El Tamiz

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Premios Nobel - Química 1915 (Richard Willstätter)

En la serie sobre los Premios Nobel recorremos la historia de estos galardones en sus ramas de Física y Química desde sus comienzos en 1901 hasta la actualidad, con paso lento pero seguro. Nuestro objetivo es dar una idea de cuál es la relevancia del descubrimiento en cuestión y para ello solemos retroceder en el tiempo para hablar sobre el camino de creación de conocimiento que culmina con el Nobel del que estamos hablando. Esa culminación, sin embargo, es por necesidad algo transitorio – la ciencia sigue avanzando y hoy, por ejemplo, hablaremos de algo que visitaremos de nuevo en unos años.

En la última entrega de la serie hablamos sobre el Nobel de Física de 1915 otorgado a los Bragg, padre e hijo, por su trabajo con rayos X para determinar la estructura de las redes cristalinas. Hoy, por lo tanto, haremos lo propio con el Nobel de Química del mismo año, entregado a Richard Martin Willstätter, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por sus investigaciones sobre pigmentos vegetales, especialmente la clorofila.

Richard Willstätter
Richard Willstätter (1872-1942).

Ya he dicho anteriormente que durante la Primera Guerra Mundial la Academia intentó mantenerse neutral, y otorgó premios a científicos de ambos bandos, algo que –en mi opinión– es honroso. 1915 fue un buen ejemplo de ello, ya que el premio de Física se entregó a dos científicos de un bando –los dos Bragg– y el de Química a uno del otro bando: Richard Willstätter, un alemán. En este caso, además, la honra no sólo corresponde a la Academia, ya que Willstätter demostró su talla moral durante la propia Gran Guerra y de nuevo en la terrible Alemania de los años posteriores, pero de eso hablaremos en su momento, ¡paciencia!

No voy siquiera a empezar a parlotear sobre este premio sin dar el aviso de rigor: yo soy físico, no químico, de modo que al hablar de estos premios tengo mis (enormes) limitaciones. Son aún más grandes cuando se trata de Química Orgánica (la pongo en mayúsculas por el terror que me produce), de modo que como siempre os pido que me corrijáis cuando diga barbaridades. Dicho esto, zambullámonos en la historia de nuestro conocimiento sobre la clorofila y el papel que Richard Willstätter desempeñó en todo esto.

Hay otros premios en los que me cuesta unos cuantos párrafos explicar en qué consistió realmente el descubrimiento, o por qué fue importante aunque suene un tanto anodino, pero éste no es uno de ellos: aunque Willstätter no descubrió la clorofila, desentrañó tal cantidad de información sobre su naturaleza y su relación con otras moléculas orgánicas que nuestro conocimiento sobre esta molécula fundamental para la vida cambió radicalmente tras su trabajo. Y es que antes de él sabíamos bien poco sobre ella, ¡y estoy hablando de principios del siglo XX!

El primero en darse cuenta de que las plantas y la composición del aire tenían algo que ver fue el químico inglés Joseph Priestley en el siglo XVIII. Priestley realizó multitud de experimentos para determinar la composición del aire, algo de lo que hemos hablado al hacerlo del oxígeno. En algunos hizo arder distintas cosas en un recipiente de vidrio herméticamente cerrado, en otros introdujo pequeños animales, como ratones, en esos recipientes… Extrajo muchas conclusiones sobre ello, como la existencia del aire desflogistizado capaz de sostener la vida y hacer arder una vela –es decir, el oxígeno–, pero una es especialmente interesante hoy.

Joseph Priestley
Joseph Priestley (1733-1804).

Al dejar un ratón en el recipiente hermético durante cierto tiempo llegaba un momento en el que el animal moría; en términos de Priestley y el concepto erróneo de flogisto –del que hablamos en el mismo artículo del oxígeno y también en el del nitrógeno–, la respiración del animal iba flogistizando el aire y “dañándolo” hasta que era incapaz de mantener vivo al ratón –pobre ratoncillo, dicho sea de paso–. Lo mismo pasaba al hacer arder una vela.

Pero todo cambiaba al introducir una planta en el recipiente.

Cuando Priestley dejaba al ratón encerrado pero añadía algo de menta, el ratón sobrevivía –imagino que a largo plazo el suministro de oxígeno no hubiera sido suficiente, pero al menos sobrevivía más tiempo–. Lo mismo pasaba, naturalmente, con la vela y menta. La planta estaba haciendo algo al aire, algo contrario a lo que hacían la vela y el ratón. En palabras del propio Priestley en su Experiments and Observations on Different Kinds of Air (Experimentos y observaciones con distintos tipos de aire), de 1790, en la sección correspondiente a sus experimentos con plantas,

Uno podría haber imaginado que, dado que el aire común es necesario para la vida vegetal, lo mismo que para la animal, tanto plantas como animales lo habrían afectado de la misma manera; y reconozco que yo mismo tenía esta expectativa cuando por primera vez puse un tallo de menta en un recipiente de vidrio, boca abajo en un vaso de agua. Pero cuando continuó creciendo allí varios meses, descubrí que el aire nunca extinguía una vela ni era dañino para el ratón que introduje allí.

