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Descubiertos los secretos más íntimos del hidrógeno

El hallazgo permitirá obtener los primeros clichés atómicos del ADN


Los científicos han descubierto por primera vez los secretos más íntimos del hidrógeno, el átomo más pequeño y extendido del universo. Han podido observar que los enlaces de hidrógeno en una molécula son mucho más débiles que los enlaces químicos, pero más fuertes que las interacciones intermoleculares de Van der Waals. El hallazgo permitirá obtener los primeros clichés atómicos del ADN y de las proteínas más importantes.




Ilustración del descubrimiento. University of Basel, Department of Physics
Ilustración del descubrimiento. University of Basel, Department of Physics
Un equipo internacional de físicos ha conseguido por primera vez observar con detalle la fuerza de los enlaces de hidrógeno en una sola molécula y medir con precisión la fuerza y la distancia entre un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, lo que permitirá a los científicos examinar con más detalle la constitución de las proteínas y las moléculas del ADN, según explican en un artículo que han publicado en Science Advances. 

« El hidrógeno, compuesto de un único protón y de un electrón, es el átomo más pequeño y más extendido del Universo. Es muy importante para la Química y para la Física, pero hasta ahora no habíamos podido ver átomos de hidrógeno solitarios en moléculas”, explica Shigeki Kawai, uno de los autores del artículo.

Añade que la obtención de los primeros datos sobre la fuerza de los vínculos del hidrógeno abre la vía para descubrir la forma en tres dimensiones de las moléculas del ADN y de los polímeros, mediante la observación de átomos de hidrógeno. Shigeki Kawai espera que este descubrimiento permita obtener los primeros clichés atómicos del ADN y de las proteínas más importantes.

Hasta ahora no había sido posible realizar un análisis espectroscópico o microscópico electrónico de hidrógeno y de los enlaces de hidrógeno en moléculas individuales, y las investigaciones usando microscopía de fuerza atómica tampoco habían dado resultados claros, explica la Universidad de Basilea en un comunicado.

Sin embargo, El Dr. Shigeki Kawai, del equipo del profesor Ernst Meyer en el Instituto Suizo de Nanociencia y el Departamento de Física de la Universidad de Basilea, ha logrado estudiar los átomos de hidrógeno en los compuestos de hidrocarburos cíclicos individuales utilizando un microscopio de fuerza atómica de alta resolución.

El microscopio de fuerza atómica es un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons, un submúltiplo del newton, la unidad de medida de la fuerza en el Sistema Internacional de Unidades.

El microscopio de fuerza atómica ha sido esencial en el desarrollo de la nanotecnología, más concretamente para la caracterización y visualización de muestras a dimensiones nanométricas. Ahora lo ha sido para descubrir los secretos más íntimos del hidrógeno.

Más débiles, pero también más fuertes

En estrecha colaboración con otros científicos de Japón, los investigadores seleccionaron compuestos de hidrógeno cuya configuración se parece a la de una hélice. Estas hélices se colocan sobre una superficie de tal manera que dos átomos de hidrógeno siempre apuntan hacia arriba. Si la punta del microscopio de fuerza atómica se aproxima lo suficiente a estos átomos de hidrógeno, se forman enlaces de hidrógeno que luego pueden ser examinados.

Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces químicos, pero más fuertes que las interacciones intermoleculares de  las Fuerzas de Van der Waals, que se producen debido a  enlaces intramoleculares o a la interacción electrostática de iones con otros iones o con moléculas neutras. 

Las fuerzas y distancias medidas entre los átomos de oxígeno en la punta del microscopio de fuerza atómica y los átomos de hidrógeno de la hélice de los compuestos del experimento son diferentes a las  fuerzas de Van der Waals, y se corresponden con los cálculos realizados por el profesor Adam S. Foster, de la Universidad de Aalto, en Finlandia, que muestran que esta interacción claramente implica enlaces de hidrógeno.

Las mediciones significan que las fuerzas de Van der Waals, que son más débiles, y los enlaces iónicos, a su vez más fuertes, no están implicados en los enlaces de hidrógeno.

El hidrógeno es el elemento más común en el universo y es una parte integral de casi todos los compuestos orgánicos. Las moléculas y secciones de macromoléculas están conectadas entre sí a través de átomos de hidrógeno, una interacción conocida como enlace de hidrógeno.

Estas interacciones juegan un papel importante en la naturaleza, porque son responsables de propiedades específicas de proteínas o ácidos nucleicos y, por ejemplo, también aseguran que el agua tenga una temperatura de ebullición alta.

Referencia

Direct quantitative measurement of the C═O⋅⋅⋅H–C bond by atomic force microscopy. Science Advances  12 May 2017:Vol. 3, no. 5, e1603258. DOI: 10.1126/sciadv.1603258
 

Miércoles, 17 de Mayo 2017
Redacción T21
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