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Dicroísmo circular

Dicroismo Circular (DC) es dicroismo que involucra luz polarizada circularmente, es decir la absorción diferencial de luz levógira y dextrógira.[1][2]​ La luz polarizada circular a la izquierda (LCI) y circular a la derecha (LCD) representan dos posibles estados del momento angular de espín de un fotón, por lo que el dicroísmo circular también se conoce como dicroísmo del espín del momento angular.[3]​ Este fenómeno fue descubierto por Jean-Baptiste Biot, Augustin Fresnel, y Aimé Cotton en la primera mitad del siglo XIX.[4]​ El dicroismo circular y la birefringencia circular son manifestaciones de actividad óptica. Se manifiesta en las bandas de absorción de las moléculas quirales ópticamente activas. La espectroscopia DC tiene un amplio abanico de aplicaciones en muchos campos diferentes. Por ejemplo la DC UV es usada para investigar la estructura secundaria de las proteínas.[5]​ la DV UV/Vis es utilizada para investigar las transiciones con transferencia de carga.[6]​ El DC mediante infrarrojo cercano es utilizado para investigar las estucturas geométricas y electrónicas mediante el análisis de las transiciones metálicas d→d.[2]​ El dicroismo circular vibracional, que utiliza luz de la región de energía infrarroja, es usada para estudios estructurales de moléculas orgánicas pequeñas, y más recientemente proteínas y ADN.[5]

Principios físicos

Polarización circular de la luz

La radiación electromagnética está formada por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) que oscilan perpendicularmente entre sí y a la dirección de propagación,[7]​ una onda transversal. Mientras que la luz linealmente polarizada se produce cuando el vector del campo eléctrico oscila sólo en un plano, la luz circularmente polarizada se produce cuando la dirección del vector del campo eléctrico gira en torno a su dirección de propagación mientras el vector mantiene una magnitud constante. En un único punto del espacio, el vector de polarización circular trazará un círculo a lo largo de un período de la frecuencia de la onda, de ahí su nombre. El trazado del vector eléctrico polarizado circularmente forma una hélice a lo largo de la dirección de propagación (k). Para la luz polarizada circularmente a la izquierda (LCP) con propagación hacia el observador, el vector eléctrico gira en sentido contrario a las agujas del reloj.[2]​ Para la luz con polarización circular derecha (RCP), el vector eléctrico gira en el sentido de las agujas del reloj.

Interacción de la luz polarizada circularmente con la materia

Cuando la luz polarizada circularmente atraviesa un medio ópticamente activo absorbente, las velocidades entre las polarizaciones derecha e izquierda difieren (cL ≠ cR) así como su longitud de ondaL ≠ λR) y el grado de absorción (εL≠εR). El dicroísmo circular es la diferencia Δε ≡ εL- εR.[5]​ El campo eléctrico de un haz de luz provoca un desplazamiento lineal de la carga al interactuar con una molécula (dipolo eléctrico), mientras que su campo magnético provoca una circulación de la carga (dipolo magnético). Estos dos movimientos combinados provocan la excitación de un electrón en un movimiento helicoidal, que incluye la traslación y la rotación y sus operadores asociados. La relación determinada experimentalmente entre la fuerza de rotación (R) de una muestra y el Δε viene dada por

 

La fuerza de rotación también se ha determinado teóricamente,

 

Vemos a partir de estas dos ecuaciones que para tener un  , los operadores de momento dipolar eléctrico y magnético (  y  ) deben transformarse como la misma representación irreducible.   y   son los únicos grupos puntuales en los que esto puede ocurrir, haciendo que sólo las moléculas quirales sean activas en DC.

Sencillamente, como la propia luz polarizada circularmente es "quiral", interactúa de forma diferente con las moléculas quirales. Es decir, los dos tipos de luz polarizada circularmente son absorbidos en diferente medida. En un experimento de DC, se irradian alternativamente cantidades iguales de luz con polarización circular izquierda y derecha de una longitud de onda seleccionada en una muestra (quiral). Una de las dos polarizaciones se absorbe más que la otra, y esta diferencia de absorción dependiente de la longitud de onda se mide, dando lugar al espectro de DC de la muestra. Debido a la interacción con la molécula, el vector del campo eléctrico de la luz traza una trayectoria elíptica después de pasar por la muestra.

Es importante que la quiralidad de la molécula pueda ser conformacional y no estructural. Es decir, por ejemplo, una molécula de proteína con una estructura secundaria helicoidal puede tener una DC que cambia con los cambios en la conformación.

Delta Absorbancia

Por definición,

 

donde ΔA (Delta Absorbancia) es la diferencia entre la absorbancia de la luz con polarización circular izquierda (LCP) y la luz con polarización circular derecha (RCP) (esto es lo que se suele medir). ΔA es una función de la longitud de onda, por lo que para que una medición sea significativa debe conocerse la longitud de onda a la que se ha realizado.

Dicroísmo circular molar

También se puede expresar, aplicando la ley de Beer, como

 

dónde

εL y εR son los coeficientes de extinción molar para la luz LCP y RCP,
C es la concentración molar,
l es la longitud del camino en centímetros (cm).

Entonces

 

es el dicroísmo circular molar. Esta propiedad intrínseca es lo que se suele entender por dicroísmo circular de la sustancia. Dado que   es una función de la longitud de onda, un valor de dicroísmo circular molar ( ) debe especificar la longitud de onda en la que es válido.

Efectos extrínsecos en el dicroísmo circular

En muchas aplicaciones prácticas del dicroísmo circular (DC), como se comenta a continuación, la DC medida no es simplemente una propiedad intrínseca de la molécula, sino que depende de la conformación molecular. En este caso, la DC también puede ser una función de la temperatura, la concentración y el entorno químico, incluidos los disolventes. En este caso, el valor de la DC notificado debe especificar también estos otros factores relevantes para que tenga sentido.