Priestley tenía una hipótesis sobre el método por el que las plantas podían “restaurar” el aire viciado por animales o combustiones:

Esta restauración del aire viciado, creo, es efectuada por las plantas al absorber la materia flogística del que está sobrecargado [el aire] tras la combustión de cuerpos inflamables. Pero haya una base para esta conjetura o no, el hecho es, pienso yo, indiscutible.

Efectivamente, la conjetura era errónea (aunque la intuición del inglés, si piensas en esa materia flogística como CO2, es notable), pero el hecho era indiscutible: Priestley realizó experimentos con todo tipo de plantas vivas, y comprobó que esta propiedad no dependía del tipo de planta, y era algo que sólo sucedía con los vegetales. Recuerda, sin embargo, que estamos aún a finales del siglo XVIII, y el vitalismo –la idea de que los procesos relacionados con los organismos vivos son de algún modo incomparables con los procesos inorgánicos y probablemente inexplicables– aún campa a sus anchas. Las plantas hacían esto, pero nadie sabía cómo ni por qué.

Jan Ingenhousz
Jan Ingenhousz (1730-1799).

Descubrimos algo más gracias a un holandés, Jan Ingenhousz. Este químico, biólogo y médico demostró entre otras cosas que las plantas necesitan respirar, de igual modo que los animales, pero también demostró algo mucho más interesante para nosotros ahora mismo: el hecho de que esta mágica “regeneración del aire” no era algo que la planta hiciese por sí misma. Ingenhousz introdujo plantas vivas en agua y observó la formación de burbujas sobre las hojas; las burbujas se formaban siempre, pero en presencia de luz solar eran mucho más abundantes y el gas era diferente que en ausencia de luz. La conclusión del neerlandés fue clara:

Observé que […] este maravilloso proceso no se debe en ningún modo al propio crecimiento de la planta, sino a la influencia de la luz del Sol sobre la planta.

Hoy en día sabemos, claro está, que el crecimiento de la planta tiene que ver con esto, pero los cuidadosos experimentos de Ingenhousz nos abrieron los ojos: el proceso de “regeneración del aire” no era algo inherente a la planta e independiente del exterior, sino un proceso que requería luz solar. Otra cosa era saber qué diablos estaba pasando en el interior de las células vegetales para que esto sucediera. ¿Qué tenían las plantas que les permitía hacer algo aparentemente mágico?

Para comprenderlo era necesario, en parte, comprender la composición del aire como mezcla de gases y poder identificar cada uno de ellos, ya que hablar de “regenerar” el aire es bastante vago. El propio Priestley identificó el gas que formaba burbujas sobre las hojas de una planta sumergida en agua: era oxígeno. Dado que el oxígeno es precisamente el gas que los seres vivos necesitan para respirar y los combustibles para arder, esto tenía mucho sentido. Pero ¿cómo y a partir de qué producían las plantas ese oxígeno?

Ingenhousz nos reveló parte del rompecabezas: cuando la planta formaba burbujas de oxígeno sobre las partes sumergidas en agua se producía otro cambio simultáneo – el contenido del agua en ácido carbónico (H2CO3) disminuía. Dado que el ácido carbónico que aparece naturalmente en el agua es el resultado de la disolución del dióxido de carbono (CO2 ) del aire, las piezas empezaban a encajar.

Otros científicos siguieron realizando experimentos casi simultáneamente, aún a finales del siglo XVIII y principios del XIX. Un suizo, Jean Senebier, se percató de que cualquier parte de la planta no producía esas burbujas: sólo las partes verdes lo hacían (y sólo en presencia de luz solar, algo que ya había observado Ingenhousz). Otro suizo, Nicolas Théodore de Saussure, se dio cuenta de algo aún más importante. Por un lado, al exponer la planta a la luz solar el agua del recipiente era consumida a mayor ritmo que en la oscuridad, lo que sugería que la planta estaba utilizando el agua de algún modo para producir el oxígeno. La absorción de agua por parte de las plantas es algo muy obvio, pero esta diferencia de consumo entre luz y oscuridad no lo fue hasta la llegada del suizo.

Senebier y Saussure
Jean Senebier (izquierda) y Nicolas-Théodore de Saussure (derecha).

