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Luisa AchaerandioIgnacio CrespoJuan Carlos GilJosé EdelsteinFrancis VillatoroHéctor SocasGastón Giribettransporte de protones en ácido fosfóricoJuan Carlos GilHéctor SocasFrancis VillatoroATPADPH3O+H2PO4-HPO4--PO4-H3PO4conformación AStar TrekLHCYouTubeestructura AChompsADNARNFósforoÁcidos NucleicosMembranas CelularesÁcido fosfóricoNano-electro-sprayDímerosIonesFase gasTemperatura criogénica
Transporte de Protones Ácido fosfórico
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Héctor Socas introduce un tema propuesto por Juan Carlos Gil sobre el transporte de protones en ácido fosfórico, expresando su curiosidad y anticipación ante la complejidad oculta que suele caracterizar las propuestas de Juan Carlos.
…Se han usado las mismas palabras, quizás no sea buena idea; pero lo hacemos todo el rato, si es que pensamos con analogías, vamos a hablar luego de la inteligencia artificial, pues dime tú si no estamos ahí haciendo licencias de cómo llamarle a las cosas. Bueno, pues vamos a ir pasando de tema y Juan Carlos, llevamos ya varias semanas posponiendo el tema que nos habías propuesto que te parecía muy interesante sobre el transporte de protones en el ácido fosfórico tengo mucha curiosidad realmente por qué es lo que puede tener esto es fascinante pero estoy seguro que lo tiene porque tú sueles traer temas que tienen doblez tienen algo que parece una cosa pero luego cuando lo despliegas aquello es como los cuentos estos de pequeños que lo abres y sale un castillo allí y tú dices ¿dónde estaba este castillo aquí metido dentro? Me ha llamado la atención pero reconozco que puede no ser de interés general. ¿Por qué lo traigo? Porque el fósforo es probablemente mi elemento favorito. Pero a ver, como sea interés general tenemos que hacerlo gratuito, entonces no vayamos a liarla ahora.…
Significado #9 · Palabras #1
Héctor Socas introduce un tema propuesto por Juan Carlos Gil sobre el transporte de protones en ácido fosfórico, expresando su curiosidad y anticipación ante la complejidad oculta que suele caracterizar las propuestas de Juan Carlos.
Habla: Héctor SocasSignificado #9 · Palabras #1transporte de protones en ácido fosfórico…Se han usado las mismas palabras, quizás no sea buena idea; pero lo hacemos todo el rato, si es que pensamos con analogías, vamos a hablar luego de la inteligencia artificial, pues dime tú si no estamos ahí haciendo licencias de cómo llamarle a las cosas. Bueno, pues vamos a ir pasando de tema y Juan Carlos, llevamos ya varias semanas posponiendo el tema que nos habías propuesto que te parecía muy interesante sobre el transporte de protones en el ácido fosfórico tengo mucha curiosidad realmente por qué es lo que puede tener esto es fascinante pero estoy seguro que lo tiene porque tú sueles traer temas que tienen doblez tienen algo que parece una cosa pero luego cuando lo despliegas aquello es como los cuentos estos de pequeños que lo abres y sale un castillo allí y tú dices ¿dónde estaba este castillo aquí metido dentro? Me ha llamado la atención pero reconozco que puede no ser de interés general. ¿Por qué lo traigo? Porque el fósforo es probablemente mi elemento favorito. Pero a ver, como sea interés general tenemos que hacerlo gratuito, entonces no vayamos a liarla ahora.…
Juan Carlos Gil explica la importancia del fósforo como uno de los seis elementos esenciales para la vida, mencionando su presencia en ácidos nucleicos y fosfolípidos.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #18fósforo en ácidos nucleicosgrupos fosfato en adn arnfosfolípidos en membranas celularestesis de juan carlos gil…blanco, que es el que sufre la emisión, o sea que eso está chulo. Una anécdota irrelevante: en Canarias se sigue llamando fósforos a las cerillas y supongo que en América también, en algunos sitios, porque tenemos muchas variaciones en el idioma español. Pero El fósforo no es solo cerillas, sino que es uno de los seis elementos esenciales de la vida, ¿no? ¿Os acordáis? Chomps, ahí está la P en la quinta o sexta posición y en la vida aparece en general fundamentalmente en forma de grupos fosfato, donde en los esqueletos de los ácidos nucleicos, tanto ADN como ARN, cuyos grupos