La Difusión De La Luz Y Su Aplicación Al Estudio De Macromoléculas

1. Introducción

La difusión de luz se encuentra entre las técnicas experimentales más versátiles en el estudio de las propiedades de macromoléculas. Esta técnica encuentra su origen en la interacción radiación electromagnética-materia. La materia está constituida por partículas cargadas eléctricamente (electrones y protones) que incluso en ausencia de todo proceso de absorción de la radiación incidente, van a responder a la influencia del campo electromagnético de la misma. Esto genera una oscilación de la densidad electrónica de sus átomos o moléculas a la frecuencia de la onda incidente. Estas partículas pueden entonces asimilarse a dipolos eléctricos oscilantes, y como tales emitirán radiación electromagnética en todas las direcciones del espacio. Este es justamente el fenómeno de difusión de la luz. Manifestaciones cotidianas de este fenómeno son el color azul del cielo, la percepción de los humos o de las partículas de polvo moviéndose a través de un rayo de sol.

Se conocen diversas formas de este fenómeno. Así cuando la radiación difundida presenta una frecuencia similar a la incidente, y por tanto no hay intercambio de energía durante el proceso, la difusión se denomina elástica. En otros casos la radiación difundida presenta una frecuencia distinta de la radiación incidente, intercambiándose energía entre la radiación y las partículas difusoras del medio; la difusión se denomina entonces inelástica. El ejemplo más característico es la difusión Raman, que permite obtener información espectroscópica sobre los movimientos rotacionales y vibracionales de las partículas difusoras.

En el caso de las disoluciones, el movimiento browniano de las partículas del soluto puede originar pequeños desplazamientos de frecuencia por efecto Doppler que ensanchan el espectro de la luz difundida con respecto a la incidente. A este fenómeno se le denomina difusión cuasielástica, y se está convirtiendo en el método más utilizado para determinar coeficientes de difusión de traslación de macromoléculas en disolución

El fenómeno de dispersión o difusión de la luz por interacción con la materia, como ya se ha mencionado, abarca dos tipos generales:

- La dispersión elástica o Rayleigh, donde la energía es constante y la velocidad dispersada es igual a la velocidad incidente:

- Dispersión por conjuntos de partículas con diámetro << λ. Dispersión por redes cristalinas o moléculas orientadas tales como refracción, birrefringencia (diferente índice de refracción para luz polarizada ⊥ o ║ al eje principal cristalino).

- Dispersión por conjuntos de partículas con diámetro >> λ. Dispersión por redes cristalinas como por ejemplo difracción de rayos X y dispersión por disoluciones de macromoléculas.

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- Dispersión Dinámica o Dispersión Cuasi-elástica. Determinación de tamaños y distribuciones de tamaño de macromoléculas, medidas precisas de coeficientes de difusión o dinámica de movimientos intramoleculares.

- Dispersión inelástica de la luz, donde la energía no es constante y la velocidad dispersada tampoco es igual a la velocidad incidente:

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2. Macromoléculas

A menudo el término macromolécula se refiere a las moléculas que pesan más de 10.000 dalton de masa atómica. Pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas, y algunas de gran relevancia se encuentran en el campo de la bioquímica, al estudiar las biomoléculas. Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas se encuentran los plásticos. Son moléculas muy grandes, con una masa molecular que puede alcanzar millones de UMA que se obtienen por las repeticiones de una o más unidades simples llamados "monómeros" unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas y por puentes covalentes.

En términos generales cuando se unen dos monómeros para la formación de un enlace y se desprende una molécula de agua, se habla de una reacción de condensación. Si la reacción ocurre al contrario, esto es, que se rompe el enlace con la adición de una molécula de agua y se regeneran los monómeros originales se habla de reacciones de hidrólisis. Los organismos vivos juegan con reacciones de hidrólisis (digestión) y condensación (síntesis) para la construcción de sus macromoléculas.Los tipos principales de macromoléculas son las proteínas, formadas por cadenas lineales de aminoácidos; los ácidos nucleicos, DNA y RNA, formados por bases nucleotídicas (purinas y pirimidinas), los polisacáridos, formados por subunidades de azúcares y los lípidos formados por glicerol, ácidos grasos o colesterol. Los aminoácidos de las proteínas están unidos por enlaces peptídicos, los carbohidratos de los polisacáridos por enlaces glucosídicos o péctidicos y los lípidos y ácidos nucleicos por enlaces éster.