Además –y esto es la clave del avance de Saussure, publicado en 1804–, si se medía la masa de la planta según pasaba el tiempo, así como el consumo de agua, se comprobaba que el aumento de masa de la planta era mayor que la disminución de masa del agua que la rodeaba. La diferencia se debía a que la planta estaba tomando materia de dos fuentes distintas: por un lado el agua, y por otro lado el dióxido de carbono del aire. Esta asimilación del carbono –porque así se llamó durante mucho tiempo– conseguía de algún modo combinar el H2O y el CO2 utilizando la energía de la luz del Sol para producir el crecimiento de la planta.

Aunque el proceso químico es mucho más complejo –y no fuimos conscientes de muchas de sus complejidades hasta un siglo después–, un resumen de lo que sabíamos en el XIX sería algo como esto:

H2O + CO2 + luz → O2 + Glúcidos

La razón de que la luz fuese necesaria –y de esto eran conscientes los químicos de la época– era el hecho de que la reacción necesitaba de energía para producirse: las oxidaciones requeridas y los enlaces que debían romperse antes de formarse otros nuevos exigían un aporte de energía considerable. De acuerdo con el darwinismo que también se desarrollaba por entonces, las plantas habían evolucionado para emplear la luz del Sol como esa fuente de energía necesaria.

Espero que te des cuenta de la relevancia de esto: a principios del XIX eramos conscientes, por tanto, de un proceso mediante el cual era posible producir materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas. Desde luego no sabíamos exactamente cómo, pero la asimilación de materia no viva por parte de las partes verdes de las plantas era una conexión entre el mundo comprensible cuantitativamente –el de las cosas no vivas– y el mundo de los seres vivos. Algo en las partes verdes de las plantas era capaz de convertir lo no vivo en materia viva.

Pero ¿qué era ese algo?

Me sorprendió, al investigar para escribir este artículo, la rapidez con la que alcanzamos una respuesta al menos parcial a esta pregunta tan difícil: ¡trece años! Las líneas entre biología y química se desdibujaban tan deprisa a principios del XIX que tal vez no debería haberme sorprendido tanto. Un farmacéutico y un químico franceses, Joseph Bienaimé Caventou y Pierre Joseph Pelletier, colaboraron juntos durante años en París identificando compuestos químicamente activos presentes en las plantas. Esta colaboración los llevó a descubrir muchos y muy famosos ejemplos de lo que con el tiempo se llamarían alcaloides. En cuatro años prodigiosos, entre 1817 y 1821, Pelletier y Caventou aislaron cafeína, estricnina, quinina, brucina, emetina… y una sustancia química que proporcionaba el color verde a las plantas.

Caventou y Pelletier
Joseph Caventou y Pierre Pelletier en el descubrimiento de la quinina en 1820.

Caventou y Pelletier publicaron en 1818 Sur la Matière verte des Feuilles (Sobre la sustancia verde de las hojas), y allí bautizaron este compuesto con el nombre que seguimos usando hoy en día:

La sustancia verde de los vegetales […] Proponemos darle el nombre de clorofila.

El nombre propuesto por los dos franceses era el resultado de combinar khloros y phyllon, del griego amarillo-verdoso y hoja. Khloros es también el origen del nombre del elemento químico cloro, por la misma razón (el color). Aunque otros de los alcaloides vegetales obtenidos por Pelletier y Caventou tienen probablemente mayor importancia –por las vidas que salvaron, como la quinina– su descubrimiento de la clorofila es el que más nos interesa ahora mismo.

La clorofila no estaba presente en todas las partes de las plantas: el milagro de la “regeneración del aire” de Priestley sólo se producía en las partes verdes, que es donde se encuentra este compuesto. Pero es que, además, esta sustancia no estaba repartida por toda la parte verde; para darse cuenta hacía falta observar cuidadosamente la célula vegetal con un microscopio de la suficiente potencia.

Julius von Sachs
Julius von Sachs (1832-1897).

Un prusiano, Julius von Sachs, lo hizo a mediados del siglo XIX, y se percató de algo: ciertos orgánulos en el interior de la célula vegetal contenían granos de almidón –interesante– y el tamaño de estos granos de almidón cambiaba a lo largo el día –enormemente interesante–. Durante el día estos pequeñísimos gránulos de almidón aumentaban gradualmente de tamaño, y durante la noche disminuían de tamaño. Y estas estructuras eran el único lugar de la célula donde aparecía la clorofila.

Por lo tanto resultó evidente que, por un lado, estos orgánulos eran los responsables –por su contenido en clorofila– de dar el color verde a la planta, y por otro se confirmaba que era la clorofila la responsable química de la capacidad de las plantas para realizar el doble y maravilloso proceso: convertir dióxido de carbono y agua en materia orgánica gracias a la luz solar y emitir en consecuencia oxígeno al exterior. Como estas partes de la célula le daban el color verde a la planta, se les dio el nombre de cloroplastos (por el griego plastes, formar).

cloroplastos
Cloroplastos en las células de Plagiomnium affine (Kristian Peters / CC 3.0 Attribution-Sharealike License).