fosfato en disolución, que es como suele actuar obviamente los ácidos nucleicos, están ionizados y eso hace que las moléculas de ácido nucleico en vivo sean polielectrolitos. Y he hecho esta frase tan larga porque es lo que estudié yo en la tesis y me lo sé y lo quiero decir. Son polielectrolitos, moléculas gigantes que están ultracargadas. Tenemos los fosfolípidos, claro, en las membranas celulares que llevan ahí el fósfo en el nombre por el fósforo. el ATP, adenosine trifosfato, es la moneda de cambio energético, una de las monedas de cambio energético en la célula y el ADP, el adenosine difosfato y bueno luego está la fosforilación de proteínas que es uno de los varios pero uno de los grandes mecanismos…
Juan Carlos Gil explica cómo funciona el transporte de protones por ácido fosfórico utilizando una analogía con personas pasando cubos de agua en una fila.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #3ácido fosfórico h3po4eliminación de protones químicoscation hidrógeno hautopista de protones químicadihidrógeno fosfato h2po4 menosácido fosfórico en química prebióticaconducción de protones ácido fosfóricotransferencia de energía atp adpgradientes electroquímicos membrana celularácido fosfórico y gradientes electroquímicosmotor de sodio star trekcanales de sodio membranas celularesbiología a nivel moléculatransporte de protones ácido fosfóricocubos de agua en filasímil personas cubo aguaexceso de cubo filamolécula recibe protón excitacióncarga protónica desplazamiento…pero uno de los grandes mecanismos de regulación celular. y si queréis el papá químico, la molécula madre, tanto papá como mamá de todas estas variaciones, bueno pues es el ácido fosfórico, es el H3PO4. H3PO4 tiene ahí tres hidrógenos y resulta que se los podemos ir quitando químicamente uno a uno, lo cual se le quitamos un protón, protón es H+, es el cation hidrógeno. Me ha hecho gracia porque antes Héctor te has referido al HLC como, no sé si ha dicho exactamente, una autopista de protones. Yo habilar yo de otra autopista de protones, en este caso química. Bueno, si al ácido fosfórico le quitas un protón se queda dihidrógeno fosfato, H2PO4 menos. Si le quitas otro, hidrógeno fosfato, HPO4 con dos cargas negativas. y hasta un tercero, si le enfrentas a cosas suficientemente electropositivas, pues se te quedaría el fosfato, PO4-. El ácido fosfórico aparece en química prebiótica, tiene importancia en procesos atmosféricos y además tiene aplicaciones tecnológicas en baterías y en pilas de combustible precisamente asociado a lo que os voy a contar. Y es que tiene una propiedad muy llamativa, ya te os digo que está relacionada con la historia de hoy, y es que conduce protones excepcionalmente bien, de hecho es el líquido que mejor conduce protones de entre todos los que conocemos y esto de mover protones no es una chorrada sin más, es que es fundamental para la vida. Se utiliza la comunicación celular en transferencia de energía, se hablaba de ATP y ADP y para el mantenimiento de los gradientes electroquímicos a ambos lados de la membrana, lo que suele atravesar los... Sabéis que hay canales de sodio, canales de potasio, todo eso, el motor de eso es la transferencia de protones. ¿Cómo demonios, el ácido fosfórico conviene? Es verdad, tú has mencionado el aniversario del LHC, pero esto suena al de Star Trek, que si el motor de sodio y el motor de no sé qué se basan en la transferencia de protones, o sea, eso puede ser perfectamente una frase de Star Trek, totalmente. Y sin embargo es de biología semibásica; es que la biología es muy chula y muy difícil y hace cosas a nivel molécula. Bueno pues es tremebundo, ¿no has visto nunca los motores de, bueno los canales de sodio en las membranas? Echar un vistazo a un dibujo o a un vídeo de YouTube un día, porque es alucinante lo que hacen las pequeñas maquinitas que tenemos ahí en nuestras células. ¿Cuál es el mecanismo entonces? ¿Cómo consigue el ácido fosfórico mover protones también? Os voy a contar un símil. Imaginad una fila de personas con un cubo de agua cada una, ¿vale? Y ahora el primero de la fila le llega otro cubo, con lo cual uno de los dos cubos que tiene ahora se lo pasa al siguiente de la fila y así sucesivamente. Pues