La diversidad en las funciones de las proteínas en el organismo es quizá la más extensas que se pueda atribuir a una familia de biomoléculas. Las proteínas determinan la forma y la estructura de las células y dirigen casi todos los procesos vitales. Las funciones de las proteínas son específicas de cada una de ellas y permiten a las células mantener su integridad, defenderse de agentes externos, reparar daños, controlar y regular funciones, etc. Todas las proteínas realizan su función de la misma manera: por unión selectiva a moléculas. Las proteínas estructurales se

- Espectroscopía Raman. Informa sobre vibraciones moleculares y se aplica a estudios de interacción intermolecular, conformación molecular en muestras orientadas o intercambio H-D.

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agregan a otras moléculas de la misma proteína para originar una estructura mayor. Según su función puede hacerse la siguiente clasificación:

- Enzimas: Son proteínas cuya función es la "catalisis de las reacciones bioquímicas". Algunas de stas reacciones son muy sencillas; otras requieren de la participación de verdaderos complejos multienzimáticos. El poder catalítico de las enzimas es extraordinario: aumentan la velocidad de una reacción, al menos un millon de veces. Las enzimas pertenecen al grupo de las proteínas globulares y muchas de ellas son proteínas conjugadas.

- Proteínas de transporte: Muchos iones y moléculas específicas son transportados por proteínas específicas. Por ejemplo, la hemoglobina transporta el oxígeno y una porción del gas carbónico desdes y hacia los pulmones, respectivamente. En la memebrana mitocondrial se encuentra una serie de proteínas que trasnportan electrones hasta el oxígeno en el proceso de respiración aeróbica.

- Proteínas del movimiento coordinado: El músculo está compuesto por una variedad de proteínas fibrosas. Estas tienen la capacidad de modificar su estructura en relación con cambios en el ambiente electroquímico que las rodea y producir a nivel macro el efecto de una contracción muscular.

- Proteínas estructurales o de soporte: Las proteínas fibrosas como el colágeno y las a- queratinas constituyen la estructura de muchos tejidos de soporte del organismo, como los tendones y los huesos.

- Anticuerpos: Son proteínas altamenmte específicas que tienen la capacidad de identificar susustancias extrañas tale como los virus, las bacterias y las células de otros organismos.

- Proteoreceptores: Son proteínas que participan activamente en el proceso de recepción de los impulsos nerviosos como en el caso de la "rodapsina" presente en los bastoncillos de la retina del ojo.

- Hormonas y Proteínas represoras: son proteínas que participan en la regulación de procesos metabólicos; las proteínas represoras son elementos importantes dentro del proceso de transmisión de la información genética en la bisíntesis de otras moléculas.

3. Dispersión elástica de la luz producida por una molécula aislada

Comenzamos por considerar una simple molécula en el origen de nuestro sistema ortogonal de coordenadas, descrito gráficamente en la figura 1. Sobre la molécula incide una radiación electromagnética monocromática linealmente polarizada en el plano xz y que se propaga en la dirección del eje x. La R. E. incidente está representada por los vectores de los campos eléctrico y

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magnético asociados y la ondas que representan la variación de las correspondientes amplitudes. Su longitud de onda es mucho mayor que el tamaño de la molécula.

El observador, es decir el detector de la R. E., queda determinada por los ángulos que forma la línea de observación con el eje x y con el eje y, respectivamente. La onda dibujada sobre la línea de observación representa la fracción de luz dispersada en esa dirección, la cual estará polarizada en el plano definido por el eje Z y la propia dirección.

Figura 1. Dispersión de radiación electromagnética linealmente polarizada por una molécula aislada. Para la radiación incidente se muestran los vectores de los campos eléctrico y magnético y la ondas que representan la variación de las correspondientes amplitudes.

Utilizando la descripción electromagnética clásica la radiación incidente puede describirse en términos del campo eléctrico asociado:

 ⎛x⎞ E = E0 cos2πν⎜⎝t − C⎟⎠

En el origen de coordenadas, x=0:

 

E = E0 cos2πνt

Si la molécula es isótropa, el momento dipolar será paralelo al vector eléctrico, es decir a lo largo del eje z. Este momento oscilante actuará como una fuente de radiación. La intensidad de la radiación (el flujo de la energía por centímetro

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