Acetilcolina, la clau per tractar l'Alzheimer?

L'acetilcolina és el neurotransmissor* més abundant al nostre cos, implicat en la memòria i concentració, el seu procés de dessensibilització implica un enzim (acetilcolinesterasa) que degrada l'acetilcolina ràpidament. L'Alzheimer és una malaltia neurodegenerativa que té una quantitat anormal d'acetilcolina (el que provoca problemes de memòria), per això inhibir temporalment l'acetilcolinesterasa podria fer que aquests nivells d'acetilcolina fossin els adequats.

Per poder comprendre com l'acetilcolina està relacionada amb l'Alzheimer primer hem d'explicar que és l'acetilcolina i com funciona igual que també hem d'entendre que és l'alzheimer.

Acetilcolina

L'acetilcolina (Ach) és el neurotransmissor més abundant i important del sistema nerviós central i perifèric. Funciona tant com a neurotransmissor com a neuromodulador que indueix tant l'excitació com la inhibició de diferents processos en l'organisme. Va ser el primer neurotransmissor a ser aïllat, ho va fer Henry Hallett Dale el 1915, i va ser el 1921 gràcies al farmacòleg i psicobiòleg alemany Otto Loewi que va descriure gran part de les seves funcions. Ambos van ser recompensats amb el premi Nobel el 1936. Otto va descobrir la implicació d'aquesta molècula en la regulació de vigília-són. Originalment es va denominar a aquest neurotransmissor "vagusstoff", ja que es va detectar en el nervi vago. Des de el seu descobriment, s'ha vist que l'Ach promou la formació i consolidació de la memòria (neuroplasticitat), implicat en la respiració, freqüència cardíaca, la digestió, aprenentatge, percepció del dolor, el control motor, l'atenció, l'agressivitat, la sexualitat i la set. Com podem veure la majoria de les implicacions es troben en el sistema nerviós autònom. Donat que està implicat en els processos de memòria i concentració és un dels components més comuns en els nootropics (tema del qual discutirem en un altre article).

L'acetilcolina juga un paper important en l'Alzheimer ja que esta implicat en la consolidació de la memoria i el Parkinson, ja que l'acetilcolina juntament amb la dopamina són els que permeten els moviments musculars suaus, un desequilibri en aquestes podria provocar moviments inestables i desiguals, característics de la malaltia del Parkinson.

Estructura química 3D de l'acetilcolina. Imatge extreta de:https://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2F1%2F%40shutterstock_1182914692.jpg

Síntesi

És sintetitzat per les neurones del sistema nerviós perifèric (neurones colinèrgiques) a partir d'acetilCoA i colina, que provenen de la crema de sucres i greixos, un enzim (colinoacetiltransferasa, CAT, aquest enzim es troba atrofiat en l'Alzheimer) transfereix la colina a l'acetil, formant així acetilcolina i SH-CoA. Aquesta síntesi es produeix en el citoplasma des d'on seran enviades per l'axó fins a arribar al botó terminal on quedaran guardades fins que hi arribi un estímul que provoqui la seva alliberació. La colina és un nutrient relacionat amb el complex de la vitamina B, que es troba principalment en aliments d'origen animal, aquesta no pot ser produida pel cos per tant s'ha de pendre a través de la dieta. L'acetilCoA prové de la glucosa amb la vitamina B5 com cofactor.

Imatge extreta de: Nc54-05-acetilcolina (medigraphic.com)

Receptors

L'acetilcolina te dos receptors associats:

- Nicotínics (nAChR), estan associats als canals iònics, per tant serveixen per transmetre l'informació a través de la despolarització i repolarització de les neurones. És en aquest receptor on la nicotina actua (d'aquí el seu nom), ja que interactua amb aquests receptors imitant a l'acetilcolina i d'aquesta manera provocar l'alliberació de dopamina (entre altres neurotransmissors) que en ultima instància és el que provoca l'addició. Majoritàriament es tracta d'un receptor excitatori.

- Receptors muscarínics (M1-M5) que estan acoblats a la proteïna G de membrana, el que implica que és d'actuació lenta i amb un efecte més prolongat. Aquest tipus de receptor sol estar en major presència en l'encèfal i en el sistema nerviós parasimpàtic. Tant pot actuar d'excitatori com d'inhibidor. Etímologicament prové de la substancia externa que actua sobre aquest receptor, en aquest cas la toxina del fong muscarina. 

