El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

Premios Nobel - Química 1902 (Hermann Emil Fischer)

Hoy empezamos a completar la cuádruple entrada acerca de los Premios Nobel de 1902, dentro de la serie en la que recorremos todos los Premios Nobel de la historia. Como siempre en la serie, tratamos por un lado de explicar la esencia y la relevancia del premio desde una perspectiva histórica, y por otro de completar ese conocimiento con los avances en ese campo hasta la actualidad, siempre intentando no aburrir, claro. En las dos primeras entregas dedicadas a 1902 hablamos acerca del Premio Nobel de Física, otorgado a Lorentz y Zeeman, y ahora haremos lo propio con el Premio Nobel de Química de 1902, otorgado al alemán Hermann Emil Fischer, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias:

En reconocimiento a los servicios extraordinarios que ha proporcionado con su trabajo en la síntesis de azúcares y purinas.

Como suele suceder, es posible que al leer eso te quedes como estabas antes de leerlo. ¿Qué tiene de relevante el trabajo de Fischer? Pues, aunque lo de sintetizar azúcares y purinas no suene muy espectacular, como también pasa a menudo en esta serie, el trabajo de Fischer marca un antes y un después: es el momento en el que, en cierto sentido, nos convertimos por fin en el Doctor Frankenstein. Y aún estamos en ello.

Nota: Como bien sabéis los habituales, soy físico, no químico ni biólogo, de modo que, en entradas como ésta, hago lo que puedo, pero estoy a la disposición de los que sí saben de verdad para arreglar o corregir cualquier cosa que no sea tanto una simplificación (que las hay, como siempre) como un error abyecto.

Como hemos dicho anteriormente en esta serie, muy pocos científicos son tan buenos teóricos como experimentales, de modo que la gran mayoría de ellos destacan, en menor o mayor medida, en una de las dos facetas de la ciencia. Hermann Emil Fischer era, fundamentalmente, un experimentador, y ha sido uno de los químicos modernos más brillantes y más prolíficos en este aspecto, si no el que más; pero lo que lo hace un científico fuera de serie, además, es la combinación de dos factores.

Hermann Emil Fischer

Hermann Emil Fischer (1852-1919).

Por un lado, sin ser tan brillante en el aspecto teórico como el experimental, Fischer era capaz de diseñar experimentos que probasen o refutasen una hipótesis con gran agudeza, y de extraer conclusiones lógicas a partir de ideas ya demostradas – muchas y buenas conclusiones. De modo que, como veremos dentro de un momento, gran parte de su carrera se basó en seguir caminos de descubrimientos basándose en otros anteriores también suyos, con lo que produjo una verdadera “cascada” de descubrimientos científicos a lo largo de su vida.

Por otra parte, Fischer no cejaba. Jamás. Tenía una enorme capacidad de trabajo y tenacidad, con lo que consiguió una cantidad de logros experimentales gigantesca, uno detrás de otro. Cuando un camino mostraba ser un callejón sin salida, el alemán buscaba otro… y otro, hasta que uno de ellos prometía ser el bueno. Y entonces lo perfeccionaba, identificaba y solucionaba los problemas, hasta llegar al resultado deseado; salvo que, por supuesto, demostrase que la idea era absurda mediante la experimentación, ya que Fischer no se aferraba a las hipótesis cuando éstas mostraban sus agujeros.

Esta “cascada de descubrimientos” que le proporcionaron el Nobel (y a todos nosotros un avance en la química orgánica sin precedentes) tuvo su fuente en 1875, cuando Fischer tenía tan sólo 23 años. Por aquel entonces, el químico trabajaba bajo su mentor, el también genial Adolf von Baeyer, del que hablaremos dentro de un par de entradas de la serie ya que también recibió un Premio Nobel por su trabajo en química orgánica. Fischer descubrió el primer miembro de un grupo, las hidracinas, denominado fenilhidracina (C6H5NHNH2).

Fenilhidracina

Fenilhidracina.

Esta curiosa sustancia tenía, entre otras propiedades, la capacidad de reaccionar con multitud de compuestos orgánicos para dar otros nuevos. En 1875, esto no parecía tener demasiada importancia, pero era uno de los ingredientes fundamentales de la “cascada” que he mencionado antes, de modo que recuerda la fenilhidracina para luego.