Al mismo tiempo que se estudiaban plantas para localizar la clorofila en ellas, muchos químicos intentaban responder a otra pregunta: ¿qué era exactamente la clorofila, químicamente hablando? Un viejo conocido de esta serie, Jöns Jacob Berzelius, había encontrado una sorprendente similitud entre la clorofila y otro compuesto en principio muy distinto: la hemoglobina, presente en la sangre de los vertebrados. Pero es que Berzelius era un genio, como testifica el hecho de que ha aparecido ya en tres capítulos de esta serie (el de Svante Arrhenius, el de Eduard Buchner y el de Wilhelm Ostwald), aunque desgraciadamente murió mucho antes de poder recibir los múltiples Nobeles que mereció.

Pero, en cuanto a hemoglobina y clorofila, en cierto sentido estoy mintiendo: sí existen paralelismos entre ellas. La hemoglobina es un pigmento que, al combinarse con oxígeno, toma un vivo color rojo. La clorofila también es un pigmento, pero su color es verde. Ahora bien, la hemoglobina no aparece en las plantas, lo mismo que la clorofila no aparece en los animales, y sus funciones biológicas son muy diferentes: ya hemos dicho cuál es la función biológica de la clorofila, mientras que la hemoglobina sirve para transportar oxígeno en el torrente sanguíneo. Por otro lado, hemos visto cómo la clorofila tiene que ver con gases –entre ellos el oxígeno–… ¿podrían tener ambas algo que ver químicamente hablando?

Jons Jacob Berzelius
Jöns Jacob Berzelius (1779-1848).

De acuerdo con Berzelius, sí. Al tratar los dos compuestos con ácidos y bases y realizar otras reacciones químicas con ambos, el sueco llegó a la conclusión de que se comportaban de manera tan parecida que probablemente tenían una naturaleza muy similar –cuando veamos cuál es la estructura molecular de ambas verás qué aguda era la intuición de Berzelius, que estaba experimentando nada menos que en 1837–. Ahora bien, le fue imposible determinar la naturaleza exacta de ambas y en qué se diferenciaban: sí, ambas estaban asociadas a vivos colores, pero ¿por qué tan diferentes?

El asunto era dificilísimo por las fechas de que estamos hablando, y si llevas en esta serie desde el principio lo sabes bien. La clorofila y la hemoglobina y tantas otras moléculas orgánicas requerían, para ser comprendidas, no sólo de una enorme precisión en la experimentación, sino del desarrollo de una química orgánica, ya que este tipo de compuestos era muchísimo más complejo que las moléculas simples de la química inorgánica. Esa nueva química surgió en el siglo XIX y, a finales de ese siglo, por fin empezó a dar sus frutos en el caso de la clorofila.

Fue a finales del siglo, por cierto, que se produjo un cambio no en el conocimiento sino en la nomenclatura, pero tengo que mencionarlo aquí también. Como dijimos antes, durante mucho tiempo se llamó al proceso químico del que la clorofila era un elemento esencial asimilación del carbono. Sin embargo, en 1893 el estadounidense Charles Barnes propuso dos nombres alternativos: fotosintaxis o fotosíntesis, y el segundo de estos nombres es el que seguimos utilizando hoy en día.

Al mismo tiempo que Barnes proponía nombres alternativos para el proceso, una horda de científicos estaba atacando la clorofila obtenida de las plantas mediante casi cualquier reacción de la que eran capaces. De hecho, si somos justos, la época y el conocimiento correspondiente hacían inevitable que se descubriera la naturaleza del elusivo compuesto – nuestro héroe de hoy podría no haber existido y tal vez entonces hubiéramos tenido que esperar un poco más, pero era una cuestión de tiempo. Su mérito estriba en que, aunque otros realizaron experimentos similares, fue él quien lo hizo con más rigor, quien más conclusiones extrajo y quien más concluyentemente determinó las propiedades de la clorofila; y, además, era un tipo excelente, de modo que conozcámoslo por fin.

Richard Martin Willstätter nació en Karlsruhe –en Alemania– en el seno de una familia judía en 1872 (menciono lo de la familia judía porque será relevante más tarde). A los 18 años entró en la Universidad de Munich y allí estudió Química y se graduó bajo la tutela, nada más y nada menos, que de Adolf von Baeyer, protagonista del Nobel de Química de 1905 por su estudio de un pigmento orgánico, el añil. ¿Casualidad? Pues hombre, no – von Baeyer despertó el interés de Willstätter en la química orgánica en general, y en los pigmentos y alcaloides vegetales en particular. De hecho, la tesis doctoral del joven en 1894 versaba sobre la estructura de la cocaína.

Richard Willstatter joven
Un joven Richard Willstätter.

