DNA como una antena fractal
Una antena recibe y transmite la radiación electromagnética, ya que está hecha de un material que conduce la electricidad. En general, una antena tiene una frecuencia óptima que depende de su longitud. Una antena que puede funcionar a muchas frecuencias diferentes al mismo tiempo es inusual y se llama una antena fractal. Esta propiedad se logra mediante un diseño de auto-similar, o “copiarse a sì misma en diferente escala” para maximizar la longitud del conductor que puede recibir o transmitir la radiación electromagnética dentro de una superficie o volumen total determinado. En una auto-similitud, todas las subdivisiones tienen una geometría que es similar a la estructura en su conjunto, es decir, diferentes secciones de la molécula para parecerse a la forma de toda la molécula.
Dado que el ADN puede interactuar con los campos electromagnéticos EMF en un amplio rango de frecuencias, y no parece estar limitada a una frecuencia óptima, tiene las propiedades funcionales de una antena fractal. La molécula de ADN puede conducir electrones dentro de la doble hélice (Wan et al. 1999 ), y el ADN en el núcleo celular tiene las propiedades estructurales compactadas de una antena fractal (ver Tabla I ).
Tabla I. Estructuras en espiral de tamaño creciente en el ADN nuclear (las bobinas o espirales se hacen más grandes tanto más es compactada la molécula).
Nivel de ADN Diámetro
Hélice doble 1 nm
Fibra de cromatina 10 nm
Selenoide 30 nm
Tubo hueco 200 nm
De los análisis de los efectos de los EMF en respuesta al estrés, las roturas de la cadena de ADN y la epidemiología del cáncer que se muestran en este documento al final, la propiedad fractal de ADN es evidente en los rangos de baja frecuencia ELF y rangos de radiofrecuencia RF. La gama de esta antena fractal es mucho mayor de lo esperado de una antena común, y puede incluso extenderse más allá del alcance de la RF. De hecho, los estudios epidemiológicos del cáncer enlazan el daño en el ADN a la radiación ionizante en el rango de frecuencia más alta. Los ejemplos más conocidos son la incidencia de cáncer entre los sobrevivientes de las bombas atómicas expuestos a los efectos de los rayos gamma (Gilbert 2009 ;. Preston et al 2004 ) y los niños expuestos a los rayos X (Sadetzki et al., 2006). La respuesta celular al daño molecular, la respuesta al estrés, también se encuentra en el medio de la gama ultravioleta (UV) (Spitz et al. 2004 ), que está en el intervalo ionizante.
La transferencia de electrones es un mecanismo plausible para la interacción de los EMF con el ADN en frecuencias más altas en las que intervienen las energías más elevadas. El daño debido a roturas de la cadena de ADN que se producen a frecuencias más altas, incluyendo la radiación ionizante, se atribuye generalmente a la oxidación, otro nombre químico de la transferencia de electrones. Debido a la mayor energía en frecuencias más altas, las especies reactivas de oxígeno, tales como peróxidos, contribuir al daño de ADN. Sin embargo, la ruptura de cadenas de ADN se producen dentro de un amplio rango de frecuencias, y no demuestran optima frecuencia relacionada con la cinética de la reacción molecular.
La transferencia de electrones y los EMF
Sobre la base de que en la energía baja de los EMF produce la activación del ADN en respuesta al estrés, se ha propuesto (en blank y Goodman 2002, 2008 ) que los EMF probablemente interactúan con los electrones π deslocalizados en las bases de ADN.
El electrón tiene una sola carga negativa que puede ser acelerada en un campo eléctrico o magnético. Debido a su baja masa, un electrón experimenta un desplazamiento relativamente grande, incluso a bajas intensidades de campo. Además, los electrones π en los pares de bases de ADN son deslocalizados y son capaces de moverse a lo largo de la doble hélice (Wan et al. 1999 ). La conducción en el ADN es una propiedad física que puede llegar a ser muy útil en el futuro desarrollo de componentes electrónicos en miniatura (Bhalla et al. 2003 ).