En las estructuras ordenadas que carecen de doble simetría rotacional, la actividad óptica,[8][9]​ incluida la transmisión diferencial[10]​ (y reflexión[11]​) de las ondas polarizadas circularmente también depende de la dirección de propagación a través del material. En este caso, la llamada quiralidad extrínseca 3d está asociada a la orientación mutua del haz de luz y la estructura.

Elipticidad molar

Aunque normalmente se mide la ΔA, por razones históricas la mayoría de las mediciones se reportan en grados de elipticidad. La elipticidad molar es el dicroísmo circular corregido por la concentración. El dicroísmo circular molar y la elipticidad molar, [θ], se interconvierten fácilmente mediante la ecuación:

 
La luz polarizada elíptica (violeta) está compuesta por contribuciones desiguales de luz polarizada circular derecha (azul) e izquierda (roja).
 

Esta relación se obtiene definiendo la elipticidad de la polarización como:

 

dónde

ER y EL Son las magnitudes de los vectores de campo eléctrico de la luz polarizada circularmente a la derecha y a la izquierda, respectivamente.

Cuando ER es igual a EL (cuando no hay diferencia en la absorbencia de la luz polarizada circularmente a la derecha y a la izquierda), θ es 0° y la luz está polarizada linealmente. Cuando ER o EL es igual a cero (cuando hay una absorción completa de la luz polarizada circularmente en una dirección), θ es 45° y la luz está polarizada circularmente.

Generalmente, el efecto de dicroísmo circular es pequeño, por lo que tan θ es pequeño y puede aproximarse como θ en radianes. Como la intensidad o irradiancia, I, de la luz es proporcional al cuadrado del vector del campo eléctrico, la elipticidad se convierte en:

 

Entonces, sustituyendo por I utilizando la ley de Beer en forma de logaritmo natural:

 

La elipticidad se puede escribir ahora como

 

Como ΔA << 1, esta expresión se puede aproximar expandiendo los exponenciales en una serie de Taylor de primer orden y luego descartando términos de ΔA en comparación con la unidad y convirtiendo de radianes a grados:

 

La dependencia lineal de la concentración de soluto y la longitud de la trayectoria se elimina definiendo la elipticidad molar como,

 

Entonces, combinando las dos últimas expresiones con la ley de Beer, la elipticidad molar se convierte en:

 

Las unidades de elipticidad molar son históricamente (deg-cm2/dmol). Para calcular la elipticidad molar, hay que conocer la concentración de la muestra (g/L), la longitud de la célula (cm) y el peso molecular (g/mol).

Si la muestra es una proteína, a menudo se utiliza el peso medio de los residuos (peso molecular medio de los residuos de aminoácidos que contiene) en lugar del peso molecular, tratando esencialmente la proteína como una solución de aminoácidos. El uso de la elipticidad media de los residuos facilita la comparación de la DC de proteínas de diferente peso molecular; el uso de esta DC normalizada es importante en los estudios de la estructura de las proteínas.

Elipticidad media de los residuos

Los métodos para estimar la estructura secundaria en polímeros, proteínas y polipéptidos en particular, a menudo requieren que el espectro de elipticidad molar medido se convierta en un valor normalizado, específicamente un valor independiente de la longitud del polímero. Para ello se utiliza la elipticidad media de los residuos, que es simplemente la elipticidad molar medida de la molécula dividida por el número de unidades monoméricas (residuos) de la molécula.

Aplicación a las moléculas biológicas

 
Panel superior: Espectroscopia de dicroísmo circular en la región de longitud de onda ultravioleta (UV-CD) de la proteína de fusión MBP-citocromo b6 en diferentes soluciones detergentes. Muestra que la proteína en DM, así como en la solución de Tritón X-100, recuperó su estructura. Sin embargo, los espectros obtenidos en la solución de SDS muestran una disminución de la elipticidad en el rango entre 200 y 210 nm, lo que indica una recuperación incompleta de la estructura secundaria.
Panel inferior: El contenido de las estructuras secundarias predichas a partir de los espectros de DC utilizando el algoritmo CDSSTR. La proteína en solución SDS muestra un mayor contenido de estructuras desordenadas y un menor contenido de hélices.[12]

En general, este fenómeno se presenta en las bandas de absorción de cualquier molécula ópticamente activa. En consecuencia, las moléculas biológicas presentan dicroísmo circular, debido a sus componentes dextrógiros y levógiros. Aún más importante es que una estructura secundaria también impartirá un DC distinto a sus respectivas moléculas. Así, la hélice alfa de las proteínas y la doble hélice de los ácidos nucleicos tienen firmas espectrales de DC representativas de sus estructuras. La capacidad del DC para dar una firma estructural representativa la convierte en una poderosa herramienta de la bioquímica moderna con aplicaciones que pueden encontrarse en prácticamente todos los campos de estudio.

El DC está estrechamente relacionada con la técnica de dispersión óptica rotatoria (ORD), y generalmente se considera más avanzada. El DC se mide en o cerca de las bandas de absorción de la molécula de interés, mientras que la ORD puede medirse lejos de estas bandas. La ventaja del DC es evidente en el análisis de los datos. Los elementos estructurales se distinguen más claramente, ya que sus bandas registradas no se solapan ampliamente en determinadas longitudes de onda, como ocurre en la ORD. En principio, estas dos mediciones espectrales pueden interconvertirse mediante una transformada integral (relaciones de Kramers-Kronig), si se incluyen todas las absorciones en las mediciones.

