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Observada la dinámica electrónica ultrarrápida en una molécula esencial para la vida

Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han logrado por primera vez inducir y medir la migración ultarrápida de carga en una molécula compleja. Este fenómeno precede cualquier reordenamiento estructural de las moléculas y es la base de un gran número de procesos biológicos. El trabajo se publica en la revista Science.


FUENTE | UAM - mi+d
21/10/2014
 
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Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han reportado en la revista Science la primera evidencia experimental de la migración de carga ultarrápida (dinámica electrónica a escala de attosegundos) en una molécula de interés biológico: el aminoácido fenilalanina.

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 tres o cuatro femtosegundos. /UAM
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 tres o cuatro femtosegundos. /UAM

La migración de carga fue inducida por un pulso de luz extremadamente corto, de duración de attosegundos, y fue detectada iluminando la molécula con un segundo pulso de luz, pocos attosegundos después. Un attosegundo es la millonésima parte de la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo, o lo que es lo mismo: la trillonésima parte de un segundo -en un segundo caben tantos attosegundos como segundos caben en 100.000 millones de años-.

De acuerdo con los resultados presentados, en los que también colaboraron investigadores de Italia y Reino Unido, la migración de la carga desde un extremo a otro de la molécula de fenilalanina tardó entre tres y cuatro femtosegundos (un femtosegundo equivale a mil attosegundos).

"Las simulaciones numéricas que hemos llevado a cabo nos 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", declara el director del trabajo, Fernando Martín García, del Departamento de Química de la UAM.

"La capacidad de provocar y observar la dinámica puramente electrónica en una molécula esencial para la vida es un paso crucial para futuras aplicaciones en la ciencia de attosegundos", señala por su parte la coautora Alicia Palacios Cañas, del mismo Departamento. "Nuestro trabajo -agrega- puede considerarse como una de las primeras contribuciones al campo de la attobiología".

DINÁMICA ELECTRÓNICA ULTRARRÁPIDA

Los pulsos de femtosegundos han contribuido, y siguen contribuyendo, a la investigación y comprensión de numerosas reacciones, muchas de ellas implicadas en importantes procesos biológicos. Del mismo modo, se espera que la posibilidad de observar la migración de carga a escala de attosegundos facilite la comprensión de los procesos físicos que rigen el transporte de electrones en procesos biológicos. "Estos avances nos podrán ayudar a comprender, por ejemplo, cómo la redistribución de carga inducida en ADN por una partícula de alta energía inicia un proceso de necrosis celular o mutación", explican los investigadores de la UAM.

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. /UAM
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. /UAM

Sin embargo, para que este tipo de estudios pueda desarrollarse con éxito, es necesario realizar simulaciones teóricas que permitan la comprensión de los fenómenos observados, según destacan los mismos investigadores: "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 de otros factores, como el papel del movimiento nuclear. En esta dirección trabajamos actualmente a través del proyecto XCHEM, que financia el Consejo Europeo de Investigación".

FENILALANINA: MOLÉCULA DE INTERÉS BIOLÓGICO

La fenilalanina es uno de los diez aminoácidos esenciales para el ser humano y, como tal, es un bloque constituyente de las proteínas. Este alfa-aminoácido aromático es precursor de proteínas tan importantes como la tirosina, la dopamina, la noradrenalina o la melanina. Algunos de sus derivados se utilizan en farmacología con efectos analgésicos y antidepresivos (DLPA) o edulcorantes (aspartamo). La fenilalanina se encuentra de forma natural en la leche materna, al igual que en alimentos ricos en proteínas, tales como carnes rojas, pescado, huevos, productos lácteos, garbanzos y lentejas. En embarazadas se recomienda un consumo controlado.


Referencia bibliográfica:
Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses, Science, octubre 17/2014.




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