nombre de la molécula que contiene. Envía los archivos recién dibujados y el de la Morfina, adjuntos a un mensaje, a la dirección de correo electrónico del curso (bioquímica_esm@yahoo.com.mx) El tema del mensaje debe ser ISIS y en el cuerpo del mensaje escribe tu nombre, tu grupo y una breve descripción de lo que estás enviando.

Para que tu trabajo se tome en cuenta, debes enviar el correo antes de las 24:00 h del jueves 3 de septiembre. Únicamente se tomarán en cuenta los trabajos que se reciban en tiempo y forma.

Aspirina

Tiamina

d-Alanina