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i fotorecettori della retina in notturna limitati da un rumore di fondo

La sensibilità dei bastoncelli, i fotorecettori della retina che permettono la visione notturna, è limitata dalla possibilità che queste cellule si attivino anche termicamente, un processo parallelo all’attivazione fotochimica, vera responsabile della vista in condizioni di luce scarsa. Uno studio teorico chiarisce ora alcuni meccanismi fondamentali che generano questo rumore di fondo di natura termica, grazie all’impiego di modelli computazionali usati nell’ambito della chimica quantistica .

L’attivazione dei fotorecettori della retina può essere innescata anche termicamente: ora un nuovo modello quantomeccanico – illustrato su “Science” da Massimo Olivucci dell’Università di Siena e della Bowling Green State University a Bowling Green, negli Stati Uniti, e colleghi dell’Université d’Aix-Marseille, in Francia – dimostra perché questo processo è molto simile a quello fotochimico che dà origine alla visione.

Nell’uomo e negli altri animali, l’attivazione della retina colpita dalla luce è dovuta a due tipi di fotorecettori: coni e bastoncelli. La distinzione funzionale tra i due è che i coni sono sensibili alla luce di alta intensità e permettono la percezione dei colori nella visione diurna, mentre i bastoncelli sono sensibili alla luce di bassa intensità, in virtù di una più bassa soglia di attivazione, e quindi più utili nella visione notturna.

Nei bastoncelli, il mediatore chimico fondamentale tra la radiazione luminosa e la trasmissione di un segnale nervoso verso il cervello è la molecola rodopsina (Rh), formata da due componenti: l’apoproteina opsina e la base di Schiff protonata (PSB) dell’isomero 11-cis del retinale (PSB11), o brevemente 11-cis-retinale, legata all’opsina.

Il primo passo della cascata di trasformazioni chimiche che costituisce la trasduzione del segnale in risposta a un fotone di luce che incide sulla rodopsina è l’isomerizzazione di PSB11 nel suo isomero tutto-trans (PSBAT), ovvero la trasformazione in un composto con stessa formula molecolare ma diverse proprietà fisiche e chimiche, un processo che avviene nell’arco di alcuni femtosecondi e che dà luogo alla batorodopsina (BathoRh), che dal punto di vista energetico possiede uno stato fondamentale e uno stato eccitato.

Oltre a questa attivazione fotochimica della rodopsina, se ne verifica anche una di natura termica che rappresenta un “rumore di fondo” che di fatto pone un limite alla sensibilità visiva dei bastoncelli. A differenza dell’attivazione fotochimica, quella termica non è ancora stata compresa nel dettaglio.

In termini teorici generali, ci sia aspetta che i due meccanismi siano qualitativamente diversi e che l’isomerizzazione termica sia controllata da una “barriera di energia”, definita più precisamente “energia di attivazione termica”, che corrisponde a uno stato di transizione (TS) per la molecola. Per il resto si sa che il segnale innescato dall’attivazione termica è indistinguibile da quello fotochimico e che l’isomerizzazione di PSB11 procede lasciando inalterata la struttura secondaria dell’opsina.

Dal punto di vista sperimentale invece emergono alcuni dati difficili da interpretare, come alcune differenze nell’energia di attivazione nei bastoncelli di rospo rispetto ad analoghe cellule retiniche bovine, per le quali sono state formulate diverse ipotesi in base a leggi della meccanica statistica dei fenomeni termici.

Un punto fermo in ogni caso è la validità dimostrata sperimentalmente della legge di Barlow, che stabilisce una relazione tra la costante cinetica di attivazione termica e la lunghezza d’onda della radiazione in cui avviene il massimo assorbimento, definendo così formalmente un legame tra attivazione termica e attivazione fotochimica.

Nello studio di Olivucci e colleghi, questo complesso sistema di trasformazioni è stato analizzato applicando i modelli computazionali della chimica quantistica multiconfigurazionale (MCQC) che ha chiarito alcuni aspetti degli stati quantistici intermedi che portano alla trasduzione del segnale visivo nei due casi. In particolare, si è riusciti a spiegare in base a questi modelli la legge di Barlow: la chiave per capire l’origine del rumore termico nei bastoncelli è l’ipotesi che esistano due stati di transizione, il meno energetico dei quali ha processi di trasferimento di carica molto simili a quelli dello stato eccitato della batorodopsina.

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