parecería que el cubo ese extra que ha llegado atraviesa toda la fila y sale por el final, pero no es así; cada cubo solo se desplaza una posición, lo que se transmite a lo largo de la fila es el exceso de cubo, ese momento transitorio en el que una de las personas tiene dos cubos. Bueno, pues algo ocurre semejante en la transferencia de protones: una molécula puede recibir un protón y tras eso se siente excitada porque le sopla uno y le da un protón a una molécula que esté otro, puede ser otro a una que esté cerquita y así sucesivamente. Lo que acaba desplazándose, por tanto, es la carga protónica, si queréis, pero no el protón propiamente dicho; un protón se ha movido poquito. En esencia, ese es lo que se llama el mecanismo de Grothuss, que conocemos y que se estudia en química básica, en particular en relación con el agua, que le pasa lo mismo. Una molécula de H2O recibe un protón y se convierte momentáneamente en cationhidronio,…
Juan Carlos Gil continúa explicando los antecedentes del trabajo que va a comentar sobre el transporte de protones en ácido fosfórico, sugiriendo que el dihidrógeno fosfato podría ser responsable de un mecanismo y que incluso un dímero formado por una molécula de fosfórico y otra de aluminio podría intervenir.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3 · Palabras #7puente de hidrógeno en aguaácido fosfórico moléculas oxígeno e hidrógenored enlaces de hidrógeno del aguamecanismo molecular ácido fosfóricotransporte de protones por ácido fosfóricodefecto de un electrón en sólidostransporte de protones ácido fosfóricofila sin cubo juan carlos gilausencia de cubo movimiento inversoácido fosfórico transferencia de protonesanión especie desprotonada químicaaniones inusuales hidrógeno fosfatofosfato mecanismo transferencia aniónicodihidrógeno fosfato mecanismo transferenciaácido fosfórico y dihidrógeno fosfatotransferencia de protones mecanismo aniónicomoléculas intercambian su identidadjuan carlos gil explica transferenciaácido fosfórico en bateríaspilas de combustible permiten protonesmecanismo detallado para optimizarestabilidad del compuesto fósforomolécula tetraédrica p4fósforo estabilizado por oxígenoácido fosfórico aditivo alimentariocontrol de ph con ácido fosfórico…en relación con el agua, que le pasa lo mismo. Una molécula de H2O recibe un protón y se convierte momentáneamente en cationhidronio, H3O+. El hidronio no es estable y por tanto cedes el protón extra a otra molécula de agua de al lado mediante un... ¿A través de qué? A través de un puente de hidrógeno. Esa es la gracia y eso va a ser parte de lo que os cuento. De tal forma que el siguiente agua se transforma en hidróneo y así sucesivamente. Bueno, pues al ácido fosfórico le tiene que pasar algo parecido, pero el mecanismo molecular preciso de este proceso está muchísimo peor entendido que en el agua, en parte porque si ya la red de enlaces de hidrógeno del agua es tremendamente compleja y además dinámica, pues imaginaos en el ácido fosfórico en el que tenemos cuatro oxígenos y tres hidrógenos por molécula. Aquello es una fiesta, no solo eso, hay una vuelta de tuerca más y Es que además de transportar protones también podemos imaginarnos lo contrario. Se puede transmitir un protón de menos, un hueco, un defecto protónico, que Francis nos lo ha contado mil veces en los sólidos; el defecto de un electrón por ejemplo. Bueno, pues aquí podría ser con un protón. Imaginad la fila de antes, pero que una persona de La fila no tiene cubo, ¿vale? Y ocurre lo mismo de antes. Cuando le llega un cubo por fin, pasa de tener 0 a 1, pero la persona que tenía delante se ha quedado con 0. Es decir, lo que se transmite ahora es la ausencia de cubo que se mueve; esta ausencia, este hueco de cubo se mueve en sentido contrario al de los cubos. Pues de nuevo, en el ácido fosfórico puede ocurrir algo parecido y el hueco ahora sería la especie desprotonada, que en química llamamos anión, ¿vale? Y este mecanismo de transferencia de protones aniónico podría ser especialmente relevante en el ácido fosfórico porque, como os he contado, tiene una capacidad de producir distintos aniones inusitadas de hidrógeno fosfato, hidrógeno fosfato, hasta llegar al fosfato. Esto ya lo apuntaba