Unos años más tarde, en 1881, Fischer abandonó la tutela de von Baeyer y fue ganando reputación con nuevos descubrimientos en varios frentes, pero fundamentalmente dos (y por ambos recibió el Nobel dos décadas más tarde, como he mencionado al principio): su estudio de las purinas y el de los azúcares. Pero vamos por partes.

En 1776, mientras estudiaba cálculos renales, Karl Wilhelm Scheele había descubierto el ácido úrico, un producto de desecho de los organismos animales, y en las décadas posteriores se fueron descubriendo otros compuestos de origen animal que tenían algunas características en común con él, como la xantina o la guanina. Por otro lado, en 1819 Friedrich Ferdinand Runge consiguió aislar cafeína del café, y en poco tiempo se obtuvieron otros alcaloides vegetales similares, como la teobromina del cacao. Al estudiar unos y otros, y a pesar de que unos existían en animales y otros en vegetales, Fischer demostró su gran intuición y su genio: consiguió producir unos compuestos a partir de otros. Era evidente ya que el ácido úrico, por ejemplo, era producido mediante algún proceso biológico en los organismos animales, ya que no se consumía en la dieta, pero Fischer hizo lo mismo que nuestro cuerpo… sólo que en una probeta. ¡Bienvenido, Dr. Frankenstein!

Cafeína

Cafeína (Wikipedia/Rafti Institute)

De hecho, dadas las propiedades similares de estas sustancias, Fischer sospechaba que todas ellas provenían de una más simple, que bautizó en 1884 como uricum purum (“úrico puro”) o purina. Sin embargo, conseguir demostrar esa hipótesis aislando el uricum purum era una tarea difícil. Fischer empezó por hacer “en botella”, una vez más, lo que la Naturaleza hacía en los seres vivos: aunque Runge había obtenido cafeína a partir del café unas décadas antes, Fischer produjo cafeína de manera artificial. Hoy en día, por si te lo estás preguntando, no la fabricamos artificialmente: el proceso de descafeinado del café nos proporciona enormes cantidades de ella.

Finalmente, en 1898, el genial alemán obtuvo por fin la purina a partir de ácido úrico, y mostró cómo todos los otros compuestos con propiedades similares, animales o vegetales, eran miembros de un mismo grupo cuyo representante más simple era precisamente la purina. Todos ellos, desde la cafeína hasta el ácido úrico pasando por la xantina y teobromina, recibieron el nombre de purinas (sí, la purina es una de las purinas, ¿algún problema?). Existen otras purinas muy relevantes, no sólo por su importancia biológica, sino por el “efecto Frankenstein” que venimos mencionando a lo largo del artículo… pero de eso hablaremos en la segunda parte dentro de un par de semanas.

Purinas

Purinas.

Ah, pero Fischer era tan prolífico que esto no le bastaba: al mismo tiempo que estudiaba las purinas y buscaba frenéticamente la base de todas ellas, hacía algo parecido con otro grupo orgánico: los hidratos de carbono. También ahí, aunque se conocían algunos miembros del grupo, faltaba una sistematización y un modelo global de todos ellos, su relación y sus componentes básicos. Y Fischer disponía, gracias a sus investigaciones anteriores, de una herramienta básica para lograr ese objetivo: la fenilhidracina que había descubierto trabajando con von Baeyer.

Cuando Fischer centró su atención en los azúcares, los dos más conocidos en la naturaleza eran la glucosa y la fructosa, aunque antes de la sistematización de los nombres de compuestos orgánicos se les solían dar los más poéticos de azúcar de uva o de mosto, y azúcar de fruta, respectivamente (verás que, incluso en el discurso de entrega del Nobel, se utilizan estos términos). El químico utilizó la fenilhidracina para realizar distintas reacciones químicas sobre estos azúcares y producir compuestos comunes, que demostraban que estaban relacionados. Pero, como en el caso de las purinas, Fischer llegó más allá. Mucho más allá.

Glucosa

Glucosa (C6H12O6).

