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Revista: Biología cuántica


Tentando la muerte con el oxígeno singlete

  • Santiago Signorelli

  • Facultad de Agronomía, Universidad de la República, Montevideo, Uruguay. School of Molecular Science, The University of Western Australia, Perth, Australia.

  • Juan B. Arellano

  • Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Salamanca (CSIC), Salamanca.

1. EL JEROGLÍFICO CUÁNTICO DEL OXÍGENO SINGLETE

La vida en nuestro planeta podemos entenderla tal y como es porque existe oxígeno molecular (O2) a nuestro alrededor mezclado con otros gases en la atmósfera, atrapado entre los intersticios del suelo que pisamos y disuelto en aguas de ríos y mares. El O2 en su estado fundamental (3Σ¯gO2) es esencial para los seres vivos con respiración aeróbica para obtener energía, pero también puede ser nocivo e incluso letal para estos y otros seres vivos si pasa a su estado excitado singlete de menor energía. Cuando esto sucede, hablamos del oxígeno singlete (1ΔgO2) y para saber más sobre él introduciremos conceptos de simetría molecular, momento angular orbital, energía y multiplicidad de espín, y también sucintamente algunos principios y teorías de la química cuántica.

 

Empezaremos por la simetría molecular y nos preguntaremos a qué grupo puntual de simetría pertenece la molécula diatómica de oxígeno. Respuesta: D∞h. Aunque extraña y escueta, esta respuesta nos dice que el O2 posee un eje internuclear, por convención eje z, de orden infinito (C), un plano de simetría (σh) perpendicular al eje z, y un centro de simetría (i). Los elementos de simetría tienen sus propios operadores al igual que el operador hamiltoniano (H) de la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo con el que se opera para obtener los valores de energía (E) de sus funciones propias (ψi ): Hψi =Εψi . Si utilizamos la aproximación de Born-Oppenheimer y despreciamos la interacción magnética entre los electrones y el núcleo, y también las de repulsión interelectrónica, las variables de H se reducen a las coordenadas electrónicas. La solución de Heψe=Εψe depende de M2L, donde ML= 0, ±1, ±2, ±3... son los valores propios de operador Lˆ z de la componente z del momento angular orbital electrónico. Los estados electrónicos de las moléculas diatómicas se simbolizan con las letras griegas Σ, Π, Δ, Φ... para valores de ∧≡|ML| = 0, 1, 2, 3..., respectivamente. Con el Principio de Pauli, sabemos que en una subcapa cerrada de electrones las sumas de las componentes z del momento angular orbital y del espín electrónico total son cero (ML=0, MS=0), y la multiplicidad de espín, definida como 2S+1, singlete (S=0). De esta manera, se cumple que en las subcapas cerradas 2S+1Λ≡1 Σ. Para el O2 con 16 electrones, solo deberá preocuparnos su última subcapa incompleta: (π*g 2p)2 (Figura 1).

 

 

Para dos electrones equivalentes en una configuración π2, las combinaciones de ML y Mporporcionan tres términos moleculares (1Σ, 3Σ, y 1Δ) con seis configuraciones electrónicas distintas (Tabla 1A). Además,  He, conmuta con i ˆ (+1, par o g; −1, impar o u) y σˆ v (+1 o simétrica; −1 o antisimétrica; v, vertical), lo que añade más matices. Los dos estados 1Δ son degenerados, pero 1Σ y 3Σ tienen niveles de energía distintos. Un estado Σ+ indica que su función de onda no cambia de signo después de la operación de reflexión; es decir, es simétrica y por tanto debe ir con una función de espín antisimétrica (Tabla 1B). Lo contrario debe aplicarse a Σ-. Así, los términos para los tres estados del O2 de menor energía son 3Σg, 1Δ y 1Σ+g con energías E(3Σg)1Δg)1Σ+g) según las reglas de Hund. El  1ΔgO2 es, en definitiva, una molécula de O2 en un estado excitado de energía doblemente degenerado con dos electrones con espín opuesto en un mismo orbital π.