Ahora bien, el trabajo de Willstätter sobre la clorofila no lo realizó bajo von Baeyer. Aunque aún quedaban años para la llegada de Adolf Hitler, el antisemitismo ya bullía por toda Europa, y en Alemania era muy intenso. El propio von Baeyer sugirió a Willstätter en 1902 que se convirtiese al cristianismo y se bautizase para suavizar las cosas y así no perjudicar su carrera profesional, pero el joven se negó y decidió buscar fortuna fuera de Alemania, en Suiza, donde la estupidez humana no era tan intensa.

En 1905 entró a formar parte del claustro de la Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) de Zürich, y fue allí donde empezó a desentrañar los secretos de esta molécula. Aunque no voy a entrar en gran detalle en los experimentos que realizó sí quiero dar una idea de por dónde van los tiros de su trabajo. Y, antes de empezar con esto, también quiero dejar una cosa clara para que no te decepcione luego: Willstätter nos reveló grandes secretos de la clorofila pero no fue él quien identificó absolutamente todo lo que hay en ella, porque para eso hará falta llegar a 1940 y el Nobel correspondiente, y aún estamos muy lejos.

Willstätter siguió el trabajo de Berzelius con ácidos y bases, pero con más rigor aún que el sueco y, naturalmente, con sesenta años de avances en química –sobre todo en la orgánica– en la mochila. Su objetivo era utilizar reacciones químicas para “romper” la molécula: tenía bastante claro que probablemente era una molécula orgánica compleja, es decir, formada por varias cadenas y grupos, de modo que intentó aislar esas partes una por una para identificarlas.

Tratando la molécula con hidróxido de potasio (KHO) produjo una saponificación, es decir, la hidrólisis de un triglicérido mediante una base. Al hacerlo obtuvo la primera “pieza” identificable de la clorofila: un larguísimo alcohol de fórmula empírica C20H40O que denominó fitol. Al retirar el fitol de la clorofila desaparecía alrededor de un tercio de su masa, de modo que Willstätter aún tenía por descubrir dos terceras partes de la molécula, ¡pero no está mal para empezar!

Ahora bien, el fitol no era el responsable del color verde de la clorofila, porque al eliminarlo lo que quedaba seguía siendo verde. Willstätter trató entonces de hacer reaccionar este remanente con bases fuertes y luego con ácidos fuertes, para identificar la razón del color verde. En este resto de la molécula el alemán encontró ácidos carboxílicos, pero lo más interesante de todo es que este resto contenía lo que, tras utilizar ácidos para aislarlo, resultó ser magnesio. Para ser justos algún otro químico había detectado magnesio antes, pero no había sido capaz de demostrar que no fuera una impureza, y su presencia era tan rara –nunca antes había sido detectado en una biomolécula– que era necesaria gran contundencia para demostrar que estaba ahí.

Este magnesio constituía alrededor del 3% del peso de la molécula, pero resultó ser fundamental. Por un lado la parte de la molécula que lo contenía parecía ser precisamente la que daba el color verde a la clorofila, y Willstätter denominó a estas estructuras clorofilinas. Por otra parte no se trataba de un átomo de magnesio suelto en el extremo de la molécula: de haber sido así sería muy fácil aislarlo utilizando las fuerzas eléctricas, ya que los iones de magnesio tienen carga positiva. Pero el metal era endiabladamente difícil de extraer de la clorofila, como si estuviera “encerrado y atado por todas partes”.

Esto, curiosamente, no era nuevo. Lo que hace a la hemoglobina especial es una estructura en forma de anillo que contiene en su interior (“encerrado y atado por todas partes”) un átomo de hierro, y esta estructura –llamada grupo hemo– es la responsable del color particular de la hemoglobina. La clorofila parecía tener, por tanto, una similitud sorprendente con la hemoglobina: los experimentos de Willstätter sugerían un anillo orgánico que contenía en su centro un átomo metálico, pero en vez de hierro como en el caso de la hemoglobina, de magnesio. Una similitud que no hubiera resultado sorprendente a Berzelius, por cierto.

clorofila
Clorofila. Fíjate en el anillo con átomos de nitrógeno (azul) y magnesio (verde), además de la larga cadena de fitol hacia la izquierda. (Dominio público).

Poco más tarde Willstätter consiguió demostrar más allá de toda duda la conexión química entre hemoglobina y clorofila. Estos anillos con un átomo metálico eran tan parecidos que el alemán consiguió, tras un número de reacciones químicas, obtener un anillo –sin el átomo metálico dentro– a partir de la clorofila, y el mismo anillo a partir de la hemoglobina. Este tipo de estructuras se denominaron porfirinas, hay muchas y gran número de ellas son pigmentos de brillantes colores.

hemo
Grupo hemo de la hemoglobina. Observa el centro con átomos de nitrógeno (azul) y hierro (morado). (Dominio público).