un trabajo previo en el que Achacaba, o que hacía que ponía la pistola humeante en las manos del hidrógeno fosfato. Se cree que puede ser responsable de este mecanismo. Bueno, pues también se propuso, estoy intentando dar unas pinceladas a los antecedentes del trabajo que os voy a comentar, que no solo eso, no solo el dihidrógeno fosfato, sino que podría intervenir en este mecanismo de transferencia de protones en el fosfórico y amigos relacionados, un dímero, un dímero formado por una molécula completa de fosfórico y una molécula al. que le falta un protón, un dihidrógeno fosfato que para los que tengan sensibilidad química os podéis, llama la atención que son el ácido y la base conjugada, o sea son de un solo compuesto el ácido y su base conjugada se alinearían, se asociarían para hacer un mecanismo de transferencia de protones de tal forma que cuando esa transferencia tenga lugar ocurre algo bastante simpático y es que el ácido fosfórico se convierte en dihidrógeno fosfato y el dihidrógeno fosfato se convierte en fosfórico. Es decir, las moléculas intercambian su identidad. El defecto de protón pasa de una molécula a la otra, de una especie química a la otra. y esto que se conta así un poco a mata caballo, bueno pues al menos sobre el papel, al menos tal como lo he descrito yo, pues parece el mecanismo perfecto, el mecanismo paradigmático para una posible vía de transferencia de protones mediante un mecanismo aniónico, ¿vale? Y es aquí. Eso tendría interés, por ejemplo, en baterías ¿no? Pero completo. O sea, no entendemos el mecanismo, pero usamos fosfórico a saco porque en baterías y en pilas de combustible, pues porque trazo, permite protones muy bien. Pero claro, para optimizarlas nos gustaría saber el mecanismo detallado y en eso incide este arte. Pero es suficientemente estable ese compuesto, que me preocupa, tú empezabas diciendo el fósforo, pues precisamente que es muy inflamable ¿no? Pero eso es química, Héctor, a veces haces ese tipo De cosas, una cosa es el P4, cuatro átomos de fósforo formando una molécula tetraédrica con unas tensiones en los enlaces internos espectaculares y otra es el fosfórico, en el que el fósforo tiene ese número de oxidación 7 y está perfectamente contento con todos sus orbitales rellenos por electrones que le sobran a los oxígenos. En química cambias un poquito y te resulta otra cosa radicalmente distinta. El ácido fosfórico es perfectamente sano; de hecho, creo que se utiliza, aquí lo digo con boca pequeña, luego lo busco, se utiliza como aditivo alimentario. No sé lo que hace; supongo que formará un tampón para control de pH, pero esto me lo acabo de inventar y no estoy seguro. El trabajo del que os quiero hablar se llama Espectroscopía vibracional criogénica del dímero desprotonado del ácido fosfórico. Bueno, ya suenan todas las palabras porque creo que las he mencionado la mayoría. Se ha publicado en adierto en The Journal of…
Juan Carlos Gil retoma la explicación sobre un trabajo científico relacionado con el transporte de protones en ácido fosfórico. Introduce la pregunta científica clave que los autores intentaron responder: cuál es el mecanismo detallado a escala molecular para este transporte eficiente.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2 · Palabras #2transporte de protones ácido fosfóricomecanismo detallado molecularsistema representativo químico físicosdímero ácido fosfórico dihidrógeno fosfatosimplificación del transporte de protonesquímica cuántica en ácido fosfóricoproblema intratable manejable…va a tocar cierto trabajo de edición. Pues sí, esto es una faena. Cuando me digas, sigo. Vale, yo donde noté un corte es cuando estabas haciendo la broma de que América no está en Berlín y más o menos por ahí me caí yo. No sé si tienes claro por dónde seguir. Vale, pues repito en particular la pregunta científica que me gusta que quede explícita. Vale, pues dale cuando quieras. Y la pregunta científica que querían responder estos autores, que me gusta explicitarla, es: cuál sería el mecanismo detallado a escala molecular que permite este transporte de protones tan eficiente en el ácido fosfórico. Pero estudiar el ácido fosfórico, ya os he comentado que si ya el agua es una fiesta, pues