El espectro de DC en el ultravioleta de las proteínas puede revelar importantes características de su estructura secundaria. Los espectros de DC pueden utilizarse fácilmente para estimar la fracción de una molécula que se encuentra en la conformación de la hélice alfa, la conformación de la lámina beta, la conformación de la vuelta beta o alguna otra conformación (por ejemplo, la bobina aleatoria).[13][14][15][16]​ Estas asignaciones fraccionarias imponen importantes restricciones a las posibles conformaciones secundarias en las que puede estar la proteína. En general, el DC no puede decir dónde se encuentran las hélices alfa detectadas dentro de la molécula, ni siquiera predecir completamente cuántas hay. A pesar de ello, el DC es una herramienta valiosa, especialmente para mostrar los cambios de conformación. Puede utilizarse, por ejemplo, para estudiar cómo cambia la estructura secundaria de una molécula en función de la temperatura o de la concentración de agentes desnaturalizantes, como el cloruro de guanidinio o la urea. De este modo, puede revelar información termodinámica importante sobre la molécula (como la entalpía y la energía de Gibbs de desnaturalización) que no puede obtenerse fácilmente de otro modo. Cualquiera que intente estudiar una proteína encontrará en el DC una valiosa herramienta para verificar que la proteína está en su conformación nativa antes de emprender extensos y/o costosos experimentos con ella. Además, la espectroscopia de DC tiene otros usos en la química de las proteínas que no están relacionados con la estimación de la fracción de hélice alfa. Además, la espectroscopia de DC se ha utilizado en estudios de interfaces bioinorgánicas. En concreto, se ha utilizado para analizar las diferencias en la estructura secundaria de una proteína manipulada antes y después de la valoración con un reactivo.[17]

El espectro de DC en el UV cercano (>250 nm) de las proteínas proporciona información sobre la estructura terciaria. Las señales obtenidas en la región de 250-300 nm se deben a la absorción, la orientación dipolar y la naturaleza del entorno de los aminoácidos fenilalanina, tirosina, cisteína (o puentes disulfuro S-S) y triptófano. A diferencia del DC en ultravioleta lejano, el espectro de DC en ultravioleta cercano no puede asignarse a ninguna estructura 3D en particular. Más bien, los espectros de DC en UV cercano proporcionan información estructural sobre la naturaleza de los grupos prostéticos en las proteínas, por ejemplo, los grupos hemo en la hemoglobina y el citocromo c.

La espectroscopia DC visible es una técnica muy potente para estudiar las interacciones metal-proteína y puede resolver transiciones electrónicas d-d individuales como bandas separadas. Los espectros de DC en la región de la luz visible sólo se producen cuando un ion metálico se encuentra en un entorno quiral, por lo que no se detectan los iones metálicos libres en solución. Esto tiene la ventaja de que sólo se observa el metal unido a la proteína, por lo que la dependencia del pH y las estequiometrías se obtienen fácilmente. La actividad óptica en los complejos de iones metálicos de transición se ha atribuido a efectos configuracionales, conformacionales y vicinales. Klewpatinond y Viles (2007) han elaborado un conjunto de reglas empíricas para predecir la aparición de espectros de DC visibles para complejos cuadrangulares de Cu2+ and Ni2+ que implican coordinación de histidina y cadena principal.

El DC ofrece menos información estructural específica que la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de RMN de proteínas, por ejemplo, que ofrecen datos de resolución atómica. Sin embargo, la espectroscopia de DC es un método rápido que no requiere grandes cantidades de proteínas ni un amplio procesamiento de datos. Así, el DC puede utilizarse para estudiar un gran número de condiciones de disolventes, variando la temperatura, el PH, la salinidad y la presencia de diversos cofactores.

La espectroscopia de DC suele utilizarse para estudiar las proteínas en solución, por lo que complementa los métodos que estudian el estado sólido. Esto también supone una limitación, ya que muchas proteínas están incrustadas en membranas en su estado nativo, y las soluciones que contienen estructuras de membrana suelen presentar una fuerte dispersión. El DC se mide a veces en películas finas.

La espectroscopia de DC también se ha realizado utilizando materiales semiconductores como el TiO2 para obtener grandes señales en el rango de longitudes de onda del ultravioleta, donde suelen producirse las transiciones electrónicas de las biomoléculas.[18]

Limitaciones experimentales

El DC también se ha estudiado en los hidratos de carbono, pero con un éxito limitado debido a las dificultades experimentales asociadas a la medición de los espectros de DC en la región ultravioleta del vacío (VUV) del espectro (100-200 nm), donde se encuentran las bandas de DC correspondientes de los hidratos de carbono no sustituidos. Se han medido con éxito carbohidratos sustituidos con bandas por encima de la región VUV.

La medición del DC también se complica por el hecho de que los sistemas tampón acuosos típicos suelen absorber en el rango en el que las características estructurales muestran una absorción diferencial de la luz polarizada circularmente. Los tampones de fosfato, sulfato, carbonato y acetato son generalmente incompatibles con el DC a menos que se hagan extremadamente diluidos, por ejemplo, en el rango de 10-50 mM. El sistema de tampones TRIS debe evitarse por completo cuando se realiza el DC de UV lejano. Los compuestos de borato y onio se utilizan a menudo para establecer el rango de pH adecuado para los experimentos de DC. Algunos experimentadores han sustituido el ion cloruro por fluoruro porque éste absorbe menos en el UV lejano, y algunos han trabajado en agua pura. Otra técnica, casi universal, es minimizar la absorción del disolvente utilizando celdas de menor longitud de trayecto cuando se trabaja en el UV lejano, las longitudes de trayecto de 0.1 mm no son infrecuentes en este trabajo.

Además de la medición en sistemas acuosos, el DC, en particular la DC de ultravioleta lejana, puede medirse en disolventes orgánicos, por ejemplo, etanol, metanol o trifluoroetanol (TFE). Este último tiene la ventaja de inducir la formación de la estructura de las proteínas, induciendo láminas beta en algunas y hélices alfa en otras, que no mostrarían en condiciones acuosas normales. Sin embargo, los disolventes orgánicos más comunes, como el acetonitrilo, el THF, el cloroformo y el diclorometano, son incompatibles con el DC de ultravioleta lejana.