Estructura dels diferents receptors de l'acetilcolina. Imatge extreta de:https://slidetodoc.com/presentation_image_h/803fc51fa3ed81e8a4e639d319c3bd20/image-36.jpg

L'activitat anormal d'aquests receptors està associat amb l'adicció, l'esquizofrenia i la malaltia de Huntington.

Taula de farmacs que tenen acció sobre el sistema colinergics. Imatge extreta de: Nc54-05-acetilcolina (medigraphic.com)

Funcionament

Per a receptors nicotínics:

En el sistema nerviós perifèric l'acetilcolina es guarda en vesícules en els extrems de les neurones colinèrgiques. En arribar un impuls a aquesta neurona secreta l'Ach en la unió neuromuscular que interactua amb una molècula receptora en la membrana postsinàptica d'una fibra muscular. Aquesta unió provoca un canvi en la permeabilitat de la membrana permetent que s'obrin canals que permeten l'entrada d'ions, Na+ i Ca2+, que dona lloc a la contracció de la cèl·lula muscular. Com tot neurotransmissor té un sistema de dessensibilització, ja que no voldríem tenir el múscul contret tot el dia sinó que volem que es pugui regular, això es graciés a un altre enzim (acetilcolinesterasa) que talla aquesta molècula, amb la qual cosa és ràpidament destruïda i per tant és efectiva breument, és a dir té una vida curta. Els inhibidors en aquest enzim són els que provoquen un augment temporal d'acetilcolina i la seva vida, aquests inhibidors són per exemple la fisostigmina i neostigmina que s'usen en certes afeccions gastrointestinals i en la miastènia greu.

Per a receptors muscarínics:

Aquests receptors estan presents en diversos òrgans i teixits en la perifèria i dins del sistema nerviós central. En el cervell els receptors muscarínics estan en terminals sinàptiques, regulant l'alliberació de neurotransmissors autoreceptors i heterorrecepetors. Aquests receptors es classifiquen segons l'afinitat per pirenzepina. M1 és d'alta afinitat i predominants en el cos estriat, l'hipocamp i cortesa cerebral. M2 són de baixa afinitat i es localitzen en la cortesa cerebral. Dels altres 3 falta informació. Com s'ha explicat abans, aquests són receptors acoblats a proteïna G.

El funcionament consisteix en l'alliberació d'acetilcolina i la interacció amb el receptor muscarínic, aquest entra en contacte amb la proteïna G i provoca un canvi conformacional (es separen les subunitats de la proteïna G) que canvia el GDP a GTP. La subunitat alfa activa la proteïna diana en aquest cas l'adenilat ciclasa (missatger secundari l'AMP cíclic) que obre els canals regulats per AMPc. Els efectes funcionals de l'AMPc són:

- Activació de la PKC (proteïna cinasa activada per AMPc, enzim que catalitza la transferència de grups fosfats de l'ATP que regula canals iònics) i fosforilació de la proteïna

- Inhibició de fosfatases

- Regulació directa dels canals iònics, com els canals catiònics no selectius presents en les cèl·lules sensorials olfactives i visual.

- Regulació de l'expressió de gens. Les subunitats catalítiques del PKA poden trastocar-se al nucli on fosforilen una proteïna CREB que estimula la transcripció de gens.

Funcions

Funciona de manera diferent segons la seva ubicació i el tipus de receptor, per exemple en els músculs té un efecte excitador però en el cor inhibidor. En el sistema nerviós central la seva funció principal és excitadora. Aquestes són les funcions principals de l'acetilcolina:

1-Control dels músculs

2-Disminució de la freqüència cardíaca:L'acetilcolina actua com a vasodilatador en el sistema cardiovascular.

3-Estimulació del moviment intestinal

4-Estimulació de la fase REM de la son. Ja que es concentra en el prosencèfal basal el que provoca que entrem en una fase del son ràpida i permet emmagatzemar millor els records i la informació obtinguda durant el dia.

5-Regulació i síntesi d'hormones

6-Promoció de la neuroplasticitat.Consciència, atenció i aprenentatge, ja que provoca que la cortesa cerebral es mantingui activa i per tant permeti l'aprenentatge.

7-Consolidació de records. Ja que participa en la gestió de l'hipocamp.