el H3PO4 no te quiero contar, así que hacen algo muy de químico-físicos, bueno y también de físicos en general, que es buscar el sistema representativo más pequeñito y más fácil de estudiar, que sea eso representativo del todo en alguna forma, ¿vale? Reducimos el problema a la cosa representativa más pequeña y lo que han hecho en este caso es centrarse en el sospechoso de la pistola humeante que os comentaba antes, ese dímero ácido fosfórico de hidrógeno fosfato. Así que, primer gotcha, la simplificación va a ser enorme, porque no estamos estudiando el líquido, el ácido fosfórico completo, sino dos moléculas aisladas, pero a cambio convierte un problema intratable en uno manejable, tanto experimentalmente como mediante cálculos de química cuántica, que os comentaré luego. Si queremos saber cómo pasa un protón de una moleculita a Otra, lo primero que tenemos que tener cierta idea es cómo es esa estructura de puentes de hidrógeno y aquí tenemos una, la primera, dificultad práctica bastante gorda porque todos sabéis mogollón de estudios de espectroscopía en gas de moléculas que tienen…
Juan Carlos Gil explica las dificultades experimentales para estudiar el ácido fosfórico y sus compuestos en fase gaseosa debido a su tendencia a descomponerse al calentarse.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #20ácido fosfórico difícil en fase gasdescomposición del ácido fosfórico al calentarsenano-electro-spray para estudiar fosfóricosdímetros y iones en nano gotitas…la primera, dificultad práctica bastante gorda porque todos sabéis mogollón de estudios de espectroscopía en gas de moléculas que tienen carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, las más habituales, pero seguro que de fósforo habéis oído hablar pocas ¿Y por ¿Qué? Pues porque el fosfórico y sus relacionados es bastante puñetero experimentalmente en fase gas, porque en cuanto intentas vaporizarlo calentándolo se descompone en estos amigos que os contaba antes y en otros, ¿vale? Así que los autores recorren una técnica bastante simpática que se llama nano-electro-spray; lo que hacen es partir de ácido fosfórico líquido y generan nano gotitas minúsculas cargadas que llevan dentro estos dímeros, en parte iones, y se los llevan a fase gas. Gotitas minúsculas cargadas. No sé si os trae algo a la mente, pero a mí. enseguida me acordé del experimento de Millikan ¿os acordáis? Es que cuando yo lo vi de pequeño, es fascinante cómo producía gotitas de aceite y claro en una había un electrón, en otra 17, en otra 43.000 electrones y viendo el campo magnético, creo que era…
Juan Carlos Gil explica que los cálculos de química cuántica realizados para analizar la conformación A del fosfato revelan que la transferencia de un protón a dihidrogenofosfato no es favorable debido al aumento continuo de energía.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #14química cuántica conformación a fosfatotransferencia protón dihidrogenofosfato energíaestructura b puente energético…ver es cuál de estas dos combinaciones de dedos facilitaría esta transferencia de protones a través de los puentes de hidrógeno. En la conformación A tenemos todos los puentes de hidrógeno iguales, parecería que cualquiera podría hacer saltar un protón para Transformar el fosfato en dihidrogenofosfato, pero cuando se hacen los cálculos, de nuevo, con química cuántica, resulta que a lo largo de este proceso de transferencia de una especie a la siguiente, la energía sube continuamente; no aparece ningún estado estable al lado del puente. O sea que parece que esta transferencia directa no sería favorable. La estructura B, en cambio, hay dos protones que pueden transferirse y cuando lo hace ocurre exactamente el mecanismo que os comentábamos al principio de intercambio de identidades, de tal forma que el defecto protónico pasa de una especie a otra. y además la barrera que calculan es pequeñita, es de solo…
