ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

DESDE EL COSMOS HASTA NUESTROS SENTIDOS, LA CURIOSA HISTORIA DE UN ELEMENTO EXTRAÑO: EL BERILIO (continuación) 

El Berilio y la química de la visión del color

En nuestro viaje interior, del Cosmos, a la Tierra, y de ésta al Hombre, a través de nuestros sentidos, hemos llegado justamente a la parte más difícil y más desconocida; la parte humana.

)Como captamos el color verde o el azul?

Cuando un fotón con esta energía, llega a nuestros ojos, y penetra hasta nuestra retina, alcanza en su fondo una determinada membrana con unas células en forma cónica, y denominadas por ello  conos. Allí un determinado compuesto químico, el conocido  cis retinal, la absorbe, con lo cual vence una barrera rotacional que le impedía tomar la configuración trans,  según la reacción química:cis-retinal + hn = trans-retinal

Pero los hechos no son tan fáciles, ya que esta reacción desencadenará una serie de acontecimientos curiosos.

Veamos por qué.Las estructuras del cis retinal y del trans retinal ligados en nuestro órgano a una proteína G, son las siguientes (fig.1 y 2): 

Fig.1

Fig.2

Como vemos no sólo se rompe una interacción por puente de hidrógeno, sino que  la situación de los carbonos 10,11, 12 y 13 ha variado (fig.3)

El doble enlace entre el C-11 y C-12, implica que los carbonos estén en hibridación sp², y la superposición π, impide el giro. Para que pueda hacerlo, deberá absorber la energía necesaria para romper el enlace π .

Fig.3

Ahora bien, el cis retinal, como se ha mencionado, no está sólo, sino unido formando una base de Schiff, al grupo imino de  un tipo de proteínas denominadas G, por portar el grupo de aminoácido guanidil. El cis retinal excitado comienza a oscilar y a rotar, y este hecho da lugar a una serie de movimientos conformacionales que mejoran el espacio entre el H del C-10, y un grupo metilo del C-13, muy próximos en la forma cis, y en disposición eclipsada o sin-periplana, lo cual justifica  la rapidez con que se produce el cambio de conformación, así como el excelente rendimiento cuántico del proceso; cerca del 67%. Ahora bien,  la estructura de la proteína, hace que  uno de sus terminales acídicos, forme un puente de hidrógeno con el H⁺, del grupo imino. Por ello cualquier giro o cambio de conformación en el  cis retinal, provocará una disposición diferente de la proteína, tipo opsina.

La barrera torsional que implica el cambio de estructura, es diferente según el grado de protonación de la reacción, debido a que la presencia de H⁺, modifica el puente de hidrógeno. Por ello, aunque a determinada concentración necesita un  máximo de energía libre de 10 kcal/mol, sin contar con el carácter endergónico de la reacción, que supone otras  35 kcal/mol, puede variar según se aprecia en la gráfica (fig.4).

En muchos casos la barrera torsional alcanza las 45 kcal/mol, pero  la energía de activación de Arrhenius, oscila entre 20 y 36 kcal/mol.

Es curioso que las oscilaciones a 60 cm^-1, son las que originan una mejor torsión del esqueleto carbonado, y por otra parte es muy importante para la distinción de los colores, ya que el ángulo de torsión está en función de la longitud de onda recibida, así por ejemplo, la absorción en los 550 nm, tiene lugar especialmente cuando la torsión es de 1801.

Fig.4

El cis retinal, está unido a las proteínas G, que soportan los pigmentos visuales siempre por una lisina. Todas constan de cadenas heptahelicoidales, y realmente les sienta mal el cambio de configuración del cis retinal, al isomerizarse a la forma trans, más longitudinal.

Dicho cambio se efectúa en 200 femtosegundos, y al alejar el hidrógeno del grupo imino, rompe el enlace de hidrógeno con el grupo acídico de la proteína, activándose, lo que a su vez provoca su separación del retinal.

Podremos estudiar  las 4 fases que se van a desarrollar, en la isomerización y sus consecuencias, con el convenio de dibujos que se da en la fig 5, en el cual los círculos negros, hacen referencia según su diámetro a los estados trifosfato, difosfato o fosfato,  responsables de la adecuación en la transmisión energética.