8-Percepció del dolor

9-Disminució de la capacitat de la bufeta. Ja que actua sobre la hipòfisi que és important en les funcions endocrines es pot controlar la quantitat de líquid a expulsar i gràcies a què l'acetilcolina pot provocar la inhibició de l'activitat muscular de la bufeta impedint que augmenti molt la mida.

10-Activació dels sentits al despertar

Imatge extreta de:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Agonismo-Antagonismo.png

Alzheimer

L'Alzheimer és un tipus de demència que causa problemes a la memòria, pensament i comportament. Els símptomes es desenvolupen lentament i empitjoren amb el temps. És el tipus més comú de demència (entre el 60 i 80% dels casos de demència son Alzheimer). En l'actualitat l'Alzheimer no et cura per existeixen tractaments pels símptomes alentint un temps l'empitjorament d'aquests símptomes.

Diferencies entre un cervell sa (esquerra) i un amb Alzheimer (dreta). Imatge extreta de:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Cerebro_corte_frontal_Alzheimer.jpg

Causes: 

Els canvis en el cervell apareixen molt abans que apareguin els símptomes. Hi ha dues estructures anormals que són la principal sospita de fer mal i matar les cèl·lules nervioses:

- les plaques: dipòsits d'un fragment de proteïna (beta-amiloide) que s'acumula entre les cèl·lules nervioses, quan aquests fragments s'acumulen produeixen un efecte tòxic i interrompen la comunicació entre neurones.

- Els cabdello: fibres recaragolades de la proteïna TAU que s'acumula dins la cèl·lula. Aquestes es desenvolupen amb l'edat, però amb la malaltia es desenvolupen molts més amb un patró predictible.

Imatge extreta de:https://blogger.googleusercontent.com/img/proxy/AVvXsEjc9ebSHOU2XrEK1uI59tYbFD2aoJnOnpg2hNxhIGJU5udRa7PtHhthmBeDf9ahYDY8pSQZdBMS3MAPDAIfonmRr6taHzaUN_ZGRrQQnOajzkUExYekHYusAsxg9_gXp6b972J08Ufumf9jJb9IhVf94q54pnxZVRy0TtTRoJQ=

Símptomes:

- dificultat per recordar informació apresa recentment.

- confusió i desorientació- canvi d'humor i comportament

- dificultat per parlar, tragar i caminar

Estan posades en ordre d'aparició segons avança la malaltia

Tractament: Alguns fàrmacs ajuden a millorar els símptomes, entre ells hi ha que actuen en l'àmbit de l'acetilcolinesterasa, se sol indicar en fases lleu a moderadament greus de la malaltia, permet potenciar temporalment algunes funcions cognitives com la memòria i l'atenció. Alguns dels medicaments que actuen a aquest nivell: Donepezil, galantamina i la rivastigmina.

Estructura molecular de la rivastigmina. Imatge extreta de:https://filesedc.com/uploads//other/2019/03/760/la-rivastigmina-es-un-farmaco-que-se-comercializa-bajo-los-nombres-de-prometax-y-exelon.png

- Memantina per a fases greus de la malaltia que està implicat en l'acció del glutamat que també està implicat en algunes funcions cognitives.

Imatge extreta de:https://blogger.googleusercontent.com/img/proxy/AVvXsEjR4RqDwmm6ZYN2UPOol5aSRXhehEL1FgQJAzgApaeGeq6vGFfb8NEPlkb7sDDP9Az335DTpYKdl5Bg82tjG54CX5RqWNgWDMLXRgYIzlb5I_4dtUQ50EXc-EP-CvuwJVt5UgoJ_7cyMQEqe4T0gsxghL1H_a2yPWRZRPVsladZSGoBCo_xcMj31gXQVZKpOKhX0t4_-9dZJ0P1UzbLEuG3bFM8lXyunR3GkYrzcldA3AXEc9AyUPY1bWTGJ6_ZiBK1At0nO2Oi0PvmLsy_WVDSj2qGNSTZwg=

- Fàrmacs pel control d'alteracions conductuals com poden ser depressió, ansietat, deliris, problemes de la son entre altres.

Imatge de l'estructura quimica de la sertralina, un antidepresiu. imetge estreta de:https://pymstatic.com/4410/conversions/sertralina-wide.jpg

Altres teràpies que no impliquen fàrmacs són els programes d'estimulació cognitiva com poden ser les de reminiscència, la musicoteràpia i grups terapèutics.