 

 

2. GENERACIÓN DEL OXÍGENO SINGLETE

Los términos 3Σg, 1Δg y 1Σ+g son también tres representaciones irreducibles (Γ) del grupo puntual de simetría D∞h. En particular, 1Σ+g es la representación irreducible totalmente simétrica y su producto directo, con otra representación irreducible, no cambia el valor de la segunda: Σ+g ⊗ Δgg. El producto entre representaciones irreducibles nos ayudará a comprender mejor las transiciones electrónicas entre los distintos estados electrónicos del O2.

 

El 1ΔgO2 es una especie química luminiscente cuya emisión radiativa se observa a 1270 nm. Uno podría preguntarse si parte de la radiación infrarroja solar que llega a la superficie terrestre es absorbida por el O2 y pasa a su estado excitado 1ΔgO2. Si así fuera, sería una amenaza permanente para los seres vivos porque estarían expuestos sobremanera a la oxidación química por el 1ΔgO2. Para responder a esta pregunta necesitamos saber cómo se calcula la probabilidad de una transición electrónica pura entre dos estados electrónicos, uno inicial ψi y otro final ψf (Tabla 1C). La integral de la Tabla 1C se puede expresar como el productos de tres integrales que incluyen las reglas de selección vibracional, de simetría orbital y de espín para una transición electrónica. La primera corresponde al factor Franck-Condon, la cual debemos resolver para conocer cómo este factor modula la intensidad de la transición vertical entre ψi y ψf. Si necesidad de de resolver las dos integrales siguientes, podemos realizar un análisis cualitativo. En primer lugar, se cumple que una transición entre dos estados electrónicos está permitida si ambos tienen la misma multiplicidad de espín y prohibida si no es así. Y, en segundo lugar, debemos identificar el grupo puntual de simetría al que pertenecen los estados electrónicos ψi y ψf, y saber que una transición electrónica está permitida si el producto directo de las representaciones irreducibles de Γ(ψf,e)⊗Γ(mˆ e)⊗Γ(ψi,e) contiene la representación irreducible totalmente simétrica de dicho grupo, 1Σ+g. Las posibles combinaciones que hay entre 3Σg y los estados excitados 1Δg y 1Σ+g se ilustran en la Tabla 1C, donde vemos que ambas transiciones electrónicas están doblemente prohibidas por las reglas de selección de simetría orbital y de espín. Si es así, ¿por qué el 1ΔgO2 es una amenaza para los seres vivos? Aquí, el lector debe entender que transición prohibida es una mera expresión formal; después de todo, la luminiscencia (o más explícitamente la fosforescencia) del 1ΔgO2 a 1270 nm o la absorción del 3Σ-gO2 en el infrarrojo se observan, pero la prohibición se manifiesta en la probabilidad del proceso, la cual es extremadamente pequeña.

 

Con la Teoría de Perturbaciones comprenderemos por qué el 1ΔgO2 es una amenaza para los seres vivos y cómo puede formarse por colisión bimolecular entre el 3Σ-gO2 y una especie química, —simbolizada aquí con la letra M y a la que llamaremos fotosensibilizador—, que por absorción de un fotón se encuentra en un estado excitado singlete o triplete (2S+1M, S=0 o 1) con energía E(2S+1M)>E(1ΔgO2). Debemos saber que dos especies químicas están en contacto cuando sus funciones de onda se solapan y que, cuando esto sucede, pueden intercambiar sus electrones. Si las especies químicas separadas tienen momentos angulares de espín S1 y S2, el sistema combinado debe satisfacer la regla de adición mecánica cuántica de momentos angulares tomando uno de los valores siguientes: S=(S1+S2),(S1+S2-1), (S1+S2-2), ..., |S1-S2|. En la Tabla 2A se recogen algunos casos de interés para nuestro estudio. Si añadimos, además, que la formación del complejo está controlada por difusión (kdif), y que el 3Σ-gO2 está en altas concentraciones en medios acuosos, tenemos los ingredientes necesarios para concebir cómo el 1ΔgO2 se forma por colisión molecular. Si la interacción es débil, la energía de un nivel particular del complejo bimolecular M•O2 se puede tomar como la suma de las energías de las dos especies químicas. El proceso se convierte en un fenómeno de conversión interna para la desactivación del complejo formado por 1M y 3Σ-gO2 con multiplicidad triplete, 3(1M• 3Σ-gO2), o en tres procesos alternativos entre transferencia de energía, conversión interna o separación sin formación de productos para la desactivación del complejo formado por 3M y 3Σ-gO2 con multiplicidad singlete, triplete o quintuplete,1,3,5( 3M 3Σ-gO2), respectivamente.