Tanto en el caso del grupo hemo como en el de la clorofila, el átomo metálico toma parte en diversas reacciones de oxidación-reducción: sirve de “depósito de electrones” donados por otros átomos, como el oxígeno del CO2 en el caso de la clorofila o el del O2 en el caso del grupo hemo, de modo que los organismos que los emplean pueden “atrapar” gases o átomos de moléculas gaseosas como parte de su biología. Pero el químico no se paró ahí.

Willstatter en el laboratorio
Richard Willstätter en su laboratorio en Berlín, 1913.

Cuando Willstätter realizó estas “disecciones químicas” con la clorofila extraída de distintas plantas se dio cuenta de dos cosas. Por un lado, la clorofila parecía ser básicamente la misma molécula independientemente de la planta de la que proveniese, pero por otro lado al descomponerla en sus constituyentes químicos parecía obtener dos resultados distintos, como si en todos los casos existiesen dos clorofilas diferentes. Tras años de trabajo, tanto en la ETH de Zürich como posteriormente en la Universidad de Berlín –donde se convirtió en catedrático de Química en 1912– y la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (Sociedad del Kaiser Guillermo para el avance de la ciencia), Willstätter pudo publicar sus conclusiones sobre esta especie de “doble clorofila”. Sí, ahora que tenía cierto prestigio su carrera no encontraba obstáculos por el hecho de ser judío –por ahora–.

El alemán había encontrado dos formas muy parecidas, pero no exactamente iguales, de la molécula, que llamó clorofila a y clorofila b. La primera era de color azul-verdoso y la segunda amarillo-verdosa, y al verlas mezcladas en gran cantidad el color resultante era el “verde clorofila” que se veía en los cloroplastos… pero la clorofila, claro, no era verde, sino una mezcla de las otras dos. La clorofila a absorbía luz en unas longitudes de onda más que la clorofila b y viceversa, de modo que juntas absorbían una buena porción del espectro solar. Si te fijas en la imagen de abajo, sólo dejan un buen hueco sin absorber en la zona media del espectro visible, es decir, en el verde – por eso vemos la mezcla verde. ¿Por qué no absorber todo y ser negra? No lo sabemos, pero hay que recordar que la evolución biológica no tiene un plan y lo que existe no es la mejor solución posible en todos los casos. En cualquier caso, hemos especulado sobre ello en el pasado.

clorofila a y b
Patrones de absorción de las clorofilas a y b (M0tty/ CC 3.0 Attribution-Sharealike License).

Además de la clorofila, Willstätter estudió otros pigmentos vegetales de color rojo y azul intenso llamados antocianinas. Esto puede sonar exótico pero no lo es: las antocianinas dan el color a las moras, a los arándanos, las cerezas, las berenjenas, el maíz morado y muchas flores como las rosas o los pensamientos. El alemán hizo algo parecido a lo que logró con la clorofila: “desmontar” la gran molécula en fragmentos más pequeños e identificables. Las antocianinas resultaron ser glucósidos, es decir, moléculas formadas por un glúcido –normalmente glucosa– unido a otra cosa.

Dado que la glucosa no tiene color rojo ni azul, esa otra cosa era quien daba el color a la flor o fruto, y Willstätter denominó a esos grupos cianidinas, aunque creo –en mi ignorancia– que hoy en día se llaman más comúnmente antocianidinas. Al estudiar muchas plantas se dio cuenta de que la reacción de estas cianidinas con otros compuestos en la planta –por ejemplo la savia– podía dar al pigmento colores bastante distintos. Dado que estas antocianinas tienen tonos muy intensos, los seres humanos hemos incluso seleccionado artificialmente plantas con un mayor contenido en ellos simplemente por su apariencia.

coliflor morada
Antocianinas a mansalva: coliflor morada (NellieBly / CC 3.0 Attribution-Sharealike License).

Curiosamente, la evolución biológica parece haber seleccionado el contenido en antocianinas precisamente por la misma razón: a diferencia de la clorofila, estos pigmentos no sirven para producir un ciclo de reacciones químicas. Lo que en la clorofila es un “efecto colateral” (el color) es el objetivo de estos pigmentos vegetales: atraer insectos, pájaros y otros animales por lo llamativos que son, ya sea para polinizar, diseminar semillas o lo que sea. Las antocianinas son, si me lo permites, maquillaje evolutivo.

Lo que no consiguió Willstätter fue identificar la estructura exacta y detallada ni de las antocianinas ni de la clorofila –o, mejor dicho, de las clorofilas, porque además de las dos que descubrió él resultó haber más–, ni tampoco la cadena exacta de reacciones químicas que forman la fotosíntesis. Para ambas cosas hubo que esperar unos cuantos años más. Y parte de la culpa de esto –aunque es difícil saber qué hubiera pasado de haber sido distintas las circunstancias– la tuvo la guerra.