Fue capaz de sintetizar en su laboratorio tanto la glucosa como la fructosa, y establecer su composición química a la perfección. Además, fue capaz de predecir la existencia de azúcares de idéntica composición pero con propiedades diferentes dependiendo de la localización de sus átomos en el espacio, algo que ya hemos mencionado al hablar de van ‘t Hoff. Pero, no contento con esto, sintetizó bastantes azúcares más que no habían sido siquiera descubiertos en la naturaleza. Nuestro conocimiento de los hidratos de carbono se basa de forma aplastante en el trabajo que realizó este genio en menos de una década. No sólo estudió este grupo en sí, sino también los enzimas y fermentos que los convertían en cosas diferentes en los seres vivos.

Como ves, la línea entre “vivo” e “inerte” se iba haciendo cada vez más tenue, cuando podían fabricarse moléculas orgánicas en laboratorio. Pero Fischer la hizo aún más difusa cuando, poco antes de recibir el Nobel (parte de su investigación se produjo después) se dedicó a estudiar las proteínas. No te pierdas el genio de este individuo:

En primer lugar, consiguió desarrollar métodos de laboratorio para obtener e identificar un grupo de moléculas orgánicas, los aminoácidos. Es más, descubrió un nuevo tipo de aminoácidos desconocidos hasta entonces, los aminoácidos cíclicos (uno de ellos, la prolina, lo puedes ver en la imagen más abajo). A continuación, dado que se conocía ya el hecho de que las proteínas estaban compuestas por aminoácidos, Fischer descubrió cómo estas moléculas se unían unas a otras mediante el enlace peptídicoy se dedicó a fabricar cadenas de aminoácidos, es decir, a polimerizarlos. Empezó con dipéptidos (formados por dos aminoácidos) en 1901, luego creó tripéptidos y otros cada vez más largos.

Prolina

Prolina (C5H9NO2).

Pero ¿por qué quedarse únicamente en los aminoácidos naturales? Fischer sintetizó varios que ya existían en la naturaleza, claro, pero también “fabricó” otros artificiales que nadie había visto jamás antes. Su trabajo con los polipéptidos cada vez más largos continuó también, hasta conseguir uno de ochenta aminoácidos, con una masa molecular de 1213 umas, la molécula sintética más pesada creada hasta ese momento. Un péptido tan complejo químicamente que, sin ser una proteína de verdad, empezaba a tener algunas propiedades similares a ellas. El propio Fischer comentó en alguna ocasión que el conseguir cadenas más largas y más complejas hasta obtener proteínas artificialmente sería sólo cuestión de tiempo y esfuerzo.

De modo que se trata, como sucede a veces con los Nobel, de un premio “global” a distintos descubrimientos más o menos relacionados. Tal vez ninguno de ellos nos revelase facetas del Universo que no conociésemos hasta entonces, pero sí nos hizo replantearnos la división entre “orgánico” e “inorgánico”, e inició el camino hacia, por ejemplo, la ingeniería genética… pero de eso ya hablaremos en un par de semanas.

Como siempre, quiero dejar aquí el discurso de entrega del Premio, por más que su lenguaje sea arcaico y sus ideas algo trasnochadas en algunas cosas (o precisamente por eso). Imagina, pues, el salón de actos de la Real Academia Sueca de las Ciencias, y a su Presidente en 1902, Hj. Théel, que se dirige al público:

Su Majestad, sus Altezas Reales, damas y caballeros.

La Real Academia de las Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Química de 1902 al Doctor Emil Fischer, Catedrático de la Universidad de Berlín y Geheimrat ((Geheimrat - Título del antiguo Imperio Alemán hasta 1918)), por los servicios extraordinarios que ha proporcionado con su trabajo en la síntesis de azúcares y purinas.

Una de las principales tareas de la química orgánica es investigar y reproducir artificialmente los procesos que suceden en la materia viva, tanto animal como vegetal, para conseguir así establecer una base firme para los conceptos relativos a los fenómenos biológicos. No hay otro grupo de compuestos del carbono más importante para la vida orgánica, después de las proteínas, que los hidratos de carbono. Por esa razón los carbohidratos, y en particular los azúcares, han sido objeto de estudios incontables desde los comienzos de la química orgánica. Debido a la naturaleza de estas sustancias, su estudio ha sido realmente difícil y, hasta hace unos pocos años, parecía una tarea imposible.