Puede ser interesante observar que los espectros de DC de proteínas utilizados en la estimación de la estructura secundaria están relacionados con las absorciones de los orbitales π a π* de los enlaces amida que unen los aminoácidos. Estas bandas de absorción se encuentran en parte en el llamado ultravioleta de vacío (longitudes de onda inferiores a unos 200 nm). La región de longitudes de onda de interés es en realidad inaccesible en el aire debido a la fuerte absorción de la luz por parte del oxígeno en estas longitudes de onda. En la práctica, estos espectros no se miden en el vacío, sino en un instrumento sin oxígeno (lleno de gas nitrógeno puro).

Una vez eliminado el oxígeno, quizá el segundo factor técnico más importante para trabajar por debajo de 200 nm sea diseñar el resto del sistema óptico para que tenga bajas pérdidas en esta región. En este sentido, es fundamental el uso de espejos aluminizados cuyos revestimientos hayan sido optimizados para tener bajas pérdidas en esta región del espectro.

La fuente de luz habitual en estos instrumentos es una lámpara de xenón de alta presión y arco corto. Las lámparas de arco de xenón ordinarias no son adecuadas para su uso en el UV bajo. En su lugar, deben utilizarse lámparas especialmente construidas con envolturas de sílice fundida sintética de gran pureza.

La luz de las fuentes de sincrotrón tiene un flujo mucho mayor a longitudes de onda cortas, y se ha utilizado para registrar el DC hasta 160 nm. En 2010 se utilizó el espectrofotómetro de DC de la instalación de anillos de almacenamiento de electrones ISA de la Universidad de Aarhus (Dinamarca) para registrar espectros de DC en estado sólido hasta 120 nm.[19]​ A nivel mecánico cuántico, la densidad de características del dicroísmo circular y la rotación óptica son idénticas. La dispersión óptica rotativa y el dicroísmo circular comparten el mismo contenido de información cuántica.

Véase también

Referencias

  1. P. Atkins; J. de Paula (2005). Elements of Physical Chemistry (4th edición). Oxford University Press. ISBN 978-0-7167-7329-0. 
  2. Edward I. Solomon; A. B. P. Lever (3 de febrero de 2006). Inorganic electronic structure and spectroscopy. Wiley-Interscience. p. 78. ISBN 978-0-471-97124-5. Consultado el 29 de abril de 2011. 
  3. Introduction to Quantum Theory 2ED David Park Sec 2.2 Pg32 "...the polarization of a beam of light is exactly the same kind of thing as the spin of a beam of electrons, the differences of terminology reflecting only the accidents of the historical order of discovery."
  4. Gerald D. Fasman (1996). Circular dichroism and the conformational analysis of biomolecules. Springer. pp. 3-. ISBN 978-0-306-45142-3. Consultado el 29 de abril de 2011. 
  5. Kōji Nakanishi; Nina Berova; Robert Woody (1994). Circular dichroism: principles and applications. VCH. p. 473. ISBN 978-1-56081-618-8. Consultado el 29 de abril de 2011. 
  6. Solomon, Neidig; A. T. Wecksler; G. Schenk; T. R. Holman (2007). «Kinetic and Spectroscopic Studies of N694C Lipoxygenase: A Probe of the Substrate Activation Mechanism of a Non-Heme Ferric Enzyme». J. Am. Chem. Soc. 129 (24): 7531-7537. PMC 2896304. PMID 17523638. doi:10.1021/ja068503d. 
  7. Alison Rodger; Bengt Nordén (1997). Circular dichroism and linear dichroism. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855897-2. Consultado el 29 de abril de 2011. 
  8. R. Williams (1968). «Optical Rotatory Effect in the Nematic Liquid Phase of p-Azoxyanisole». Physical Review Letters 21 (6): 342. doi:10.1103/PhysRevLett.21.342. 
  9. R. Williams (1969). «Optical-rotary power and linear electro-optic effect in nematic liquid crystals of p-azoxyanisole». Journal of Chemical Physics 50 (3): 1324. doi:10.1063/1.1671194. 
  10. Plum, E.; Fedotov, V. A.; Zheludev, N. I. (2008). «Optical activity in extrinsically chiral metamaterial». Applied Physics Letters 93 (19): 191911. S2CID 117891131. doi:10.1063/1.3021082. 
  11. Plum, E.; Fedotov, V. A.; Zheludev, N. I. (2016). «Specular optical activity of achiral metasurfaces». Applied Physics Letters 108 (14): 141905. doi:10.1063/1.4944775. 
  12. Surma M.A.; Szczepaniak A.; Króliczewski J. (2014). «Comparative Studies on Detergent-Assisted Apocytochrome b6 Reconstitution into Liposomal Bilayers Monitored by Zetasizer Instruments». PLOS ONE 9 (11): e111341. Bibcode:2014PLoSO...9k1341S. ISSN 1932-6203. PMC 4244035. PMID 25423011. doi:10.1371/journal.pone.0111341. 
  13. Hall V, Nash A, Rodger A (2014). «SSNN, a method for neural network protein secondary structure fitting using circular dichroism data». Analytical Methods 6 (17): 6721-26. doi:10.1039/C3AY41831F. 
  14. Hall V, Nash A, Hines E, Rodger A (2013). «Elucidating protein secondary structure with circular dichroism and a neural network». Journal of Computational Chemistry 34 (32): 2774-86. PMID 24122928. doi:10.1002/jcc.23456. 
  15. Whitmore L, Wallace BA (2008). «Protein secondary structure analyses from circular dichroism spectroscopy: methods and reference databases». Biopolymers 89 (5): 392-400. PMID 17896349. doi:10.1002/bip.20853. 
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  17. Bioinorganic Interface: Mechanistic Studies of Protein-Directed Nanomaterial Synthesis. (5 de mayo de 2016). Recuoerado el 1 de marzo de 2019, from https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jpcc.6b02569
  18. Sarkar, Sumant, Ryan Behunin, and John G. Gibbs. "Shape-Dependent, Chiro-Optical Response of UV-Active, Nanohelix Metamaterials." Nano letters (2019). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03274
  19. U. Meierhenrich; J.J. Filippi; C. Meinert; J. H. Bredehöft; J. Takahashi; L. Nahon; N. C. Jones; S. V. Hoffmann (2010). «Circular Dichroism of Amino Acids in the Vacuum-Ultraviolet Region». Angew. Chem. Int. Ed. 49 (42): 7799-7802. PMID 20845349. doi:10.1002/anie.201003877. 