El estallido de la Primera Guerra Mundial hizo muy difícil continuar las investigaciones, pero la cosa fue incluso peor que no hacer nada: Willstätter fue invitado a uno de los horrores más espantosos creados por el ser humano, la síntesis de gases venenosos. Era inevitable: aunque su trabajo se centrase en los alcaloides vegetales, era una de las principales figuras de la química orgánica alemana, y como ya hemos discutido hace tiempo aquí, la Gran Guerra fue un escenario de horror en este aspecto. Pero, naturalmente, la mayor parte de la gente no lo veía así: para la mayoría era una cuestión de simple patriotismo y lealtad desarrollar las armas más letales posibles.

Así, un buen amigo de Willstätter, Fritz Haber –que recordarás de un par de artículos atrás, cuando lo defendió Max von Laue en su panegírico–, lo invitó a unirse a él en la elaboración de gases venenosos para utilizar en la guerra. Sin embargo, Richard Willstätter se negó a participar en tal horror; aceptó por el contrario dedicar su esfuerzo a desarrollar protecciones contra esos gases –no olvidemos que los alemanes no fueron los únicos en usarlos en la contienda–, y en poco tiempo había diseñado un filtro para máscaras antigás de enorme calidad.

Willstatter en el laboratorio
Richard Willstätter en su laboratorio al terminar la Gran Guerra.

En dos años se habían fabricado unos treinta millones de estas máscaras, y al final de la guerra Willstätter recibió la Cruz de Hierro de Segunda Clase por esta contribución. Pero lo notable, en mi opinión, no es el mérito en el desarrollo del filtro, sino negarse por conciencia a algo que la mayor parte de sus compatriotas consideraba un deber. Otros hicieron lo que él hubiera hecho, sin duda, y probablemente considerasen su actitud un gesto simbólico… pero ahí quedó, y no sería el único que haría este barbudo de Karlsruhe.

Como ha pasado tantas veces en la serie últimamente, Willstätter no pudo acudir a recibir el premio de 1915, ya que la guerra continuaba. Viajó a una ceremonia dos años después de terminar la contienda, junto con otro puñado de galardonados durante la guerra, y esto nos ha dado el regalo de este vídeo de 1920, en el que el alemán aparece junto al resto de científicos que hicieron el mismo viaje y sus mujeres. Algunos son viejos amigos nuestros y otros lo serán pronto.

Willstätter Nobel
De izquierda a derecha: Fritz Haber, Charles Glover Barkla, Max Planck, Richard Willstätter, Johannes Stark y Max von Laue.

Después de la guerra y el galardón Willstätter continuó su trabajo en química orgánica –fue uno de los principales defensores de la idea de que las enzimas no eran organismos biológicos sino moléculas complejas–. Aunque ya no sea relevante para la historia del Premio, sí quiero mencionar el último detalle que indica la categoría humana de este tipo aunque fuera un desastre para su carrera y probablemente la química orgánica.

Tras la Gran Guerra el antisemitismo siguió aumentando en Alemania. Naturalmente Willstätter era ya una celebridad no sólo por su aportación en la guerra sino por el Nobel y su fama mundial, de modo que el hecho de ser judío no era un problema –lo hubiera sido más adelante sin duda, pero no aún–. En 1924, nueve años después de ganar el Nobel y seis de terminar la guerra, Richard Willstätter anunció una decisión sorprendente para todo el mundo: se apartaba de la vida pública y la investigación como gesto contra el antisemitismo reinante. Sus alumnos, sus colegas en Berlín e imagino que todo el mundo en Alemania que sabía quien era intentaron convencerlo de lo absurdo de esa jubilación anticipada, pero él se mantuvo en sus trece y no volvió a pisar ni un aula ni un laboratorio.

La recompensa a tal integridad le llegó catorce años después: en 1938 la Gestapo fue a por él. Afortunadamente se había ganado la lealtad de mucha gente y pudo escapar al mismo sitio al que se había dirigido de joven, Suiza, donde vivió los últimos años de su vida. Imagino que murió aún descorazonado por los acontecimientos, ya que a su muerte en 1942 aún no estaba claro lo que sucedería ni en Alemania ni en Europa.

Con este deprimente final no puedo dejarte, así que aquí tienes las palabras del profesor Hammarsten, presidente de la comisión de Química de la Real Academia Sueca de las Ciencias, escritas –no pronunciadas, porque no hubo ceremonia de entrega– en 1915. También te recomiendo, si tienes tiempo y ganas, que leas el discurso del propio Willstätter de 1920, al que enlazo al final:

Por su propiedad de hacer posible la asimilación de dióxido de carbono bajo la influencia de la luz solar y así introducir la síntesis de sustancias orgánicas en las partes verdes de la planta, la clorofila, como es bien sabido, posee una gran importancia biológica y tiene un trabajo extremadamente importante en la economía de la Naturaleza. Elucidar la naturaleza y modo de funcionamiento de esta sustancia es, por lo tanto, una tarea de la máxima importancia.