Basándose en su descubrimiento de los derivados de la hidracina, un descubrimiento significativo, el profesor Fischer consiguió resolver el problema de forma brillante. Con un razonamiento sorprendentemente agudo y con una capacidad de discernimiento brillante al elegir el camino, Fischer no sólo consiguió reproducir de manera sintética azúcares naturales de uva y fruta ((Azúcar de uva - glucosa, y Azúcar de fruta - fructosa)), sino también otros treinta azúcares más y un buen número de sustancias estrechamente relacionadas. A pesar de que sólo se han encontrado azúcares naturales simples con 5-6 átomos de carbono, Fischer sintetizó una serie continua que contenía de 2 a 9 átomos de carbono. Además, mediante su elegante método de fabricar glucósidos artificialmente, ha añadido este grupo tan extraordinariamente importante para la fisiología vegetal a los logros de la síntesis orgánica.

Estos estudios han sido importantes especialmente para la teoría de la colocación espacial de los átomos elaborada por van ‘t Hoff y Le Bell. En el caso de los compuestos en cuestión, Fischer consiguió determinar de forma completa no sólo la manera en la que los átomos se enlazan en los complejos atómicos, las moléculas, sino también la posición relativa de los átomos unos respecto a otros o, en otras palabras, la configuración estereométrica de las moléculas. Dado que el grado de complejidad aquí es grande y la teoría es verificable hasta sus más nimios detalles, nuestro conocimiento de las agrupaciones atómicas ha alcanzado tal grado de certeza a través de estos estudios que podemos estar seguros de que este conocimiento no se debilitará en el futuro, incluso aunque nuestros modelos atómicos y, en particular, de las valencias, sufran cambios radicales.

Estos estudios han sido igualmente importantes para la fisiología.

Uno de los procesos más extraordinarios que se producen en la naturaleza es la formación de hidratos de carbono en las partes verdes de las plantas. Este proceso es, de hecho, la principal fuente de cualquier sustancia orgánica, con lo que su estudio es una de las tareas clave de la ciencia. Ya en 1870 A. von Baeyer formuló la hipótesis de que el dióxido de carbono y el agua se reducían hasta formar formaldehído (formalina) en las células que contienen clorofila, y que éste se condensa inmediatamente para formar azúcar. Ya que Fischer ha logrado preparar azúcares de uva y de fruta a partir de formaldehído, y ambos son ubicuos en las plantas y son, más allá de toda duda, las sustancias originarias del resto de los hidratos de carbono, la hipótesis en cuestión ha alcanzado de este modo confirmación experimental de gran valor. Estas síntesis de azúcares se asocian además con el carbono, hidrógeno y oxígeno inorgánicos a través del formaldehído.

Las acciones enzimáticas, que tienes tan enorme importancia en los procesos vitales, se ven desde una nueva perspectiva como resultado de estos estudios. Se ha descubierto que los azúcares sintéticos con tres y nueve átomos de carbono son convertidos en alcohol y dióxido de carbono por las levaduras con tanta facilidad como el azúcar de uva que contiene seis átomos de carbono pero que, tras una leve modificación de la configuración estereométrica de la molécula, el azúcar de uva no se ve afectado en absoluto por el mismo enzima. Aquí nos encontramos el descubrimiento fundamental de que una función vital depende más de la configuración geométrica de la molécula de la sustancia nutritiva que de su composición en otros aspectos. Fischer determinó una sensibilidad parecida a la denominada estructura asimétrica por parte de otros enzimas y los glucósidos. A tenor de estas observaciones, la asimetría molecular ha obtenido una importancia anteriormente insospechada. Se ha descubierto que los enzimas mismos, al igual que los productos más importantes de la vida vegetal, hidratos de carbono, proteínas, gránulos de clorofila y el protoplasma en sí mismo, son, sin excepción, sustancias ópticamente activas o están compuestas por ellas, y que todas las transformaciones químicas esenciales del organismo dependen de la asimetría. Nuestro conocimiento de la Naturaleza y de las condiciones que gobiernan las funciones vitales ha aumentado, por tanto, considerablemente. Estas síntesis de azúcares son los primeros procesos en los que se ha podido verificar en detalle y con precisión la acción de los enzimas. Para la fisiología, estos estudios han abierto por tanto un nuevo campo, el tratamiento del cual ya ha comenzado y cuyas implicaciones aún no pueden ser totalmente comprendidas.