Els Inhibidors com a tractament de l'Alzheimer:

Ara que ja sabem més o menys com actua l'acetilcolina i quins efectes te la disminució d'aquest neurotransmissor ja podem tornar a l'inici de la qüestió.

Com hem dit un mal funcionament de les neurones colinèrgiques pot produir una mala síntesi d'acetilcolina, aquest mal funcionament està associat a la malaltia d'Alzheimer. En un estudi es va poder observar que en l'hipocamp i en la cortesa cerebral presentaven un 90% menys de nivells de CAT (l'enzim que sintetitza l'acetilcolina). Per això l'ús d'inhibidors de l'acetilcolinesterasa (l'enzim que elimina l'acetilcolina) poden ser fructífers per evitar o regular l'activitat de l'acetilcolina. 

Els inhibidors que actuen sobre el centre actiu de l'enzim impedeixen la unió de la molècula substrat (acetilcolina). Hi ha diversos tipus d'inhibidors:

- inhibidors pseudoirreversibles: El prototipi és la fisostigmina que va ser el primer inhibidor estudiat per al tractament de l'Alzheimer. Aquests inhibidors són reversibles per tarda molt en ser-ho.

-inhibidors irreversibles: Metrifonat o el gas Sarin actuen bloquejant permanentment aquest enzim provocant problemes respiratoris i en el múscul. El gas nerviós Sarin és un inhibidor suïcida, ja que es manté permanentment unit a l'enzim (unió covalent al lloc catalític).

- inhibidors tipus anàlegs d'estat de transició: Iodur de trifluoroacetofenona.

- inhibidors reversibles: Són els que interactuen amb l'enzim prop del lloc catalític sense produir enllaços covalents, un tipus serien els inhibidors competitius com la rivastigmina. Hi ha tres grans famílies: tacrines (amb nombrosos anàlegs), les N-bencilpiperidines i els alcaloides (galantamina).

Donat que l'acetilcolina no es la causa de la malaltia no la podría curar, simplement pot servir per disminuir els símptomes de la malaltia, però no permetria curar-la de cap forma, per això s'hauria d'anar a buscar una solució a la causa del problema com podria ser un enzim que detectes l'acumulació de beta-amiloide i quan hi hagués nivells molt alts la degradessin evitant els efectes tòxics així evitant la formació de les plaques. Pel que fa a tractaments de símptomes els inhibidors de l'acetilcolinesterasa són una bona solució temporal per a mantenir la cortesa cerebral activa i bon emmagatzematge dels records relacionat amb l'hipocamp.

Com hem pogut observar els inhibidors no són una cura per l'Alzheimer, per això encara ens haurem d'esperar una mica.

* neurotransmissor: molècules produïdes per les neurones que regulen l'activitat del sistema nerviós, permetent així la transmissió d'informació.

Bibliografia:

Informació de com funciona l'Acetilcolina. Recollit el 29 de setembre de 2021: Acetilcolina (neurotransmisor): qué es, funciones y características (medicoplus.com)

Neurotoxines: entre la mort i l'èxtasis. Recollit el 29 de setembre de 2021:La ciencia y el hombre (uv.mx)

Estructura i funció dels receptors acetilcolina de tipus muscarínic i nicotínic. Recollit el 29 de setembre de 2021:Nc54-05-acetilcolina (medigraphic.com)

Funcions de l'acetilcolina. Recollit el 29 de setembre de 2021: Acetilcolina – Neurotropy™

Microscopíes, més enllà dels cons i bastons

Un recorregut pels diferents tipus de microscopis fins als actuals que ens permeten veure fins i tot els àtoms dels materials.

Ens situem en el segle XVII quan les eines per veure més enllà del que la nostra vista encara estaven per perfeccionar, ja que el primer microscopi del segle XVI de Zacharias Janssen es basava en dos lents convergents que permetien només 9 augments, l'objectiu inicial no era pas fer un microscopi sinó fer unes lents per la gent que tenia moltes diòptries.

A principis del segle XVII Johannes Kepler suggereix una forma de fabricar microscopis compostos que posteriorment Robert Hooke usarà per estudiar el suro i veure les petites cel·les anomenades cèl·lules. Va ser als finals d'aquest segle quan Anton van Leeuwenhoek va perfeccionar aquest microscopi. Aquest no és per res similar al que entenem ara per microscopi òptic, aquest semblava més a una lupa, ja que en el seu recorregut com a comerciant de teles l'havia d'usar, per tant la va perfeccionar: va usar lents biconvexes sobre platines de llautó que s'aguantava prop de l'ull com si fossin ulleres i tenia un augment de 200x.