Enlaces externos

  • Espectroscopía mediante Dicroismo Circular por Alliance Protein Laboratories
  • Introducción a la Espectroscopía mediante Dicroismo Circular por Applied Photophysics
  • Tutorial paso a paso sobre Dicroismo Circular y Rotación Óptica por el Prof. Valev.
  •   Datos: Q899102
  •   Multimedia: Circular dichroism

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Dicroismo Circular DC es dicroismo que involucra luz polarizada circularmente es decir la absorcion diferencial de luz levogira y dextrogira 1 2 La luz polarizada circular a la izquierda LCI y circular a la derecha LCD representan dos posibles estados del momento angular de espin de un foton por lo que el dicroismo circular tambien se conoce como dicroismo del espin del momento angular 3 Este fenomeno fue descubierto por Jean Baptiste Biot Augustin Fresnel y Aime Cotton en la primera mitad del siglo XIX 4 El dicroismo circular y la birefringencia circular son manifestaciones de actividad optica Se manifiesta en las bandas de absorcion de las moleculas quirales opticamente activas La espectroscopia DC tiene un amplio abanico de aplicaciones en muchos campos diferentes Por ejemplo la DC UV es usada para investigar la estructura secundaria de las proteinas 5 la DV UV Vis es utilizada para investigar las transiciones con transferencia de carga 6 El DC mediante infrarrojo cercano es utilizado para investigar las estucturas geometricas y electronicas mediante el analisis de las transiciones metalicas d d 2 El dicroismo circular vibracional que utiliza luz de la region de energia infrarroja es usada para estudios estructurales de moleculas organicas pequenas y mas recientemente proteinas y ADN 5 Indice 1 Principios fisicos 1 1 Polarizacion circular de la luz 1 2 Interaccion de la luz polarizada circularmente con la materia 1 2 1 Delta Absorbancia 1 2 2 Dicroismo circular molar 1 2 3 Efectos extrinsecos en el dicroismo circular 1 2 4 Elipticidad molar 1 2 5 Elipticidad media de los residuos 2 Aplicacion a las moleculas biologicas 3 Limitaciones experimentales 4 Vease tambien 5 Referencias 6 Enlaces externosPrincipios fisicos EditarPolarizacion circular de la luz Editar Articulo principal Polarizacion circular La radiacion electromagnetica esta formada por un campo electrico E y un campo magnetico B que oscilan perpendicularmente entre si y a la direccion de propagacion 7 una onda transversal Mientras que la luz linealmente polarizada se produce cuando el vector del campo electrico oscila solo en un plano la luz circularmente polarizada se produce cuando la direccion del vector del campo electrico gira en torno a su direccion de propagacion mientras el vector mantiene una magnitud constante En un unico punto del espacio el vector de polarizacion circular trazara un circulo a lo largo de un periodo de la frecuencia de la onda de ahi su nombre El trazado del vector electrico polarizado circularmente forma una helice a lo largo de la direccion de propagacion k Para la luz polarizada circularmente a la izquierda LCP con propagacion hacia el observador el vector electrico gira en sentido contrario a las agujas del reloj 2 Para la luz con polarizacion circular derecha RCP el vector electrico gira en el sentido de las agujas del reloj Interaccion de la luz polarizada circularmente con la materia Editar Cuando la luz polarizada circularmente atraviesa un medio opticamente activo absorbente las velocidades entre las polarizaciones derecha e izquierda difieren cL cR asi como su longitud de onda lL lR y el grado de absorcion eL eR El dicroismo circular es la diferencia De eL eR 5 El campo electrico de un haz de luz provoca un desplazamiento lineal de la carga al interactuar con una molecula dipolo electrico mientras que su campo magnetico provoca una circulacion de la carga dipolo magnetico Estos dos movimientos combinados provocan la excitacion de un electron en un movimiento helicoidal que incluye la traslacion y la rotacion y sus operadores asociados La relacion determinada experimentalmente entre la fuerza de rotacion R de una muestra y el De viene dada por R e x p 3 h c 10 3 ln 10 32 p 3 N A D ϵ n d n displaystyle R exp frac 3hc10 3 ln 10 32 pi 3 N A int frac Delta epsilon nu d nu La fuerza de rotacion tambien se ha determinado teoricamente R t h e o 1 2 m c I m PS g M e l e c d i p o l e PS e d t PS g M m a g d i p o l e PS e d t displaystyle R theo frac 1 2mc Im int Psi g widehat M elec dipole Psi e d tau bullet int Psi g widehat M mag dipole Psi e d tau Vemos a partir de estas dos ecuaciones que para tener un D ϵ displaystyle Delta epsilon los operadores de momento dipolar electrico y magnetico M e l e c d i p o l e displaystyle widehat M elec dipole y M m a g d i p o l e displaystyle widehat M mag dipole deben transformarse como la misma representacion irreducible C n displaystyle C n y D n displaystyle D n son los unicos grupos puntuales en los que esto puede ocurrir haciendo que solo las moleculas quirales sean activas en DC Sencillamente como la propia luz polarizada circularmente es quiral interactua de forma diferente con las moleculas quirales Es decir los dos tipos de luz polarizada circularmente son absorbidos en diferente medida En un experimento de DC se irradian alternativamente cantidades iguales de luz con polarizacion circular izquierda y derecha de una longitud de onda seleccionada en una muestra quiral Una de las dos polarizaciones se absorbe mas que la otra y esta diferencia de absorcion dependiente de la longitud de onda se mide dando lugar al espectro de DC de la muestra Debido a la interaccion con la molecula el vector del campo electrico de la luz traza una trayectoria eliptica despues de pasar por la muestra Es importante que la quiralidad de la molecula pueda ser conformacional y no estructural Es decir por ejemplo una molecula de proteina con una estructura secundaria helicoidal puede tener una DC que cambia con los cambios en la conformacion Delta Absorbancia