Los Estudios de los efectos de los EMF sobre las reacciones de transferencia de electrones han proporcionado información sobre el mecanismo molecular de la interacción entre el ADN y los EMF. El Na, K-ATPasa (blank 1995b ), citocromo oxidasa (blank y Soo 1998 ), y las reacciones de Belousov-Zhabotinski (oxidación del ácido malónico) (blank y Soo 2003 ), todos muestran una aceleración durante los campos electromagnéticos EMF.
Los umbrales (intensidades de campo) a 60 Hz para las reacciones son: Na, K-ATPasa (0,2-0,3 μ T), citocromo oxidasa (0,5-0,6 μ T), Belousov-Zhabotinski (oxidación del ácido malónico) reacción (<0,5 μ T). El umbral para la estimulación de ADN para provocar la síntesis de proteínas está en el mismo rango, <0,8 μ T (Goodman y Henderson 1989). Los bajos valores están en el rango de los hallazgos epidemiológicos de una duplicación en riesgo de leucemia infantil con exposiciones a los EMF por encima de 0,3 a 0,4 μ T, y muestran que se necesita relativamente poca energía para afectar las reacciones.
Las dos enzimas que se acaban de mencionar muestran una frecuencia óptima cerca a los resultados de reacción (Na, K-ATPasa, 60 Hz; citocromo oxidasa, 800 Hz), y esto podría indicar que las interacciones electromagnéticas están en sincronía con la cinética molecular. La frecuencia óptima de 250 Hz para la reacción Belousov-Zhabotinski es probablemente la frecuencia de la etapa limitante de la velocidad en una reacción que implica muchas etapas ( Tabla II ). Estas frecuencias optimas se refieren a eventos en el sitio activo de la enzima, mientras que los datos de frecuencia anteriores sobre la síntesis de proteínas musculares eran para la activación de diferentes sitios de promotor en el ADN.
Interacción de los EMF con los electrones en el ADN
Con respecto a los posibles mecanismos de interacción de los EMF que activan las células, Friedman et al. ( 2007 ) han demostrado que la interacción de la RF con NADH oxidasa, una enzima presente en la membrana plasmática, puede generar especies reactivas de oxígeno y activar cascadas de señalización. Esto está en línea con la investigación como se ha mencionado anteriormente, en el que se ha demostrado interacciones de los EMF con las enzimas que afectan a las propiedades biológicas básicas. El mecanismo par radical (Brocklehurst y McLauchlan 1996 , Ritz et al. 2009 ), que implica una reacción con criptocromos, parece explicar cómo funciona la brújula magnética en las aves. Estos y otros mecanismos pueden ser operativos en las interacciones de los EMF con las células, pero los EMF pueden interactuar directamente con el ADN.
Dado el bajo consumo de energía donde se produce la activación del ADN en el rango de ELF, la respuesta al estrés probablemente involucra la interacción de los EMF con los electrones pi deslocalizados en las bases de ADN. Los electrones han sido descrito como moverse a lo largo de los pares de bases de ADN a velocidades relativamente altas de alrededor de 300 cm / s (Wan et al. 1999 ).
Se ha sugerido que los EMF inducen movimiento en los electrones y puede dar lugar a la carga local y la posterior desagregación de las cadenas de ADN que precede a la síntesis de proteínas (Blank 2008 ). Puesto que la fuerza debida a la interacción de un electrón con un campo magnético está determinada por la fuerza del campo y la velocidad del electrón, la fuerza más grande de un electrón se produce cuando el campo magnético está cambiando y el electrón se mueve. Una contribución significativa al mover electrones también podría ser el resultado del “parpadeo” normal en los enlaces de Hidrógeno en las moléculas de agua durante la hidratación de ADN (Fecko et al. 2003 , McGuire y Shen 2006 ).