Microscopi usat per Robert Hooke. Imatge extreta de: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/30/Hooke_Microscope.jpg/220px-Hooke_Microscope.jpg

Microscopi disenyat per Leeuwenhoek. Imatge extreta de: http://1.bp.blogspot.com/_10QP1AIdVug/S8Dt-emR46I/AAAAAAAAAC4/JbYFrRAKEPs/s1600/microsc%C3%B3pio.gif

Durant el segle següent el microscopi va tenir avenços mecànics que augmentaven la seva estabilitat i facilitat d'ús . Les millores es van produir al final del segle XIX arran de les publicacions de Ernst Abbe sobre la teoria del microscopi, la millora va consistir en la substitució de l'aigua per oli la qual cosa va permetre obtenir augments de 2000x.

El gran canvi de la microscòpia va ser al segle XX amb el microscopi electrònic que es basava en la interacció dels electrons (TEM 1931, SEM 1942) amb la mostra i els posteriors basats en la proximitat (STM 1981, SNOM 1984, AFM 1988, SECM 1989).

Tipus de microscopis:

Segons el nombre d'oculars: Monocular, binocular (la imatge és dividida mitjançant una prima òptica), trinocular (consisteix en dos oculars per la persona i un tercer per connectar una càmera) i digital (que consisteix en una càmera en comptes d'ocular).

Segons el tipus d'interacció amb la mostra: òptic (interacció amb llum visible), electrònic (interacció amb electrons) i de proximitat (basat en la interacció directa amb la mostra, topografia).

Segons l'il·luminació: electrònic (electrons), òptic (llum visible), llum ultraviolada (major resolució i contrast que l'òpitc), llum polaritzada (una longitud d'una amb una direcció concreta d'oscil·lació, útil per observar estructures cristal·lines de minerals i roques), florescència.

Segons el mètode de transmissió de la llum: llum transmesa (la llum que travessa la mostra, es necessiten mostres molt fines, el focus de la llum esta situada sota la mostra), llum reflectida (el focus de la llum se situa sobre la mostra, útil per a mostres opaques).

Característiques

Microscopi òptic

Basat en lents òptiques i la llum visible, és el més bàsics dels microscopis, però el que va marcar un abans i després per a la biologia i medicina. La imatge que s'obté esta invertida. Els augments** de la mostra són definits per la multiplicació del número d'augments de l'objectiu pel de l'ocular ( el més usat sol ser de 10x). Comunment és sol associar als treballs de Anton van Leeuwenhoek.

Límit màxim de resolució*: 0,2 micròmetres

Parts: 

- Condensador: Lent òptica convergent que concentra la llum sobre la mostra. 

- Diafragma: disc obturador que regula la quantitat de llum que arriba a la mostra. 

- Platina: superfície on es col·loca la preparació, amb pinces que la subjecten i un braç que permet el seu desplaçament en els dos eixos de la superfície. 

- Caragols Macro i micromètrics: per moure la platina verticalment, el micromètric és per a grans distàncies i el micromètric és per tenir més precisió. 

- Objectius: lents òptiques convergents connectades al revòlver, creen una imatge augmentada es invertida, hi ha diversos augments, el de 100x és d'immersió i es necessita posar un líquid entre la mostra i l'objectiu. 

- Revòlver: mecanisme rotatori que sosté els objectius. 

- Ocular: Lent òptica situada a la part superior del tub.

Funcionament:

La llum és emesa per la bombeta i aquesta és dispersen en direcció al condensador. El condensador recull la llum i la concentra sobre la mostra, aquesta llum travessa la mostra i es dispersa (ve determinat pel gruix i densitat de la mostra). La llum dispersada característica de cada mostra és recollida per l'objectiu i aquesta llum viatja pel tub i es torna a concentrar en la lent ocular. La lent ocular projecta una imatge magnificada i invertida de la mostra. El principi del funcionament del microscopi òptic es basa en la propietat d'alguns materials de canviar la direcció dels rajos de llum, permetent fabricar lents convergents o divergents.

imatge extreta de: https://www.enciclopedia.cat/sites/default/files/media/FOTO/123573.jpg

Imatges: 

imatge extreta de: https://www.monlau.com/eso-batxillerat/wp-content/uploads/sites/2/2020/01/prueba2.jpg