Editar Por definicion D A A L A R displaystyle Delta A A L A R donde DA Delta Absorbancia es la diferencia entre la absorbancia de la luz con polarizacion circular izquierda LCP y la luz con polarizacion circular derecha RCP esto es lo que se suele medir DA es una funcion de la longitud de onda por lo que para que una medicion sea significativa debe conocerse la longitud de onda a la que se ha realizado Dicroismo circular molar Editar Tambien se puede expresar aplicando la ley de Beer como D A ϵ L ϵ R C l displaystyle Delta A epsilon L epsilon R Cl donde eL y eR son los coeficientes de extincion molar para la luz LCP y RCP C es la concentracion molar l es la longitud del camino en centimetros cm Entonces D ϵ ϵ L ϵ R displaystyle Delta epsilon epsilon L epsilon R es el dicroismo circular molar Esta propiedad intrinseca es lo que se suele entender por dicroismo circular de la sustancia Dado que D ϵ displaystyle Delta epsilon es una funcion de la longitud de onda un valor de dicroismo circular molar D ϵ displaystyle Delta epsilon debe especificar la longitud de onda en la que es valido Efectos extrinsecos en el dicroismo circular Editar En muchas aplicaciones practicas del dicroismo circular DC como se comenta a continuacion la DC medida no es simplemente una propiedad intrinseca de la molecula sino que depende de la conformacion molecular En este caso la DC tambien puede ser una funcion de la temperatura la concentracion y el entorno quimico incluidos los disolventes En este caso el valor de la DC notificado debe especificar tambien estos otros factores relevantes para que tenga sentido En las estructuras ordenadas que carecen de doble simetria rotacional la actividad optica 8 9 incluida la transmision diferencial 10 y reflexion 11 de las ondas polarizadas circularmente tambien depende de la direccion de propagacion a traves del material En este caso la llamada quiralidad extrinseca 3d esta asociada a la orientacion mutua del haz de luz y la estructura Elipticidad molar Editar Aunque normalmente se mide la DA por razones historicas la mayoria de las mediciones se reportan en grados de elipticidad La elipticidad molar es el dicroismo circular corregido por la concentracion El dicroismo circular molar y la elipticidad molar 8 se interconvierten facilmente mediante la ecuacion La luz polarizada eliptica violeta esta compuesta por contribuciones desiguales de luz polarizada circular derecha azul e izquierda roja 8 3298 2 D e displaystyle theta 3298 2 Delta varepsilon Esta relacion se obtiene definiendo la elipticidad de la polarizacion como tan 8 E R E L E R E L displaystyle tan theta frac E R E L E R E L donde ER y EL Son las magnitudes de los vectores de campo electrico de la luz polarizada circularmente a la derecha y a la izquierda respectivamente Cuando ER es igual a EL cuando no hay diferencia en la absorbencia de la luz polarizada circularmente a la derecha y a la izquierda 8 es 0 y la luz esta polarizada linealmente Cuando ER o EL es igual a cero cuando hay una absorcion completa de la luz polarizada circularmente en una direccion 8 es 45 y la luz esta polarizada circularmente Generalmente el efecto de dicroismo circular es pequeno por lo que tan 8 es pequeno y puede aproximarse como 8 en radianes Como la intensidad o irradiancia I de la luz es proporcional al cuadrado del vector del campo electrico la elipticidad se convierte en 8 radians I R 1 2 I L 1 2 I R 1 2 I L 1 2 displaystyle theta text radians frac I R 1 2 I L 1 2 I R 1 2 I L 1 2 Entonces sustituyendo por I utilizando la ley de Beer en forma de logaritmo natural I I 0 e A ln 10 displaystyle I I 0 e A ln 10 La elipticidad se puede escribir ahora como 8 radians e A R 2 ln 10 e A L 2 ln 10 e A R 2 ln 10 e A L 2 ln 10 e D A ln 10 2 1 e D A ln 10 2 1 displaystyle theta text radians frac e frac A R 2 ln 10 e frac A L 2 ln 10 e frac A R 2 ln 10 e frac A L 2 ln 10 frac e Delta A frac ln 10 2 1 e Delta A frac ln 10 2 1 Como DA lt lt 1 esta expresion se puede aproximar expandiendo los exponenciales en una serie de Taylor de primer orden y luego descartando terminos de DA en comparacion con la unidad y convirtiendo de radianes a grados 8 degrees D A ln 10 4 180 p displaystyle theta text degrees Delta A left frac ln 10 4 right left frac 180 pi right La dependencia lineal de la concentracion de soluto y la longitud de la trayectoria se elimina definiendo la elipticidad molar como 8 100 8 Cl displaystyle theta frac 100 theta text Cl Entonces combinando las dos ultimas expresiones con la ley de Beer la elipticidad molar se convierte en 8 100 D e ln 10 4 180 p 3298 2 D e displaystyle theta 100 Delta varepsilon left frac ln 10 4 right left frac 180 pi right 3298 2 Delta varepsilon Las unidades de elipticidad molar son historicamente deg cm2 dmol Para calcular la elipticidad molar hay que conocer la concentracion de la muestra g L la longitud de la celula cm y el peso molecular g mol Si la muestra es una proteina a menudo se utiliza el peso medio de los residuos peso molecular medio de los residuos de aminoacidos que contiene en lugar del peso molecular tratando esencialmente la proteina como una solucion de aminoacidos El uso de la elipticidad media de los residuos facilita la comparacion de la DC de proteinas de diferente peso molecular el uso de esta DC normalizada es importante en los estudios de la estructura de las proteinas Elipticidad media de los residuos Editar Los metodos para estimar la estructura secundaria en polimeros proteinas y polipeptidos en particular a menudo requieren que el espectro de elipticidad molar medido se convierta en un valor normalizado especificamente un valor independiente de la longitud del polimero Para ello se utiliza la elipticidad media de los residuos que es simplemente la elipticidad molar medida de la molecula dividida por el numero de unidades monomericas residuos de la molecula Aplicacion a las moleculas biologicas Editar Panel superior Espectroscopia de dicroismo circular