Posibles efectos sobre la tasa de evolución molecular
Las propiedades moleculares de ADN y la forma en que la doble hélice se compacta en el núcleo celular es un diseño único que también facilita la interacción con los EMF. Las secuencias nCTCTn que mostraron responder más eficazmente a los campos electromagnéticos ocurren en promedio una vez cada 256 pares de bases y debería de ser más común. Por tanto, las interacciones que conducen a una separación de dos cadenas de ADN debe ser entonces posible en muchos sitios en la molécula. La parte particular de la doble hélice en el que se produce una separación se determina por el nivel de la estructura del ADN que pueden interactuar mejor con la frecuencia de un EMF a los que está expuesta.
Los campos electromagnéticos EMF se cree que han sido una importante fuerza motriz en la evolución. Debido a la disposición física del ADN en una célula lo que determina sus propiedades como una antena, la capacidad del ADN para actuar como una antena fractal podría dar cuenta de la gran diferencia en la tasa de evolución molecular de procariotas y eucariotas. Existen grandes diferencias entre el ADN procariótico esencialmente circular, que carece de la auto-similitud de los fractales, y el ADN de los eucariotas que tienen una disposición de fractal en el núcleo. Los procariotas contienen sólo un único bucle de ADN cromosómico estable y son mucho menos propensos a responder a una variedad de frecuencias de los EMF.
En general se cree que la pronta y/o acelerada evolución de la Tierra fue impulsada por mutaciones causadas por las radiaciones ionizantes procedentes del Sol, así como la debilidad de las descargas eléctricas de baja frecuencia natural en la atmósfera, tales como los que dan lugar a (por ejemplo, los rayos UV, rayos X) las resonancias de Schumann (en el rango de 0 a 50 Hz).
Procariotas y eucariotas reaccionan a las frecuencias que afectan a la doble hélice de ADN, pero el ADN fractal de los eucariotas también pueden reaccionar a la gama más amplia de frecuencias que afectan a las estructuras en espiral más grandes en el núcleo. Más cambios en el ADN aumentan la probabilidad de mutaciones y la evolución de nuevas especies.
En el registro fósil, las procariotas aparecieron hace aproximadamente 3,5 millones de años, sólo alrededor de 1 millon de años tras la formación de la corteza de la Tierra, mientras que los eucariotas aparecieron hasta hace unos 1,7 millones de años. Hay muchos factores que afectan la tasa de evolución, pero la gran aceleración del proceso que se muestra en el registro fósil es coincidente con la aparición de ADN fractal. El registro muestra que en realidad muchas nuevas especies de animales y plantas más han evolucionado desde la aparición del ADN fractal, el mismo lapso de tiempo necesario para que emergieran las estructuras fractales del ADN procariótico.
La diferencia entre estructuras fractales y no fractales, es probablemente también un factor a considerar en la discusión sobre los papeles relativos de RNA frente al ADN en la evolución acelerada. Las estructuras de RNA contienen bucles, pero carecen de la auto similitud de ADN nuclear, y es poco probable que las estructuras de ADN reaccionan a los EFM. Es posible que el ADN pudo haber tenido ventajas en competencia con el ARN, a causa de esta propiedad.
Las muchas similitudes en las interacciones de los campos electromagnéticos con el ADN a través de una amplia gama de frecuencias sugieren una mayor cautela al abordar las cuestiones de salud y seguridad humana. Debería ser obvio que las normas de seguridad en los rangos de frecuencia individuales no son apropiados cuando los mismos procesos biológicos se activan a través del espectro electromagnético. Es la exposición total la que se debe considerar, y los estándares de seguridad de los EMF debe basarse en todas las respuestas biológicas.
Si las interacciones de los EMF pueden conducir a daños en el ADN, el gran incremento en el uso de los campos electromagnéticos EMF de Radiofrecuencia RF para la comunicación en las últimas décadas acelera el ritmo de la interacción con el ADN y causa más mutaciones.