Microscopi electrònic

Aquest tipus de microscopi usa electrons en comptes de fotons per formar imatges, donat que el poder de resolució ve determinat per la longitud d'ona i la longitud d'ona dels electrons és molt inferior a la dels fotons, el poder de resolució serà major en aquests microscopis. Els primers dissenys van ser dissenyats per Ernst Ruska i Max Knoll entre el 1925 i 1932. L'obertura està molt limitades amb la qual cosa la resolució es veu limitada. Es basa en el principi físic de la dualitat ona-partícula dels electrons i la capacitat de ser accelerats en un camp elèctric i desviats per un camp magnètic. Existeixen dos tipus: TEM en què la imatge es forma a partir dels electrons que travessen la mostra i SEM en què la imatge es forma a partir dels electrons que emet la mostra en ser bombardejada i els electrons retrodispersats. Això forma imatges molt diferents entre cada tipus, el TEM permet veure estructures en un mateix pla d'enfocament mentre que el SEM s'obté informació de la superfície de la mostra.

Les imatges obtingudes es recullen sobre una placa 

Microscopi electrònic TEM

Processat de les mostres: Fixar la mostra en un bloc de resina i fer talls ultrafins d'aquest (no majors de 2000 àngstroms). Posteriorment es tenyeixen amb sals de metalls pesants, com citrat de plom o l'acetat d'urani. També es poden processar mitjançant criofractura (congelar la mostra i colpejar-les amb un ganivet separant dues capes lipídiques de diferents membranes cel·lulars). L'anàlisi de les imatges es realitza sobre una rèplica de la superfície estudiada, després d'ombrejar-la i donar li consistència amb recobriment de carbó.

Límit de resolució: 2nm

Parts: 

- Canyó d'electrons: emet els electrons. 

- Lents magnètiques: creen camps que dirigeixen i enfoquen el feix d'electrons, ja que les lents convencionals no funcionen amb els electrons. 

- Sistema de buit: donat que els electrons es poden desviar per les molècules d'aire s'ha de fer un buit perquè no afecti la imatge final. 

- Pantalla fluorescent: per recollir els electrons i visualitzar la imatge. 

- Sistema d'enregistrament: mostra la imatge en un ordinador.

imatge extreta de: http://www.inecol.mx/inecol/images/ciencia_hoy/microscopio_electronico/micro4.jpg

Funcionament: Es bombardegen electrons a través del canyó d'electrons que conté un filament de tungstens connectat a una font d'alt voltatge, aquests electrons són manipulats per les lents*** de la part superior que permeten la focalització a la mida desitjada i la localització sobre la mostra. Posteriorment aquest electrons passen per la mostra i formen la primera imatge, els electrons que han traspassat la mostra passen per unes lents intermediades i posteriorment per la lent protectora que anirà a parar a la pantalla florescent i ens donarà la imatge de la mostra.

imatge extreta de: https://www.monografias.com/trabajos106/microscopia-y-tecnicas-estudio-nivel-celular/img23.png

Imatges:

Microscopi electrònic SEM

Processat de les mostres: Col·locar el material fixat en una metal·litzadora que el recobreix d'un metall conductor, el més comú és l'or.

Límit de resolució: 4-20 nm

Funcionament: Es bombardegen electrons a través del canyó i s'enfoca amb lents condensadores i objectives, intentant que incideixi el feix més petit possible per tenir major resolució. Amb les bobines deflectores es fa passar aquest feix per tota la mostra. Quan el feix interactua amb la mostra es produeixen moltes interaccions entre els electrons i els àtoms de la mostra, el més comú són els electrons secundaris que són amb la qual es farà la imatge. Aquests electrons són recollits per un detector.