Al mismo tiempo que estos estudios y, en particular, tras obtener los resultados más importantes, el Prof. Fischer completó otra investigación que es una de las más elegantes y, en cuanto a los resultados, una de las más prolíficas realizadas en química orgánica.

Para la vida animal, las sustancias nitrogenadas del organismo son de la máxima importancia. Además de las proteínas, el organismo animal contiene una cantidad sustancial de otras sustancias nitrogenadas. Su estudio es de gran valor para la química fisiológica porque son, o bien productos del uso de las proteínas o son, junto con las proteínas simples, parte de los compuestos más complicados del organismo, los denominados proteidos ((No he logrado encontrar referencia alguna a este término, ¿alguien sabe a qué se refiere en términos modernos?)).

Después de que, en 1776, Scheele encontrase ácido úrico en los cálculos renales, se han detectado sustancias estrechamente relacionadas con él, como xantina, adenina, guanina, etc., en secreciones animales. El mismo grupo contiene además la teobromina, la teofilina y la cafeína, que provienen del reino vegetal y constituyen los estimulantes de nuestras bebidas comunes, el cacao, el café y el té. Con la percepción afilada del gran científico y una técnica magistral, el Prof. Fischer proporcionó orden y claridad también a este campo. Mostró que todas esas sustancias son derivados de la misma sustancia original, la purina, que él mismo había descubierto. Además consiguió prepararlas unas a partir de otras, y a partir de sustancias más simples, de manera que aquí, también, la cadena de sintetización comienza una vez más en el carbono, hidrógeno y oxígeno inorgánicos, y además de éstas fabricó un gran número de sustancias nuevas, estrechamente relacionadas, de modo que los derivados de la purina estudiados por Fischer deben de rondar ahora mismo los 150. La compisición intrínseca de cada uno de ellos ha sido completamente determinada.

Para la fisiología, la prueba experimental de que el ácido úrico y las xantinas provienen de la misma sustancia es de la máxima importancia, ya que se ha convertido en el más sólido apoyo para la teoría moderna de la formación del ácido úrico a partir de las nucleoproteínas del núcleo celular, y de las purinas contenidas en ellas.

Ya que algunos representantes del grupo –la cafeína y la teobromina– no sólo son valiosas en bebidas sino que se han empleado en medicina a través de los siglos, es razonable esperar que algunos de los nuevos derivados de la purina demuestren tener valor medicinal. La industria química también ha empezado a realizar sus primeros intentos para replicar las síntesis de Fischer de estas sustancias tan apreciadas en la vida cotidiana.

El tipo específico de investigación que ha caracterizado a la química orgánica durante las últimas décadas del siglo que acaba de terminar ha alcanzado su cénit de desarrollo y su forma más excelsa en los estudios de Fischer de los azúcares y las purinas. Desde un punto de vista experimental, ningún otro los supera.

Puedes también leer las palabras del propio Fischer (en inglés, 15 páginas) aquí.

En la segunda parte del artículo hablaremos un poco más en profundidad, simplemente por el placer de hacerlo, sobre los distintos grupos químicos que estudió Hermann Emil Fischer.

Para saber más:

Ciencia, Premios Nobel, Química

14 comentarios

De: meneame.net
2009-06-17 16:32:26

Premios Nobel - Química 1902 (Hermann Emil Fischer)...

[c&p] ¿Qué tiene de relevante el trabajo de Fischer? Pues, aunque lo de sintetizar azúcares y purinas no suene muy espectacular, como también pasa a menudo en esta serie, el trabajo de Fischer marca un antes y un después: es el momento en el que, e...


De: Brigo
2009-06-18 13:19:01

Con lo evidente que parece hoy todo. Hacer bien en explicar por qué se han entregado los Premios Nobel, ayuda a darle más mérito a los que sabemos.