La proliferación de teléfonos móviles, WiFi (tecnología de comunicación inalámbrica), etc. puede dar lugar a un gran aumento de mutaciones durante un período muy corto de tiempo. Ya ha habido indicios de que la proliferación de RF debido al uso del teléfono celular puede haber contribuido a un aumento en el cáncer de cerebro (Apéndice 2 en Cardis 2010). Es difícil estimar el efecto sobre la tasa de evolución debido a la naturaleza explosiva de este cambio cuando se considera una escala de tiempo geológico. Los cambios en el ADN pueden llegan demasiado rápido y en gran número que sea incapaz de ser probado por el tiempo.
Los informes recientes que indican el número de espermatozoides y la reducción de la calidad del esperma asociados on el uso del teléfono celular (Agarwal et al. 2008 , Li et al., 2009) sugieren que los EMF pueden incluso afectar a la evolución al interferir directamente con la reproducción. La expansión de las nuevas tecnologías basadas en EMF sin la comprobación oportuna de las respuestas biológicas ha indicado la necesidad de una mejor regulación del medio ambiente (BioInitiative Informe 2007 , Sage 2010 ).
Desarrollo
Propósito: Revisar las respuestas de ácido desoxirribonucleico (ADN) a los campos electromagnéticos (EMF) en diferentes rangos de frecuencia, y caracterizar las propiedades del ADN como una antena.
Materiales y métodos: Se revisaron los informes de aumento de los niveles de proteínas de estrés y roturas de la cadena de ADN debido a interacciones EMF, los cuales son indicativos de daño en el ADN. También se consideraron propiedades de la antena, tal como la conducción electrónica dentro de ADN y su estructura compacta en el núcleo.
Resultados: las interacciones del EMF con el ADN son similares en un rango de frecuencias no ionizantes, es decir, en frecuencias extremadamente bajas (ELF) y en rangos de radiofrecuencia (RF). Hay efectos similares en el rango ionizante, pero las reacciones son más complejas.
Conclusiones: La amplia gama de frecuencias de interacción con los campos electromagnéticos es la característica funcional de una antena fractal, y el ADN parece poseer las dos características estructurales de las antenas fractales, la conducción electrónica y auto simetría. Estas propiedades contribuyen a una mayor reactividad de ADN con un EMF en el medio ambiente, y el daño al ADN podría ser responsable de los aumentos en la epidemiología del cáncer, así como las variaciones en la tasa de evolución química de la historia geológica reciente.
Discusión
El espectro electromagnético se divide en dos grandes clases, no ionizantes y la radiación ionizante, cada una se divide en varios rangos de frecuencia. Las mismas leyes físicas se aplican a los campos eléctricos y magnéticos en todo el espectro, pero las leyes dan lugar a diferencias importantes en las propiedades entre los intervalos que conducen a diferentes aplicaciones prácticas. En el rango de no ionizante, de frecuencias extremadamente bajas (ELF) se utiliza para transmitir energía eléctrica y energía a los aparatos eléctricos, y la radiofrecuencia (RF) se utiliza en la tecnología de comunicación. Debido a la diferencia en la frecuencia, existen diferencias cualitativas en la exposición humana.
En el rango de ELF la longitud de onda de la radiación puede ser de muchos kilómetros, por lo que todo lo que está en el campo esta cerca de la fuente y los campos eléctricos y magnéticos se puede medir por separado.
En el rango de RF las longitudes de onda son mucho más cortas y pueden ser tan bajas como unos pocos centímetros, el campo está muy cerca de la fuente y la exposición es a un campo electromagnético combinado.
Por ejemplo, la longitud de onda correspondiente a una frecuencia de RF de 1 GHz es de 3 cm. Por esta razón, la exposición a una línea de energía es muy diferente de la exposición a la radiación de un teléfono celular, en donde la cabeza está en el campo demasiado cerca de la radiación. Sin embargo, las similitudes en los efectos biológicos indican que estas distinciones pueden no ser tan importante para la interacción con las células vivas.