imatge extreta de: https://docplayer.es/docs-images/58/41669352/images/40-0.png

Imatges:

imatge extreta de: https://images-wixmp-ed30a86b8c4ca887773594c2.wixmp.com/f/7f18e6e4-ebcb-435b-a066-d0f9cda6ec34/d9pl3sx-cf1e1ca5-b200-4255-b682-1e3eaca0f2b1.jpg/v1/fill/w_1024,h_708,q_75,strp/tardigrade_sem_image_by_shannonteague_d9pl3sx-fullview.jpg?token=eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ1cm46YXBwOjdlMGQxODg5ODIyNjQzNzNhNWYwZDQxNWVhMGQyNmUwIiwiaXNzIjoidXJuOmFwcDo3ZTBkMTg4OTgyMjY0MzczYTVmMGQ0MTVlYTBkMjZlMCIsIm9iaiI6W1t7ImhlaWdodCI6Ijw9NzA4IiwicGF0aCI6IlwvZlwvN2YxOGU2ZTQtZWJjYi00MzViLWEwNjYtZDBmOWNkYTZlYzM0XC9kOXBsM3N4LWNmMWUxY2E1LWIyMDAtNDI1NS1iNjgyLTFlM2VhY2EwZjJiMS5qcGciLCJ3aWR0aCI6Ijw9MTAyNCJ9XV0sImF1ZCI6WyJ1cm46c2VydmljZTppbWFnZS5vcGVyYXRpb25zIl19.oL2aGwwXGMUNeNdgrFMM4PB6Zkt9O8__R7CfEwPNkKs

Microscopi de proximitat STM

Va ser desenvolupat el 1981 per IBM fet que va permetre als creadors guanyar el premi Nobel en física el 1986. Aquest microscopi de tan bona resolució no necessita estar en el buit per funcionar, pot funcionar en una gran varietat de medi. El principi físic que permet el funcionament d'aquest microscopi és l'efecte túnel, aquest és la capacitat que tenen les partícules de travessar una barrera de potencial major que l'energia cinètica de la pròpia partícula, és a dir és una violació de la física clasica, ja que un electró en trobar-se amb una barrera de potencial rebotaria però aquest no és el cas, sinó que unes quantes partícules són capaces de travessar-la donat el caràcter ondulatori d'aquesta. El corrent d'efecte túnel**** que varia en una funció exponencial amb la distància, cosa que permet obtenir imatges de tan alta resolució.

Límit de resolució: xy 0,1nm, z 0,01nm

Parts: Tub piezoelèctric que es deforma amb un camp elèctric en les 3 dimensions, l'expansió o compressió de l'eix z serveix per allunyar o apropar la punta de la mostra i el moviment en x i y permet el moviment lateral, fent l'escombrat, aquests eixos estan controlats per un software, se li aplica una diferència de potencial de l'ordre de 10^-2 V. Acaba amb una punta conductora de només uns quants nanòmetres que permet prendre la imatge àtom a àtom (densitat electrònica dels estats de la superfície). Aquesta punta esta posada a una distància de 5 Angstroms de la mostra i això permet fer uns de l'efecte túnel, sol estar feta de W, Pd o Pt-Ir. Per poder fer ús d'aquesta resolució necessitem treballar sobre conductors com: Pt, Au,Cu o Ag, pel mateix efecte túnel no es pot treballar amb mostres aïllants.

Imatge extreta de:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/57/Rastertunnelmikroskop-schema_es.svg/400px-Rastertunnelmikroskop-schema_es.svg.png

Funcionament: Es fa mantenir el corrent d'efecte túnel constant i passant la punta per tot el material, quan la distància augmenti o disminueixi degut a alguna rugositat, el software fa pujar o baixar la punta per tal de mantenir el corrent constant i permetent donar-nos informació de la topologia d'aquell material, l'anomenat feedback. Els mapes que s'extreuen són de les densitats d'electrons al voltant de nivell de fermi que no sempre coincideix amb la ubicació d'un àtom, a vegades pot coincidir amb els enllaços en compostos orgànics i si no té estats de Fermi a prop és com si fos invisible.

imatge extreta de:https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiXhwejo9Rav8M8CNAEga7kLJeEYx7av8hQim-BJ-g2EAOQO3p5_wRtr0NPlXBwhrYO9VCPVXL86gGS-LcEemt7M00tJcBvbLOK75fwReccdzXrG9mHQaQ7RXvaEHZQ5MhLcZAvbH9hSBI/s1600/microscopio+d+etunel.jpg

Imatges:

Corral quantic, imatge extreta de:https://enciende.cosce.org/imagenes/atomos_paloma1.jpg

Microscopi de proximitat AFM

El principi d'aquest microscopi es basa en la flexió del cantilever per culpa de les forces que exerceixen els àtoms, la més comuna és la força de Van der Waals. Té diferents formes de treballar, l'AFM de contacte on la punta manté contacte físic amb la mostra per tant detecta majoritàriament la força de repulsió, AFM de no contacte on s'excita el cantilever prop de la seva freqüència de ressonància de forma que vibri prop de la superfície de la mostra, mesura la força atractiva i AFM de contacte intermitent on la punta està en contacte intermitent amb la mostra, mesura la força d'atracció i repulsió.

