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| La transición vítrea de proteínas: Un problema doblemente mal enunciado |
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Dr. Gustavo Appignanesi
Cuando se enfría un líquido por debajo de su temperatura de fusión lo suficientemente rápido, de modo que las moléculas o partículas no tengan suficiente tiempo para lograr el orden local preferido, el líquido no puede cristalizar sino que permanece en un régimen meta-estable, pasando primero a un estado de líquido sobre-enfriado y luego a uno sólido amorfo desordenado, es decir, un estado vítreo. Este proceso, denominado transición vítrea, ocurre en un rango estrecho de temperaturas y produce cambios de varios órdenes de magnitud en las propiedades dinámicas del sistema (el tiempo de relajación estructural, la viscosidad, el desplazamiento cuadrático medio de las partículas, etc.). Pero, a diferencia de las típicas transiciones de fase, la transición vítrea no produce modificaciones significativas en las propiedades termodinámicas ni estructurales (por ejemplo, un líquido y un vidrio son prácticamente indistinguibles si nos atenemos al arreglo estructural de sus unidades constitutivas o partículas). En el líquido los movimientos de las partículas se producen por saltos o reacomodamientos de tipo difusivo, durante los cuales cambian frecuentemente a las partículas que las rodean o primeras vecinas. Por el contrario, en el régimen vítreo las partículas se encuentran aprisionadas por tiempos prolongados en las "jaulas" que conforman sus primeras vecinas. Este confinamiento espacial implica a su vez un confinamiento en mínimos de energía profundos, de modo tal que el movimiento deja de ser difusivo y se transforma en armónico (vibraciones alrededor de posiciones localmente preferidas). Esto hace que la dinámica de relajación estructural sea muchísimo más lenta que la que el sistema exhibe en el estado líquido. Por su parte, el concepto de "transición vítrea de proteínas" se originó en la observación tanto experimental como computacional de que la dinámica de proteínas hidratadas o en solución, sufre también una transición entre un régimen difusivo y uno armónico a una temperatura de alrededor de 220K (ello se evidencia, por ejemplo, en el comportamiento del desplazamiento cuadrático medio de los átomos de la proteína en función de la temperatura). Este hallazgo motivó innumerables trabajos que establecieron a la transición vítrea de proteínas como un problema de gran interés para la biofísica y la materia condensada blanda (soft condensed matter). Sin embargo, dado que la proteína tanto in vivo como in vitro se encuentra inmersa en agua, varios grupos de investigación propusieron que el fenómeno no es debido a la proteína en sí sino al solvente, cuyos grados de libertad condicionan (o esclavizan) a los de la proteína. En tal sentido, el prestigioso físico de la Universidad de Boston, H. Eugene Stanley (quien es Medalla Boltzmann, máxima distinción en Física Estadística) propuso la hipótesis de que la transición vítrea de proteínas se debe al cruce dinámico en la difusividad del agua de hidratación debido a que ésta atraviesa su hipotético punto crítico líquido-líquido a dicha temperatura, es decir, atraviesa lo que se conoce como su línea de Widom* (la temperatura de transición vítrea del agua es mucho más baja). En otras palabras, la transición vítrea de proteínas sería un problema doblemente mal definido: No sería debida a la proteína en sí, ni sería una transición vítrea propiamente dicha. El grupo del profesor Stanley demostró dicha hipótesis por medio de simulaciones computacionales del agua de hidratación de dos sistemas biológicos distintos (una proteína, la lisozima, y el ácido desoxiribunocleico, ADN) en un trabajo publicado en Physical Review Letters (la revista de mayor prestigio en el ámbito de la física) [1]. La principal evidencia en tal sentido es que la Capacidad Calorífica (derivada primera de la entalpía respecto de la temperatura absoluta) y por consiguiente la variación con la temperatura de los parámetros estructurales presentan un extremo en su dependencia con la temperatura, justo a la temperatura correspondiente a la transición dinámica en cuestión (tal como es esperable para las funciones termodinámicas de respuesta a lo largo de una línea de Widom). En tal sentido, este grupo demostró que la variación con respecto a la temperatura del parámetro de tetraedralidad (Q, que mide cuán cercanos a la estructura tetraédrica están los ángulos de coordinación local) es máxima a la temperatura esperada para la transición líquido-líquido, la cual se corresponde precisamente con la transición que se identifica con la "transición vítrea de proteínas". Es decir, el cambio estructural en el agua de hidratación (dQ/dT) es máximo a esa temperatura y es el responsable de los efectos dinámicos observados (el cambio de comportamiento de difusivo a armónico). Sin embargo, en un trabajo publicado en enero de 2011 en la misma revista [2], un grupo de científicos del INQUISUR (instituto dependiente del CONICET y de la Universidad Nacional del Sur en Bahía Blanca) integrado por los investigadores Gustavo Appignanesi y J. Ariel Rodríguez Fris y los becarios David Malaspina y Sebastián Accordino, demostró la existencia de un error conceptual que llevó a la conclusión de que la metodología empleada por el grupo de Stanley es incorrecta. En efecto, el parámetro Q no es adecuado para interfaces, como es el caso del agua de hidratación, e indica por ejemplo, que el agua interfacial se encontraría en un estado peor estructurado que el estado que posee en el seno de la solución, lo cual es completamente erróneo [3]. Asimismo, el agua incluida en el cálculo excedía en cantidad a la que puede considerarse como agua de hidratación o biológica, cuya estructura y comportamiento con la temperatura difiere de aquél del resto de la solución. Con esta visión, el grupo del INQUISUR utilizó nuevamente el modelo de lisozima, empleando ahora un parámetro estructural adecuado para interfases como el índice de estructura local (LSI) y sólo consideró en el cálculo a las moléculas estrictamente superficiales o biológicas [4]. Con esta metodología libre de los errores señalados, se reprodujeron los cálculos del grupo de Boston verificándose de hecho la hipótesis de Stanley. De tal modo, es ahora posible afirmar fehacientemente que la "transición vítrea de proteínas" es, en efecto, un problema doblemente mal formulado. * La línea de Widom (originada por la metaestabilidad) es una continuación hacia el líquido de la línea de coexistencia sólido-sólido entre el agua vítrea amorfa de alta densidad y el agua vítrea amorfa de baja densidad, es decir, implicaría una transición líquido-líquido. De hecho, se supone que en el agua líquida tanto en el régimen normal como en el sobreenfriado existe una "mezcla" dinámica de moléculas de dos "clases": estructuradas o de baja densidad local y desestructuradas o de alta densidad (en tal sentido, el grupo del INQUISUR que dirige Gustavo Appignanesi ha encontrado un parámetro estructural que manifiesta una neta bimodalidad [2]). Las moléculas de baja densidad local presentan un alejamiento de la segunda capa de coordinación respecto de la primera y, por lo tanto, de la molécula central (como en el hielo, donde las moléculas de agua están agrupadas con un mayor volumen por unidad de masa resultando, por lo tanto, de menor densidad que el agua líquida). Este arreglo espacial más abierto permite una mejor coordinación tetraédrica de la primer capa y la formación de mejores puentes de hidrógeno con la molécula central (al no verse perturbadas por la presencia de moléculas de la segunda capa que distorsionarían la estructuración local). Al estar mejor coordinadas localmente y al formar puentes de hidrógeno de mejor calidad, dichas moléculas presentan una dinámica más lenta (al contrario de lo usual en los otros líquidos donde una menor densidad local favorece la movilidad). La línea de Widom indicaría entonces una transición entre agua líquida de alta y baja densidad (similarmente a lo que sucede en el agua vítrea amorfa). Referencias: |