En cuanto a los efectos de la electricidad frente a los campos magnéticos en el intervalo de ELF, Blank ( 1995b ) ha demostrado que tienen efectos similares sobre la enzima de transporte de iones de la membrana, el Na, K-ATPase.
Las proteínas musculares asociadas a musculos rápidos son estimuladas en frecuencias altas (~ 100 Hz) y las proteínas musculares asociadas con músculos lentos son estimulados en frecuencias (~10-20 Hz). También diferentes proteínas pueden ser inducidas cambiando la frecuencia de estimulación, diferentes partes del ADN deben ser estimuladas a diferentes frecuencias. La magnitud del campo eléctrico que acciona el proceso en el músculo, estimada en ~ 10 V / m (blank y Goodman 2004 ), proporciona un amplio margen de seguridad, ya que los campos eléctricos de tan solo 3 mV / m estimulan la síntesis de proteínas de estrés en las células HL60 (Blank et al. 1992 ).
Materiales y métodos:
Importantes similitudes entre las interacciones del campo electromagnético (EMF) con el ADN y diferentes partes del espectro electromagnético son señalados. La mayoría de los estudios citados se encuentran en el rango no ionizante, es decir, los rangos ELF y RF, e incluyen tanto los estudios experimentales y los epidemiológicos.
Los estudios experimentales se centran en la respuesta al estrés y roturas de la cadena de ADN. Los estudios epidemiológicos relacionan la incidencia de cáncer con la exposición EMF en cada uno de los rangos de frecuencia, ya que se cree el cáncer surge de mutaciones en el ADN, tales como los que se producen en el intervalo ionizante como resultado de daño oxidativo, los efectos similares de EMF pueden surgir de la transferencia de electrones dentro del ADN de las células vivas. Estudios de transferencia de electrones se presentan para apoyar el mecanismo propuesto para los efectos observados de los campos electromagnéticos EMF sobre ADN.
La similitud de las interacciones de los campos electromagnéticos EMF a través de una relativamente amplia gama de frecuencias sugiere que el ADN actúa como una antena fractal, y un análisis de la estructura del ADN en el núcleo de la célula indica que hay una base estructural para esta propiedad. datos similares para la gama ionizantes del espectro electromagnético sugieren que las propiedades fractales de ADN se pueden extender más allá de los rangos de bajas frecuencias ELF y altas frecuencias RF.
Las propiedades fractales de ADN tienen implicaciones en relación con el mecanismo de interacción de los campos electromagnéticos EMF con las células, las normas de seguridad de los EMF, y pueden ser responsables de un efecto sobre la tasa de evolución molecular en la historia actual de la Tierra.
Resultados
Los estudios realizados en el rango no ionizante:
Ha habido muchos estudios biológicos en el rango de baja frecuencia debido a los efectos para la salud asociados con las líneas eléctricas y con el uso de aparatos eléctricos. En este rango los estudios experimentales son dirigidos para aclarar los mecanismos de usar intensidades de campo bajo para estimular la exposición ambiental y también para caracterizar eventos de umbral, es decir, los procesos biológicos que son activados por los bajos niveles de campo.
Los estudios en bajas intensidades de campo son deseables porque las vías en las células a menudo se interconectan y la activación de una vía por lo general afecta a otras y complica el análisis.
El descubrimiento de la respuesta al estrés activado por un EMF indica una interacción con ADN (blank y Goodman 2004 , Blank et al. 1994 , Goodman et al. 1994 , Goodman y blank de 1998 , Kultz 2003 ).
Dado que una amplia gama de genes se activa por los EMF (Goodman y Henderson 1988 ), parece que muchas partes de la molécula del ADN interactúan. Además, dado que la respuesta de estrés se activa por otros estímulos que son potencialmente dañinos para las células (Kultz 2003 ), está claro que la respuesta de estrés es un mecanismo de protección natural, y que las células responden a los campos electromagnéticos como potencialmente perjudiciales.