Límit de resolució: xy 2-10nm, z 0,1nm

Parts: Escàner que consta d'un sistema piezoelèctric amb z per apropar o allunyar de la mostra i xy per l'escombratge. Punta en forma de braç de palanca (cantilever). Laser i fotodíode que són els que detecten aquests moviments de la punta.

Imatge extreta de:https://minio.scielo.br/documentstore/1678-5169/L39XFLptxB596pNrpRc4xRD/f5c550fbc840a2ff048e4bb9ddaf23ad09573373.gif

Funcionament: Depenent de quina forma de treball es vulgui usar el funcionament serà diferent. Però majoritàriament en els tres tipus el que es fa és tenir la punta o en contacte o en ressonància o en contacte intermitent i fer que el sistema mantingui constant aquesta situació. Per mesurar aquestes variacions es fa ús del làser que està posat en cert angle sobre la punta per tal que és reflecteixi la llum sobre el fotodíode que té unes coordenades que és el que mesura el software, depenent d'on és reflecteixi la llum voldrà dir que hi ha una pertorbació en la mostra i per tant ens donarà la topologia d'aquesta.

imatge extreta de:https://lqes.iqm.unicamp.br/images/lqes_empauta_novidades_1793_MFA.jpg

Imatges:

imatge extreta de: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRxIt_ivRr2E_I0UJijOWFolU_QWhrT7sdZAQ&usqp=CAU

Comparativa

	Límit resolució	Superficies	Medi	informació	Principi fisic	Avantatges	Inconvenients
MO	0,2 μm	totes	ambient	Superficie en blanc i negro i color, in vivo	Absorció llum	Cel·lules vives i cenceres Barat Preparacions senzilles	Poc detallats
TEM	2nm	procesades	buit	Ultraestructura i components cèl·lula 2D Blanc i negre	Absorció electrons	Millor resolció que SEM Informació cristalografica i atomica Examina més caracteristiques d’una mostra que SEM	No celules vies i no es veu tot el conjunt Car Preparacions complexes
SEM	4-20nm	procesades	buit	Superficie 3D Blanc i negre	Dispeció d’electrons	Temps de creació d’imatge menor que TEM Examina grans superficies	No celules vives i no es veu tot el conjunt Car però menys que TEM
STM	xy:0,1nm z:0,01nm	conductores	Ambient	Densitat electronica	Efecte tunel	Moltisima resolució	No materials aillants
AFM	xy: 2-10nm z:0,1nm	Totes	ambient	Forces atomiques	Forces atomiques	Parametres de control, V i distancia per separat	Es produeixen vibracions no desitjades

Comparació imatges SEM i TEM, imatge extreta de: http://www.cecoltec.com/blog/wp-content/uploads/2020/04/Microorganismos-972x1024.jpg

Comparació metode d'observació entre MO, TEM i SEM, imatge extreta de: http://vision.centroculturadigital.mx/media/done/1594935158158-9-port.jpg

Imatges dels mateixos composts en AFM i STM, imatge extreta de:https://www.researchgate.net/profile/Mehmet-Baykara/publication/281261354/figure/fig8/AS:655254852997122@1533236339665/STM-A-D-and-NC-AFM-E-H-images-of-the-reactant-molecule-1.png

*poder de resolució: es la distancia minima en que es poden discriminar dos punts, ve determinat per la longitud d’ona de la font d’iluminació (llum visible: 400nm-700nm, agafant el valor mitjà: 550nm). Quan major es el poder de resolució indica que la distancia que ens permet distinguir dos punts separats és més petita.

**Els augments dels objectius venen indicats amb una X

*** Interacció electrons amb un camp magnetic que es mouen d’acrd amb:F= (q.v) x B on v es el vector velocitat de l’electró i B el vector camp magnetic. Permet la formació d’una lent magnetica de distancia focal variable.

**** I = AV exp (-√θS). Sent I la corrent d’efecte tunel, S la distancia de separació entre la punta i la mostra en angstoms, V el voltatje aplicat, A es una constant que depen de la densitat d’estats electronics en el sistema punta-mostra, θ és la funcio de treball en eV en cada punt de la superficie.