El doble clic expone la dinámica detallada de cómo se descomponen las moléculas de agua

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Un equipo de investigación internacional utilizó el láser de rayos X europeo XFEL para obtener nuevos conocimientos sobre cómo se produce el daño por radiación en los tejidos biológicos. El estudio revela en detalle cómo las moléculas de agua se descomponen por la radiación de alta energía, creando radicales potencialmente peligrosos e iones cargados eléctricamente, que pueden continuar desencadenando reacciones dañinas en el cuerpo. El equipo dirigido por Maria Novella Piancastelli y Renaud Guillemin de la Sorbona de París, Ludger Inhester de DESY y Till Jahnke de European XFEL presenta sus observaciones y análisis en la revista científica. Revisión física X.

Dado que el agua está presente en todos los organismos vivos conocidos, la división de la molécula de agua H.2O la radiación, llamada fotólisis del agua, es a menudo el punto de partida del daño por radiación. «Sin embargo, la cadena de reacciones que pueden desencadenarse en el cuerpo por la radiación de alta energía aún no se comprende completamente», explica Inhester. «Por ejemplo, incluso observar la formación de iones de carga única y radicales reactivos en el agua cuando se absorbe radiación de alta energía ya es muy difícil».

Para estudiar esta secuencia de eventos, los investigadores dispararon los intensos pulsos del láser de rayos X de vapor de agua. Las moléculas de agua normalmente se desintegran al absorber un solo fotón de rayos X de alta energía. «Debido a los pulsos particularmente intensos del láser de rayos X, incluso fue posible observar moléculas de agua que absorbían no solo uno, sino dos o incluso más fotones de rayos X antes de que se separaran sus escombros», informa Inhester. Esto les da a los investigadores una idea de lo que sucede dentro de la molécula después de la primera absorción de un fotón de rayos X.

“El movimiento de la molécula entre dos eventos de absorción deja una huella clara, es decir, sus fragmentos se separan de una forma muy específica y característica”, dice Piancastelli. «Al analizar cuidadosamente esta huella dactilar y utilizar simulaciones detalladas, pudimos sacar conclusiones sobre la dinámica ultrarrápida de la molécula de agua después de que absorbió el primer fotón de rayos X». El equipo midió las direcciones en las que viajaban los fragmentos y su velocidad utilizando un llamado microscopio de reacción. Esto permitió a los científicos registrar la desintegración de la molécula de agua, que duró solo unos pocos femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo), en una especie de película en cámara lenta.

Resulta que la desintegración de la molécula de agua es mucho más complicada de lo que se esperaba inicialmente. La molécula de agua (H.2O) comienza a estirarse y expandirse antes de romperse. Después de solo diez femtosegundos, los dos átomos de hidrógeno (H), que normalmente están unidos al átomo de oxígeno (O) en un ángulo de 104 grados, pueden acumular suficiente impulso como para enfrentarse entre sí con un ángulo de aproximadamente 180 grados. Como resultado, el átomo de oxígeno en realidad no se desecha con fuerza cuando la molécula se rompe, porque los momentos de los dos núcleos de hidrógeno se equilibran en gran medida mientras se alejan, dejando el oxígeno prácticamente en reposo en el medio. En un entorno acuoso, este radical libre de oxígeno puede conducir fácilmente a otras reacciones químicas potencialmente dañinas.

«En nuestra investigación, pudimos por primera vez observar más de cerca la dinámica de una molécula de agua después de que absorbe radiación de alta energía», dice Inhester, quien trabaja en el Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL). ), una colaboración entre DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck. «En particular, pudimos caracterizar con mayor precisión la formación del radical oxígeno y los iones de hidrógeno, así como la forma en que este proceso se lleva a cabo a lo largo del tiempo. Esta desintegración de la molécula de agua es un primer paso importante en el proceso. Cadena adicional de reacciones. que en última instancia conducen a daños por radiación «.

El análisis se suma a la imagen general de los efectos de la radiación en el agua. Un estudio anterior en el que participaron miembros del mismo equipo exploró la dinámica detallada de la formación de los llamados radicales libres a partir de radiación menos energética en el agua. Los procesos allí observados tienen una dinámica similar a los procesos secundarios en la absorción de radiación de alta energía que ahora se están considerando. El conocimiento recién adquirido aborda cuestiones elementales sobre la dinámica de reacción en el agua, que deben estudiarse más a fondo en el Centro de Ciencia Molecular del Agua (CMWS) que se está estableciendo actualmente con los socios internacionales de DESY.

Los nuevos experimentos con moléculas de agua individuales fueron de los primeros realizados con el nuevo microscopio de reacción COLTRIMS en la estación experimental europea XFEL SQS. “Los resultados muestran que también podremos examinar otros disolventes y moléculas con una estructura más compleja, como el etanol o los compuestos cíclicos, que son de gran interés en química y otras disciplinas”, dice Jahnke.

En el estudio participaron investigadores de las universidades de Frankfurt am Main, Freiburg, Hamburgo y Kassel, así como de Gotemburgo, Lund y Uppsala en Suecia y Turku en Finlandia, el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck y el Instituto Max Planck de Física Nuclear. , del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y de la Universidad Estatal de Kansas en EE. UU., del Consejo Nacional de Investigación y del Politecnico di Milano en Italia, de la Sorbona en París, European XFEL y DESY.

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