La interacción de los EMF con el ADN en la gama ELF también se observa en los informes de roturas de la cadena de ADN (BioInitiative Informe 2007 , Lai y Singh 1997 , Fisiopatología 2009 , Informe del Proyecto Reflex 2005). Hebras simples rotas se producen en intensidades de campo que son superiores a los niveles que estimulan la respuesta al estrés. En intensidades de campo todavía más altos, también hay roturas de cadena doble.
Estos estudios experimentales indican cambios en la estructura y daño molecular, y sugieren un mecanismo probable de los muchos estudios epidemiológicos que han investigado los efectos de salud asociados con la exposición crónica de bajo nivel. El objetivo principal de estos estudios ha sido sobre la leucemia en los niños, y se agruparon en los análisis (Ahlbom et al. 2000 , Groenlandia y col. 2000 ) los mejores estudios en el campo fueron analizados para mostrar un aumento en el riesgo a exposiciones de 0,3-0,4 μ T.
Estudios más recientes (Draper et al. 2005 , Kabuto et al. 2006 ) han apoyado la vinculación de la leucemia con la exposición a líneas eléctricas. El aumento del riesgo en realidad puede ocurrir en campos tan bajos como 0,18 μ T, como se ha sugerido recientemente a partir de estudios que muestran una asociación con el daño a los genes de reparación del ADN (Yang et al. 2008 ).
Además de la leucemia infantil, los estudios han mostrado un aumento en el riesgo de las líneas eléctricas asociadas con enfermedades de adultos, como la leucemia (O’Carroll y Henshaw 2008 ), el Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas (García et al. 2008 , Huss et al. 2009 ).
Milham (2009) ha analizado un siglo de estadísticas vitales en los EE.UU. y correlacionó la incidencia de varias enfermedades, incluyendo el cáncer, enfermedades del corazón y la diabetes, en paralelo con la introducción de la electrificación (baja frecuencia).
Las reacciones biológicas iniciales asociadas con la activación de ADN de la respuesta de estrés en el rango de ELF también se producen a una frecuencia más alta en el rango de RF (BioInitiative Informe 2007 , DePomerai et al. 2000 , Fisiopatología 2009 , Informe del Proyecto Reflex 2005). Lo mismo es cierto para la capacidad de los EMF para causar roturas de la cadena de ADN y daño a las proteínas en el rango de radiofrecuencia (BioInitiative Informe 2007 , Lai y Singh 1997 , Fisiopatología 2009 , Informe del Proyecto Reflex 2005).
Siguiendo el modelo de la gama de frecuencias ELF, también hay estudios epidemiológicos relacionados con la exposición a EMF y la incidencia de los cánceres en el rango de radiofrecuencia. Los tumores cerebrales (Hardell et al. 2009 ) y tumores de las glándulas salivales (Sadetzki et al. 2008 se han reportado) de la RF de los teléfonos celulares. Los resultados en el rango de RF parecen paralelos a los de la gama ELF y sugieren que la interacción de EMF con el ADN no se limita a bajas frecuencias.
Hay efectos similares sobre el ADN de los EMF en el rango ionizante. Sin embargo, aquí hay menos estudios y los efectos son más complicados que en el rango no ionizante. En primer lugar, es bien sabido que la radiación ionizante puede dañar el ADN directamente por ionización de la molécula. Pero, además, estudios recientes han demostrado que el daño también puede producirse después de la exposición en las células cercanas que no fueron irradiadas directamente (Mothersill y Seymour 2006 ). Este “efecto espectador” plantea la posibilidad de que el daño biológico en este rango no puede ser un efecto directo de la radiación ionizante. No puede haber ninguna duda, sin embargo, que la ionización es debida a la transferencia de un electrón, y que la interacción de la radiación de frecuencia más alta con un electrón es fundamentalmente relacionada a este respecto a las interacciones en el rango no ionizante.
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