Año Química 2011 Todo es Química

Dinámica electrónica ultrarrápida en moléculas esenciales para la vida

20 de octubre de 2014 · Investigación  |   ·

Usando pulsos de muy corta duración (attosegundos) para provocar una rápida ionización en el aminoácido fenilalanina se ha podido inducir y medir por primera vez la migración de carga ultrarrápida en una molécula compleja. La migración de carga que precede cualquier reordenamiento estructural de las moléculas es la base de un gran número de procesos biológicos.

Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con otros de Italia y Reino Unido, han descrito la primera evidencia experimental de la migración ultrarrápida de carga en una molécula de interés biológico: el aminoácido fenilalanina. Dicha migración de carga fue inducida por pulsos de luz de duración de attosegundos (un attosegundo es la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo) y fue detectada iluminando la molécula con un segundo pulso de luz unos attosegundos después. Los resultados de las medidas indican que la migración de la carga desde un extremo de la molécula al otro no tarda más de 3 o 4 femtosegundos (un femtosegundo es equivalente a 1000 attosegundos). Las simulaciones numéricas llevadas a cabo por los científicos de la UAM (ver figura 1) han permitido identificar de manera inequívoca que las rápidas variaciones de carga observadas se deben única y exclusivamente al movimiento ondulatorio de los electrones inducido por el pulso de attosegundos y no a cambios estructurales como los experimentados por proteínas y otras biomoléculas en diversos procesos biológicos.

La fenilalanina es uno de los diez aminoácidos esenciales para el ser humano y, como tal, bloque constituyente de las proteínas. Este alfa-aminoácido aromático (su estructura molecular se muestra en la figura 2) es precursor de proteínas tan importantes como la tirosina, dopamina, noradrenalina o la melanina. Algunos de sus derivados se utilizan por sus electos analgésicos y antidepresivos (DLPA) o edulcorantes (aspartamo). Se encuentra de forma natural en la leche materna, así como en alimentos ricos en proteínas (carnes rojas, pescado, huevos, productos lácteos, garbanzos, lentejas, etc), siendo recomendable controlar su uso por embarazadas.

La capacidad de provocar y observar dinámica puramente electrónica en estos constituyentes esenciales de la vida es un paso crucial en la ciencia de attosegundos, que se mueve progresivamente hacia la investigación de sistemas cada vez más complejos, y puede ser considerada como la primera contribución al campo de la attobiología.

De la misma manera que los pulsos de femtosegundos contribuyeron en su día (y aún contribuyen) a la investigación y la comprensión de numerosas reacciones implicadas en importantes procesos biológicos, la posibilidad de observar la migración de carga a la escala de attosegundos llevará al desarrollo de nuevos conceptos que faciliten la comprensión de los procesos físicos que rigen el transporte de electrones en procesos biológicos. Por ejemplo, cómo la redistribución de carga inducida en ADN por una partícula de alta energía podría iniciar un proceso de necrosis celular o mutación. Sin embargo, para que este tipo de estudios pueda desarrollarse con éxito, es absolutamente indispensable la realización de simulaciones teóricas que sirvan de guía para la comprensión de los fenómenos observados. Para que tales estudios sean viables en moléculas biológicas aún más complejas que la fenilalanina, será necesario realizar experimentos más sofisticados y extender los métodos teóricos existentes para dar cuenta del movimiento nuclear. En esta extensión se está trabajando actualmente en el proyecto XCHEM (“XUV/X-ray lasers for ultrafast electronic control in chemistry”, ERC-AdG-nº 290853) financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC).

 martin_Science_Fig 1

Figura 1: Imágenes instantáneas de la distribución de carga en el confórmero más abundante de fenilalanina.  La densidad de carga puede tomar valores positivos (de color amarillo) o negativos (de color púrpura). La migración de la carga desde un extremo de la molécula al otro no tarda más de 3 o 4 femtosegundos.

martin_Science_Fig 2

Figura 2: Estructura molecular del confórmero más abundante de la fenilalanina, uno de los aminoácidos esenciales para el ser humano. Las esferas gris oscuro representan átomos de carbono, las esferas gris claro átomos de hidrógeno, la esfera azul nitrógeno y las de color rojo oxígeno.

Referencia:

Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses
F. Calegari, D. Ayuso, A. Trabattoni, L. Belshaw, S. De Camillis, S. Anumula, F. Frassetto, A. Palacios, P. Decleva, J. B. Greenwood, F. Martín, M. Nisoli
Science 346, 336-339 (2014). DOI:10.1126/science.1254061

Remitido por:
Beatriz Martín Llorente
Universidad Autónoma Madrid

 

1 Comentario en “Dinámica electrónica ultrarrápida en moléculas esenciales para la vida

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