De: ElHombrePancho
2009-06-18 14:00:51

Qué gran serie, gracias por compartirla con todos.


De: keme
2009-06-18 19:04:13

Como siempre, nos quitamos el sombrero ante ti, oh Gran Maestro ;)

Por cierto, en uno de los párrafos del discurso (en el que aparece la tercera nota) hay una errata, en el tercer punto y seguido pone "Su estidio es de gran valor...", debería decir "estudio".

Y por cierto, ni idea a que se refiere con eso de proteidos ¿quizá se llamaran así algunas proteinas muy complejas?


De: Pedro
2009-06-18 19:14:28

¡Gracias, kemero, corregido! :)


De: quimicefa
2009-06-18 22:38:58

Muy buena!!

estaba pensando que igual lo de proteidos se refiere a lo que ahora se denomina (si la memoria no me falla...) heterproteidos ?


De: bardruck
2009-06-19 05:02:31

Pues podrá parecer poca cosa pero esos conocimientos son la base de la biología y la medicina modernas (bueno del conocimiento del cuerpo humano y de los seres vivos a nivel molecular).

PD.-¿Para cuando seguimiento de comentarios?


De: Miguel
2009-06-19 10:25:31

No conocía esta página... definitivamente es como un regalo de cumpleaños, genial Blog... amo todo lo que aquí eh encontrado y apenas cliqué unos vínculos, deverdad que gracias, gracias de todo corazón, por que aquí está el conocimiento como a los humanos nos gusta, ameno.

Por cierto, estamos en el mismo canal... aunque yo no sé muchas cosas, aún estoy en el principio del camino del saber, como todos los hombres que conozco... y que conoceré, pero estoy seguro que el tiempo que exista seguiré leyendo esto.


De: maeghith
2009-06-19 15:58:23

uh, ¿no son las purinas 2 y 3 (adenina y guanina) los aminoacidos A y G del ADN?, ¿o estoy confundiendo candelabro por candelero?


De: Pedro
2009-06-19 16:17:40

bardruck, ¿qué es el seguimiento de comentarios? Si me lo explicas, intento encontrar alguna extensión que lo proporcione.

maeghith, sí, eso queda para la segunda parte del artículo: recuerda que en la primera hablamos desde la perspectiva histórica, y de la estructura del ADN entonces, nasti de plasti...


De: Ernesto
2009-06-23 20:12:34

Que buena entrada, El Dr. Fischer es para nosotros como Planck para ustedes. Imaginar el trabajo tan exaustivo que llevo este señor, tanto conocimiento, tanta revolución en la biología... Que belleza¡


De: natalia
2009-07-12 00:09:00

Este articulo en lo particular me fue muy bueno ya que me ayudo para una tarea de quimica de los alimentos, agradezco que pongan articulos muy buenos gracias


De: Diego
2009-07-14 03:08:59

Primero muy buena entrada, me parece muy buena esta serie, que mejor que ver con detalle aquellos que con sus decubrimentos hiceron historia en la ciencia y por lo tanto se les otorgo el premio novel. (soy nuevo)

Me gustaria agregar que el trabajo de fischer me parece estupendo, ya que ademas de lo dicho hay que agregar que el hizo todas estas sintesis ala antigua, el no separaba por cromatografia, tecnica que hubiera hecho su trabajo mucho mas facil, ya que esta se desarrollo despues, no existia difraccion de rayos X, ni otras tecnicas analiticas avanzadas.

Otra caracteristica admirable de su trabajo es la logica con que el trabajaba, el metodo en que el descubrio la estereoquimica de la glucosa, es sencillo, pero de lo sencillo es lo hermoso que tiene. Ademas de otros avances en sintesis organica que aun se usan y llevan su nombre, ademas de ser de los mayores precusores en la sintesis y manipulacion de carbohidratos y purinas.

perdon si me extendi en el comentario, pero es que admiro mucho el trabajo de el.


De: emilia salgado prado
2010-12-01 06:56:24

Hola, me encantò este articulo de Emil Fischer, me despejò muchas dudas, actualmente soy Educadora en Diabetes y me interesan todos los temas de la bioquimica.


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