 

 

La solución de la matriz electrónica del intercambio electrónico con hamiltoniano H´ para una perturbación de primer orden (Tabla 2B, primer sumando) nos dice que en la mayoría de los casos la colisión entre 1M y 3Σ-gO2 produce por conversión interna principalmente 3M (i.e., 1M+3Σ-gO23M+3Σ-gO2), mientras que el 1ΔgO2 se genera por transferencia de energía (i.e., 3M+ 3Σ-gO2→M+1ΔgO2) con una constante de formación ≤ 1/9 kdif . En breve, estamos diciendo que en los seres vivos el 1ΔgO2 se forma esencialmente por colisión del 3Σ-gO2 con un fotosensibilizador en su estado excitado triplete.

 

Una interacción de segundo orden puede ocurrir cuando M tiene además un potencial oxidante bajo, produciéndose un complejo intermedio de transferencia de carga 1,3(M+ • O2). En este caso, la serie infinita de términos de la corrección de segundo orden de la energía queda reducida a una integral que se recoge en el segundo sumando de la Tabla 2B, donde ψTC es la función de estado del intermedio de transferencia de carga y ETC su energía, la cual depende del potencial oxidante de M y la polaridad del medio, entre otros factores, según la ecuación de RehmWeller. Así, los procesos de intercambio electrónico y transferencia de carga entre 2S+1M y el 3Σ-gO2 compiten, modulando tanto la velocidad de formación como el rendimiento cuántico del 1ΔgO2.

 

3. TOXICIDAD, DESACTIVACIÓN Y SEÑALIZACIÓN DEL OXÍGENO SINGLETE EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

En un sistema biológico, como las plantas, la probabilidad de formación del 1ΔgO2 es muy alta. Las moléculas de clorofilas (Clo) son excelentes fotosensibilizadores de 1ΔgO2. La absorción de un fotón les permite pasar a su estado excitado singlete (1Clo). Sin embargo, los procesos intermoleculares de transferencia de energía y/o intramoleculares de conversión interna hacen que dicho estado tenga un tiempo de vida muy corto (≤ ns) y, por tanto, que la producción del 1ΔgO2 sea prácticamente nula. Por el contrario, Clo en su estado excitado triplete (3Clo) se caracteriza por tener un tiempo de vida prolongado al estar “prohibida” su transición al estado fundamental y poseer un nivel de energía superior al del 1ΔgO2. A altas intesidades de luz, 3Clo se acumula y su colisión con 3Σ-gO2 produce 1ΔgO2 (véase apartado anterior). El 1ΔgO2 causa daño celular severo porque, primero, posee un potencial redox standard (E0red) mayor que el del propio 3Σ-gO2 (i.e, E0red (1ΔgO2/O•-2 )=0.65 mV, E0red(3Σ-gO2/O•-2)= -0.33 mV, ΔE0red ∼ 1V y, segundo, puede oxidar sin restricción de espín a biomoléculas esenciales para la vida.

 

El 1ΔgO2 oxida dobles enlaces en las cadenas hidrocarbonadas de lípidos, formándose hidroperóxidos cuya acumulación hace que las membranas pierdan su integridad. Asimismo, algunos aminoácidos como el triptófano, histidina, tirosina entre otros, al igual que la base nitrogenada de guanina, reaccionan con el 1ΔgO2 formando diversos productos de oxidación que provocan la pérdida de función de las proteínas y los ácidos nucleicos.