El estado inicial, en una visión de conjunto, contempla a nuestro  cis retinal  unido a la proteína G por el puente de hidrógeno, situado en un pliegue de la membrana ocular muy próximo a otra proteína G, la transducina T. (fig.6, y 7) Hemos dichos que al romperse el puente de hidrógeno, debido a la vibración torsional en el camino de la isomerización, se produce un desequilibrio arquitectónico,  actuando la proteína G soporte del pigmento, sobre una transducina T, que se encuentra muy próxima (Fase 1) (fig.8 y 9).

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Fig.11

El trasvase energético procedente de la proteína G activada, hace que a su vez se rompa la trasducina alfa, sintetizando GTP, a partir del GDP (Fase 2). El nuevo enlace P-O formado, emplea la energía surgida (12kcal/mol por enlace) por transmisión de las formas activadas, pero al no caber en el sitio que tenía, provoca la rotura de las cadenas alfa y beta de la proteína portadora. La activación de cientos de moléculas de transducina, por una simple proteína G portadora de pigmento activada, constituye el primer paso de la amplificación de señal en la visión. Este hecho a su vez activa una enzima, la fosfodiesterasa, PDE*, que estimula a nuestro protagonista, el GMPc, el nucleótido guanidil monofosfato cíclico, que abre su ciclo, volviendo a formarse el GDP ^[4] . La fosofodiesterasa, consta también de tres cadenas α, β y γ, de 88kDa, 85kDa y 9 kDa respectivamente. La transducina, activa a la fosfodiestera, al  disociarla, separando las unidades   α y β que la inhiben. De esta forma la fosdiesterasa es capaz de hidrolizar el GMPcíclico, en sólo 0,6 ms. Como puede apreciarse la cadena de acontecimientos que supone la absorción de fotones de una determinada energía, es realmente complicada( fig.10 y 11). Pero esa complicación ejerce un efecto multiplicador, aumentando el rendimiento fotónico y de esta forma una serie de cuantos energéticos es suficiente para abrir más de cuatro mil moléculas de GMP cíclico.

La diferente absorción de energía, según la frecuencia de la luz, produce excitaciones distintas, y que son absorbidas por las tres proteínas G, cada una con su pigmento específico.

La transducina, es una proteína también del tipo G, formada por 3 cadenas, α, β y γ, portando  la primera un grupo GDP (difosfato de guanosina). Las dos primeras son más grandes,  de 39 y 36 kilodalton ^[3] respectivamente, mientras que la γ, es la más pequeña, con 8 kilodalton sólamente.

La diferencia entre ellas es pequeña pero suficiente. Es evidente que estas pequeñas  diferencias entre los pigmentos indican un origen común codificado por el cromosoma X; la evolución durante 500 millones de años, las creó. Todos ellos mantienen un 45% de sus aminoácidos idénticos. 

Los más parecidos entre sí, son el roja y el verde (96%), mientras que referidas a la rodopsina (pigmento de los bastoncillos), coinciden en un 75% aproximadamente. Este hecho, marca la pequeña diferencia entre la absorción 530nm para el verde y 560nm para el rojo (fig.12). Sin embargo como el problema de la diferente absorción, es fundamentalmente conformacional, la sustitución simple de un aminoácido con ramificaciones o con grupos polarizantes, frente a otro que no los tenga así ya implica una diferencia en dicha capacidad.

Fig.12

Así tenemos que la sustitución de una serina por una alanina en la posición 180, provoca una variación en la absorción de 4,8nm.  

Exactamente podríamos decir lo mismo en la sustitución en la posición 277, de una fenilalanina (Phe) por tirosina (Ty). Podemos observar en el dibujo las diferentes  sustituciones de aminoácidos que determinan las diferencias entre el pigmento verde y el rojo (fig.13).

La mayor  parte de estas sustituciones, consisten en reemplazar aminoácidos con hidroxilo, tal como la tirosina por fenilalanina; la clave está en que el momento dipolar intrínseco de la tirosina, produce la perturbación electrostática suficiente para condicionar la absorción energética.