en la region de longitud de onda ultravioleta UV CD de la proteina de fusion MBP citocromo b6 en diferentes soluciones detergentes Muestra que la proteina en DM asi como en la solucion de Triton X 100 recupero su estructura Sin embargo los espectros obtenidos en la solucion de SDS muestran una disminucion de la elipticidad en el rango entre 200 y 210 nm lo que indica una recuperacion incompleta de la estructura secundaria Panel inferior El contenido de las estructuras secundarias predichas a partir de los espectros de DC utilizando el algoritmo CDSSTR La proteina en solucion SDS muestra un mayor contenido de estructuras desordenadas y un menor contenido de helices 12 En general este fenomeno se presenta en las bandas de absorcion de cualquier molecula opticamente activa En consecuencia las moleculas biologicas presentan dicroismo circular debido a sus componentes dextrogiros y levogiros Aun mas importante es que una estructura secundaria tambien impartira un DC distinto a sus respectivas moleculas Asi la helice alfa de las proteinas y la doble helice de los acidos nucleicos tienen firmas espectrales de DC representativas de sus estructuras La capacidad del DC para dar una firma estructural representativa la convierte en una poderosa herramienta de la bioquimica moderna con aplicaciones que pueden encontrarse en practicamente todos los campos de estudio El DC esta estrechamente relacionada con la tecnica de dispersion optica rotatoria ORD y generalmente se considera mas avanzada El DC se mide en o cerca de las bandas de absorcion de la molecula de interes mientras que la ORD puede medirse lejos de estas bandas La ventaja del DC es evidente en el analisis de los datos Los elementos estructurales se distinguen mas claramente ya que sus bandas registradas no se solapan ampliamente en determinadas longitudes de onda como ocurre en la ORD En principio estas dos mediciones espectrales pueden interconvertirse mediante una transformada integral relaciones de Kramers Kronig si se incluyen todas las absorciones en las mediciones El espectro de DC en el ultravioleta de las proteinas puede revelar importantes caracteristicas de su estructura secundaria Los espectros de DC pueden utilizarse facilmente para estimar la fraccion de una molecula que se encuentra en la conformacion de la helice alfa la conformacion de la lamina beta la conformacion de la vuelta beta o alguna otra conformacion por ejemplo la bobina aleatoria 13 14 15 16 Estas asignaciones fraccionarias imponen importantes restricciones a las posibles conformaciones secundarias en las que puede estar la proteina En general el DC no puede decir donde se encuentran las helices alfa detectadas dentro de la molecula ni siquiera predecir completamente cuantas hay A pesar de ello el DC es una herramienta valiosa especialmente para mostrar los cambios de conformacion Puede utilizarse por ejemplo para estudiar como cambia la estructura secundaria de una molecula en funcion de la temperatura o de la concentracion de agentes desnaturalizantes como el cloruro de guanidinio o la urea De este modo puede revelar informacion termodinamica importante sobre la molecula como la entalpia y la energia de Gibbs de desnaturalizacion que no puede obtenerse facilmente de otro modo Cualquiera que intente estudiar una proteina encontrara en el DC una valiosa herramienta para verificar que la proteina esta en su conformacion nativa antes de emprender extensos y o costosos experimentos con ella Ademas la espectroscopia de DC tiene otros usos en la quimica de las proteinas que no estan relacionados con la estimacion de la fraccion de helice alfa Ademas la espectroscopia de DC se ha utilizado en estudios de interfaces bioinorganicas En concreto se ha utilizado para analizar las diferencias en la estructura secundaria de una proteina manipulada antes y despues de la valoracion con un reactivo 17 El espectro de DC en el UV cercano gt 250 nm de las proteinas proporciona informacion sobre la estructura terciaria Las senales obtenidas en la region de 250 300 nm se deben a la absorcion la orientacion dipolar y la naturaleza del entorno de los aminoacidos fenilalanina tirosina cisteina o puentes disulfuro S S y triptofano A diferencia del DC en ultravioleta lejano el espectro de DC en ultravioleta cercano no puede asignarse a ninguna estructura 3D en particular Mas bien los espectros de DC en UV cercano proporcionan informacion estructural sobre la naturaleza de los grupos prosteticos en las proteinas por ejemplo los grupos hemo en la hemoglobina y el citocromo c La espectroscopia DC visible es una tecnica muy potente para estudiar las interacciones metal proteina y puede resolver transiciones electronicas d d individuales como bandas separadas Los espectros de DC en la region de la luz visible solo se producen cuando un ion metalico se encuentra en un entorno quiral por lo que no se detectan los iones metalicos libres en solucion Esto tiene la ventaja de que solo se observa el metal unido a la proteina por lo que la dependencia del pH y las estequiometrias se obtienen facilmente La actividad optica en los complejos de iones metalicos de transicion se ha atribuido a efectos configuracionales conformacionales y vicinales Klewpatinond y Viles 2007 han elaborado un conjunto de reglas empiricas para predecir la aparicion de espectros de DC visibles para complejos cuadrangulares de Cu2 and Ni2 que implican coordinacion de histidina y cadena principal El DC ofrece menos informacion estructural especifica que la cristalografia de rayos X y la espectroscopia de RMN de proteinas por ejemplo que ofrecen datos de resolucion atomica Sin embargo la espectroscopia de DC es un metodo rapido que no requiere grandes cantidades de proteinas ni un amplio procesamiento de datos Asi el DC puede utilizarse para estudiar un gran numero de condiciones de disolventes variando la temperatura el PH la salinidad y la presencia de diversos cofactores La espectroscopia de