Juan Carlos Gil explica que la conformación B del ácido fosfórico parece ser la más prometedora para facilitar la transferencia de protones, basándose en datos experimentales y cálculos cuánticos.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #15 · Palabras #12conformación b del ácido fosfóricotransferencia de protones en ácido fosfóricodatos del universo rhométodos cuánticos para espectro conformacional…que el defecto protónico pasa de una especie a otra. y además la barrera que calculan es pequeñita, es de solo kilojulios, 6 kilojulios por mol, que incluso puede llegar a ser inferior a la energía de punto cero de la transferencia de ese movimiento preciso. Por lo tanto, si estamos buscando la autopista de protones en el ácido fosfórico, desde luego esta conformación B parece ser la más sugerente. Venga, ya tenemos lo que dice el experimento, datos del universo rho, si queréis, y lo que dice la cuántica Vamos a ver, por tanto, que dice, cómo podemos que la cuántica nos diga que nos debería salir en el experimento Vamos a calcular el espectro de las conformaciones A y B mediante los métodos cuánticos Eso es la figura 5 del artículo a la izquierda tenemos el dímero normal, a la derecha tenemos el deuterado y de arriba a abajo tenemos las tres cosas: las tres etapas. Arriba el experimento, que es lo que dice el universo; en medio la estructura A y abajo la estructura B. Por…
Juan Carlos Gil continúa explicando cómo el uso de deuterio ayuda a resolver la disputa entre las estructuras A y B del ácido fosfórico, revelando que los resultados experimentales favorecen la estructura A, a pesar de que los cálculos cuánticos sugerían lo contrario.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #16deuterio desempata estructura acido fosfóricoestructura a observada experimentalmenteresultados experimentales confirman estructura aquímica cuántica predecía estructura b…antes estaban juntas se separan y en el compuesto normal aparecían juntitas y la huella estructural se ve mucho más limpia y resulta que todas las bandas experimentales tienen su equivalente en el espectro calculado para A, mientras que el B falla bastante. Así que el deuterio desempata, si queréis, mete un penalti en la prórroga o yo qué sé, mete un penalti en la prórroga. La estructura observada experimentalmente es la A, y más aún, como todo lo están duplicando, obtienen los mismos resultados con las dos técnicas experimentales, o sea que muy en fin, con mucha verosimilitud, así que hay sorpresa: la estructura que observaba el experimento es la que no es la que la química cuántica decía que podría ser más favorable para observar los protones en la B. La transferencia era fácil en la A, resultaba energéticamente desfavorable; así que identificar la estructura que el universo prefiere pues no ha resuelto el misterio de la extraordinaria construcción conductividad del ácido fosfórico, lo cual supone un pequeño bajón, pero es lo que tiene dejarse llevar por la evidencia y no aferrarse a la teoría de uno. Como decía, no sé quién, no lo recuerdo. Voy concluyendo, ¿por qué me ha molado este artículo? Pues por tres cosas: primero metodológica, hemos usado unos métodos de química cuántica muy variados y bastante sofisticados con dos estructuras que arrojan prácticamente la energía y hemos tenido que ir a…
Juan Carlos Gil señala que el estudio se ha centrado en un dímero aislado en fase gaseosa a temperaturas criogénicas, lo que limita su capacidad para explicar la excepcional conductividad del ácido fosfórico.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #20dímero aislado en fase gasconductividad del ácido fosfóricomecanismo de la extraordinaria conducción…que esta había indicios de que aparecía en otros sistemas relacionados con los fosfatos, así que los autores sugieren que podría ser una estructura relativamente común o recurrente en la química del ácido fosfórico. Y la tercera, quería volver de nuevo a Poner un punto de pausa sobre el alcance del resultado, porque hemos estudiado el dímero aislado en fase gas y a temperatura criogénica, o sea, le hemos aislado hasta el extremo y por tanto no estamos explicando para nada el mecanismo de la extraordinaria conducción del ácido fosfórico si hemos identificado una posible pieza de forma muy plausible. La forma de continuar es evidente; hay que estudiar agregados desprotonados mayores, añadir más moléculas, más capacidad de cálculo. ¿Quién sabe si la IA va a resolver esto? Y bueno, aunque no hemos identificado la autopista de protones, sí que tenemos una…