 

En la naturaleza, hay organismos como Cercospora nicotianae que poseen rutas de biosíntesis de toxinas fotosensibilizadoras y las utilizan para invadir a sus plantas hospedadores. La cercosporina producida por este hongo en su estado excitado triplete genera 1ΔgO2 por colisión bimolecular con el 3Σ-gO2. Esta toxina es liposoluble y se acumula en las membranas celulares del hospedador, facilitando la peroxidación de lípidos y posterior rotura celular con la consiguiente liberación de nutrientes que el hongo aprovecha.

 

Pero no está todo perdido en los seres vivos que acumulan fotosensibilizadores: A grandes males, grandes remedios. La presencia en las plantas de moléculas de carotenoides (Car) con un número de dobles enlaces conjugados suficientemente alto como para que se cumpla que E (1ΔgO2)>E (3Car), siendo E(3Car) la energía del estado excitado triplete de menor energía de la molécula de Car, es la razón de su supervivencia y por ende la vida en la Tierra. En la Tabla 2C, se ilustra cómo Car forma primero un complejo bimolecular con el 1ΔgO2, y después disipa el exceso de energía en forma de calor. La habilidad de otros compuestos biológicos antioxidantes de desactivar físicamente al 1ΔgO2 es mucho menor que la de Car en varios órdenes de magnitud. Compuestos como las vitaminas B, C y E, y también compuestos que poseen azufre interaccionan con el 1ΔgO2, formando intermedios de transferencia de carga. Los compuestos antioxidantes alcanzan concentraciones milimolares en compartimentos celulares donde se producen ROS (reactive oxygen species), particularmente en los cloroplastos y las mitocondrias donde se fotogenera el 1ΔgO2. De esta manera se compensan sus pequeñas constantes de desactivación bimolecular con sus altas concentraciones.

 

A todo ello hay que añadir que las plantas, a modo de ejemplo, durante la evolución han seleccionado mecanismos de señalización intracelular como la comunicación retrógrada cloroplasto-núcleo que alerta de cuándo se está produciendo un efecto (foto) citotóxico por acumulación de ROS. Esta señal activa respuestas de defensa mediadas por fitohormonas. Mientras que el H2O2, como ROS, puede ejercer la función de mensajero molecular por su baja reactividad y alta capacidad para difundir casi libremente a través de las membranas (sub)celulares, esa función es muy restringida para el 1ΔgO2. En las células, el valor del coeficiente de difusión del O2 es 1-2 órdenes de magnitud inferior que en el agua pura y la vida media del 1ΔgO2 está por debajo de 1 ms en orgánulos como los cloroplastos; por lo que prácticamente la distancia que recorre el 1ΔgO2 durante su difusión se limita al entorno molecular donde se generó. En los últimos años, se ha demostrado que el 1ΔgO2 oxida ciertos compuestos próximos a su sitio de generación, principalmente el fotosistema II, y que los productos de oxidación son los que actúan como moléculas señalizadoras. En particular, mediante el uso de mutantes de arabidopsis superproductores de 1ΔgO2, se ha demostrado que hay al menos dos vías que activan la muerte celular programada como respuesta de defensa frente al estrés oxidativo por 1ΔgO2. Una vía requiere la participación de dos proteínas que se ubican en el borde de los grana de los tilacoides, EXCUTER1 y EXCUTER2, mientras que la segunda implica la participación de la serina-treonina quinasa OXIDATIVE SIGNAL INDUCIBLE 1. Cuando la producción de 1ΔgO2 no es exacerbada, se activa una respuesta de aclimatación que implica otra vía de señalización independiente en la que productos de oxidación de b-caroteno actúan como moléculas señalizadoras que activan procesos de destoxificación.