DC suele utilizarse para estudiar las proteinas en solucion por lo que complementa los metodos que estudian el estado solido Esto tambien supone una limitacion ya que muchas proteinas estan incrustadas en membranas en su estado nativo y las soluciones que contienen estructuras de membrana suelen presentar una fuerte dispersion El DC se mide a veces en peliculas finas La espectroscopia de DC tambien se ha realizado utilizando materiales semiconductores como el TiO2 para obtener grandes senales en el rango de longitudes de onda del ultravioleta donde suelen producirse las transiciones electronicas de las biomoleculas 18 Limitaciones experimentales EditarEl DC tambien se ha estudiado en los hidratos de carbono pero con un exito limitado debido a las dificultades experimentales asociadas a la medicion de los espectros de DC en la region ultravioleta del vacio VUV del espectro 100 200 nm donde se encuentran las bandas de DC correspondientes de los hidratos de carbono no sustituidos Se han medido con exito carbohidratos sustituidos con bandas por encima de la region VUV La medicion del DC tambien se complica por el hecho de que los sistemas tampon acuosos tipicos suelen absorber en el rango en el que las caracteristicas estructurales muestran una absorcion diferencial de la luz polarizada circularmente Los tampones de fosfato sulfato carbonato y acetato son generalmente incompatibles con el DC a menos que se hagan extremadamente diluidos por ejemplo en el rango de 10 50 mM El sistema de tampones TRIS debe evitarse por completo cuando se realiza el DC de UV lejano Los compuestos de borato y onio se utilizan a menudo para establecer el rango de pH adecuado para los experimentos de DC Algunos experimentadores han sustituido el ion cloruro por fluoruro porque este absorbe menos en el UV lejano y algunos han trabajado en agua pura Otra tecnica casi universal es minimizar la absorcion del disolvente utilizando celdas de menor longitud de trayecto cuando se trabaja en el UV lejano las longitudes de trayecto de 0 1 mm no son infrecuentes en este trabajo Ademas de la medicion en sistemas acuosos el DC en particular la DC de ultravioleta lejana puede medirse en disolventes organicos por ejemplo etanol metanol o trifluoroetanol TFE Este ultimo tiene la ventaja de inducir la formacion de la estructura de las proteinas induciendo laminas beta en algunas y helices alfa en otras que no mostrarian en condiciones acuosas normales Sin embargo los disolventes organicos mas comunes como el acetonitrilo el THF el cloroformo y el diclorometano son incompatibles con el DC de ultravioleta lejana Puede ser interesante observar que los espectros de DC de proteinas utilizados en la estimacion de la estructura secundaria estan relacionados con las absorciones de los orbitales p a p de los enlaces amida que unen los aminoacidos Estas bandas de absorcion se encuentran en parte en el llamado ultravioleta de vacio longitudes de onda inferiores a unos 200 nm La region de longitudes de onda de interes es en realidad inaccesible en el aire debido a la fuerte absorcion de la luz por parte del oxigeno en estas longitudes de onda En la practica estos espectros no se miden en el vacio sino en un instrumento sin oxigeno lleno de gas nitrogeno puro Una vez eliminado el oxigeno quiza el segundo factor tecnico mas importante para trabajar por debajo de 200 nm sea disenar el resto del sistema optico para que tenga bajas perdidas en esta region En este sentido es fundamental el uso de espejos aluminizados cuyos revestimientos hayan sido optimizados para tener bajas perdidas en esta region del espectro La fuente de luz habitual en estos instrumentos es una lampara de xenon de alta presion y arco corto Las lamparas de arco de xenon ordinarias no son adecuadas para su uso en el UV bajo En su lugar deben utilizarse lamparas especialmente construidas con envolturas de silice fundida sintetica de gran pureza La luz de las fuentes de sincrotron tiene un flujo mucho mayor a longitudes de onda cortas y se ha utilizado para registrar el DC hasta 160 nm En 2010 se utilizo el espectrofotometro de DC de la instalacion de anillos de almacenamiento de electrones ISA de la Universidad de Aarhus Dinamarca para registrar espectros de DC en estado solido hasta 120 nm 19 A nivel mecanico cuantico la densidad de caracteristicas del dicroismo circular y la rotacion optica son identicas La dispersion optica rotativa y el dicroismo circular comparten el mismo contenido de informacion cuantica Vease tambien EditarDicroismo lineal Dicroismo circular magnetico Actividad optica Isomerismo optico Rotacion optica Dispersion rotatoria optica Dicroismo circular de dos fotones Dicroismo circular vibracional Actividad de dispersion optica hiper RayleighReferencias Editar P Atkins J de Paula 2005 Elements of Physical Chemistry 4th edicion Oxford University Press ISBN 978 0 7167 7329 0 a b c Edward I Solomon A B P Lever 3 de febrero de 2006 Inorganic electronic structure and spectroscopy Wiley Interscience p 78 ISBN 978 0 471 97124 5 Consultado el 29 de abril de 2011 Introduction to Quantum Theory 2ED David Park Sec 2 2 Pg32 the polarization of a beam of light is exactly the same kind of thing as the spin of a beam of electrons the differences of terminology reflecting only the accidents of the historical order of discovery Gerald D Fasman 1996 Circular dichroism and the conformational analysis of 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externos EditarEspectroscopia mediante Dicroismo Circular por Alliance Protein Laboratories Introduccion a la Espectroscopia mediante Dicroismo Circular por Applied Photophysics Tutorial paso a paso sobre Dicroismo Circular y Rotacion optica por el Prof Valev Datos Q899102 Multimedia Circular dichroism Obtenido de https es wikipedia org w index php title Dicroismo circular amp oldid 137754781, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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