Fig.13

En los dibujos (fig.12 y 13) no sólo se puede comprobar la variación de la absorción con la sustitución de los aminoácidos indicados, sino también la pequeña diferencia que existe entre los pigmentos verde y rojo (sólo los aminoácidos representados por círculos en negro). Desde el punto de vista energético, esta diferencia implica únicamente una absorción de energía de 3 kcal/mol. En cambio  existe una mayor diferencia entre el pigmento azul y los otros dos, no solamente en los aminoácidos, sino incluso en la forma y estructura, como se aprecia en la fig.14.

Fig.14

Ya se ha absorbido la diferente energía, que se ha trasmitido a través de la diferente excitación de la proteína G, ya se ha activado la difosfoesterasa, y por fin se ha abierto el GMP cíclico (fig.15), por hidrólisis (fig.16),  según el esquema dado (en el cual las especies con asterisco suponen moléculas activadas), que resume todo lo dicho anteriormente. La enorme importancia y trascendencia de este compuesto cíclico está en que  actúa de portero en los canales de la bomba de sodio- potasio, responsable de transmitir los impulsos eléctricos al cerebro. La unión de 3 o más moléculas de GMP cíclico basta para abrir un poro, o puerta de la membrana.

Fig.15

Fig.16

Fig.17

La membrana de una célula visual, separa dos medios con diferentes concentraciones iónicas. En la parte externa la concentración de iones sodio es grande y la de potasio pequeña, mientras que dentro de la célula ocurre lo contrario. Las puertas de acceso son poros, de diferente tamaño, adecuados al tamaño de los iones que deben pasar por ellos. El ión Na⁺, tiene un radio iónico de 0,95D, mientras que el K⁺, es de 1,34D, pero al estar ambos hidratados, su volumen es mucho mayor (fig 17).

La puerta del sodio tiene una superficie de 5 x 3D, que no permite la entrada de las moléculas de agua, que deberán perderse antes. Ya una vez dentro del poro, los terminales acídicos COO^- , de las proteínas que forman el conducto,  ayudan a los iones Na⁺ a penetrar.

Fig.18

El número de canales de sodio es diez veces mayor que el de potasio, y los K⁺, no pueden obviamente pasar por la puerta del sodio. Dado que normalmente entran iones potasio por su puerta y salen iones sodio y como el potencial redox de ambos iones es diferente, que según la ley de Nernst, varía con la concentración, la diferencia de potencial entre V exterior (V_e) y V interior (V_i) a través de la membrana es de -0,1V (fig.18).

)Qué acción desempeña el GMP cíclico y qué ocurre cuando se abre el ciclo?.

En la oscuridad, la concentración de GMPcíclico es grande, y agrupándose de tres en tres, abren los poros de la membrana, impidiendo que otros grupos los cierren, y ayudan a limpiar del agua de hidratación, a los iones sodio para que así puedan entrar libremente y sin dificultad (fig.19), produciéndose la llamada corriente oscura que va a generar una diferencia de potencial de membrana de hasta -0,40V (fig.20).  La forma cíclica en la responsable, pues la molécula al ciclar es más pequeña, y los grupos activos acídicos del fosfórico están anulados.

Fig.19

Fig.20

Al recibir fotones de determinadas longitudes de onda, a través de la activación explicada, disminuye la concentración de GMP cíclico. Al abrirse el ciclo justo por el grupo fosfórico, los terminales acídicos con carga, no sólo ocupan unidireccionalmente mayor espacio, sino que al tener carga, interfieren mucho más con los iones solvatados. Los grupos O^-, tienen una especial afinidad por los  iones positivos, en este caso Na⁺, con lo cual disminuye su concentración, impidiéndoles pasar (fig.21 y 22).  De esta manera, al disminuir la concentración de sodio, la diferencia de potencial negativa va aumentando desde -0,4V hasta -0,7V  llegando a un punto que se produce la descarga, trasmitida por los canales iónicos hasta el cerebro, que la traduce y lee  en su lenguaje binario, registrándola como un determinado  color. La intensidad de corriente producida es 100 veces menor que la que obtiene en los bastoncillos, por eso necesitamos una buena iluminación para distinguir los colores ^[7] .

Fig.21

Fig.22