 

4. EL OXÍGENO SINGLETE EN BIOMEDICINA

En biomedicina, el conocimiento que la química cuántica ha proporcionado sobre el 1ΔgO2 ha sido fundamental para entender distintas reacciones de fototoxicidad en ensayos clínicos con el antibiótico tetraciclina, y también para desarrollar nuevos procedimientos como la terapia fotodinámica frente a diversas enfermedades. La ventaja principal que tiene este tipo de terapia es que los efectos secundarios son mínimos, además de ser no invasiva. Para los tratamientos, se han desarrollado dispositivos basados en el uso de fibras ópticas que permiten dirigir y elegir específicamente donde producir 1ΔgO2 mediante la liberación de compuestos fotosensibilizadores y el uso de la irradiación con luz roja (Figura 2). Estos dispositivos se han mostrado eficaces para eliminar las células tumorales del ovario en estudios ex situ. Una de las limitaciones de la fototerapia en el tratamiento contra el cáncer es que las células tumorales contienen altos niveles de glutatión, que puede atenuar el efecto citotóxico del 1ΔgO2 en la célula cancerosa. Para contrarrestar este efecto, se han diseñado nanocomplejos de porfirinas que no sólo permiten la generación selectiva del 1ΔgO2 a través del mecanismo de Russell en células tumorales, sino que además contribuyen al consumo de glutatión.

 

 

Los continuos avances en terapia fotodinámica han sido incentivos para detectar la formación intracelular del 1ΔgO2 en biomedicina y poder evaluar la eficacia de los tratamientos. Varias de las sondas que se utilizan para detectar 1ΔgO2 en los tejidos celulares interaccionan con otras ROS, por lo que urge desarrollar sondas específicas para el 1ΔgO2. En los últimos años se han desarrollado sondas capaces de formar dioxetanos. La sonda SOCL (singlet oxygen chemiluminescence) reacciona con 1ΔgO2 para formar un dioxetano de Schaap que se descompone para producir un éster de benzoato electrónicamente excitado que al volver a su estado fundamental emite luz verde. 

 

 

La luminiscencia del SOCL después de reaccionar con el 1ΔgO2, es una ventaja frente a las sondas fluorescentes por su especificidad y el aumento de la sensibilidad del sistema de detección. La conjugación de SOCL con oligopéptidos específicos, que facilitan el transporte de la sonda al espacio intracelular en células HeLa, se ha demostrado útil para confirmar la producción endógena de 1ΔgO2. Otras variantes de esta sonda, como CL-SO, funcionan además en ratones. Sin duda, los estudios de espectroscopía sobre el 1ΔgO2 nos permiten ver cómo conceptos de ciencia básica pueden derivar en ciencia aplicada con importantes aplicaciones biológicas.

 

PARA LEER MÁS

Arellano JB, Naqvi KR. Endogenous singlet oxygen photosensitizers in plants. En: Singlet Oxygen: Applications in Biosciences and Nanosciences, Editores: Nonell S. Flors, C. Capítulo 12 (2016) 239-69. doi: 10.1039/9781782622208-00239.

Callaghan S, Senge MO. The good, the bad, and the ugly – controlling singlet oxygen through design of photosensitizers and delivery systems for photodynamic therapy. Photochemistry & Photobiology Sciences 17 (2018) 1490-514. doi: 10.1039/c8pp00008e.

Miranda-Apodaca J, Hananya N, Velázquez-Campoy A, Shabat D, Arellano JB. Emissive enhancement of the Singlet Oxygen Chemiluminescence probe after binding to bovine serum albumin. Molecules 24 (2019) 2422. doi: 10.3390/molecules24132422.

Ossola R, Jönsson OM, Moor K, McNeill K. Singlet oxygen quantum yields in environmental waters. Chemical Reviews.121 (2021) 4100-46. doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00781.

Schweitzer C, Schmidt R. Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen. Chemical Reviews. 103 (2003) 1685– 758. doi: 10.1021/cr010371d.

 


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