Sin embargo, las dificultades encontradas por los investigadores en este campo han sido tan grandes que hasta hace muy poco tiempo han evitado un estudio satisfactorio del problema de la clorofila. Willstätter es el primero, junto con varios de sus alumnos, en solventar estas dificultades mediante métodos novedosos y muy valiosos y mediante investigaciones extensas, llevadas a cabo con una maestría experimental considerable. A raíz de los nuevos e importantes descubrimientos que han resultado de estas investigaciones [Willstätter] ha conseguido revelar en todas sus partes esenciales la cuestión de la naturaleza química de la clolofila.

Es cierto que los investigadores anteriores habían observado que la clorofila contiene magnesio, además de otras sustancias minerales. Sin embargo, Willstätter tiene el mérito de haber sido el primero en reconocer y demostrar con pruebas el hecho de que el magnesio no es una impureza sino una parte integral de la clorofila pura de la naturaleza – un hecho de enorme importancia desde el punto de vista biológico.

Ha demostrado que el magnesio está unido a la molécula de clorofila de un modo muy similar al del hierro en la hemoglobina; este enlace es tan firme que el magnesio no se libera incluso bajo la acción de una base fuerte. Por otro lado puede ser extraído con un ácido sin dañar el resto de la molécula de clorofila, y la clorofila sin magnesio así obtenida es muy útil para ciertas investigaciones. Willstätter ha utilizado esta circunstancia para determinar hasta qué punto la clorofila es la misma en distintos tipos de plantas.

Las investigaciones realizadas en más de doscientas plantas diferentes, tanto fanerógamas como criptógamas, han demostrado que la clorofila era la misma en todos los tipos examinados hasta el momento. Esta clorofila, sin embargo, no es una sustancia químicamente homogénea. Es una mezcla de dos clorofilas muy similares pero diferentes, una de ellas azul-verdosa y la otra amarillo-verdosa, y la primera aparece en mayor densidad en las hojas que la segunda.

El hecho de que la clorofila en su definición ordinaria es una mezcla de dos pigmentos verdosos ya había sido ciertamente propuesto como probable por Stokes en 1864, y tanto Tsvett como Marchlevski habían apoyado firmemente esta hipótesis. Ha sido Willstätter, sin embargo, quien ha demostrado esto de manera concluyente.

La preparación de clorofila en un estado puro e inalterado y en cantidades suficientemente grandes como para realizar sobre ella un análisis químico ha sido, por supuesto, una de las tareas más importantes en la investigación sobre ella; al mismo tiempo era una de las más difíciles de todas. Al llevar a cabo esta tarea, Willstätter también ha conseguido obtener los dos tipos diferentes de clorofila mencionados anteriormente en un estado puro, y así ha obtenido una prueba definitiva de su existencia.

Al hacerlo ha conseguido llevar a cabo una investigación en profundidad sobre el gran número de derivados diversos que pueden obtenerse de estas dos clorofilas diferentes, y como resultado de esto ha iluminado considerablemente el campo de la química de la clorofila, que era antes muy complicado y confuso. Al desarrollar métodos para preparar clorofila pura en grandes cantidades, también ha creado nuevas y prometedoras posibilidades de investigaciones futuras y provechosas en este campo.

Sin embargo, la parte más importante de las investigaciones de Willstätter ha sido la relacionada con la detección de la estructura química de la clorofila. Ha demostrado que la clorofila es un éster, el cual al ser saponificado con una base puede ser separado en un alcohol antes desconocido llamado fitol, que representa una tercera parte de la molécula, y un pigmento llamado clorofilina que contiene magnesio, que forma el resto de la molécula. Ha investigado cuidadosamente estos dos componentes tanto de manera individual como a través de sus productos de transformación y descomposición.

Además, ha descubierto que esta separación de la clorofila en sus dos componentes antes mencionados también puede producirse como resultado de la acción de una enzima que aparece en las hojas, que ha llamado clorofilasa, y así ha sido capaz de elucidar la naturaleza de la clorofila cristalizada. Ha demostrado que ésta no es, como algunos investigadores habían supuesto, el pigmento puro e inalterado de las hojas. La clorofila cristalizada es un producto de laboratorio, un éster básico, que carece de fitol. La clorofila amorfa, que contiene fitol, es el pigmento natural e inalterado que existe en las partes verdes de la planta.

Una parte muy importante del trabajo de Willstätter sobre la estructura química de la clorofila es la de sus investigaciones sobre los pigmentos, la clorofilina y otras filinas y derivados de aquélla. Estas investigaciones son de particular interés en la cuestión de la relación entre los pigmentos de la sangre y la clorofila.

Es posible preparar, partiendo del pigmento rojo de la sangre, la hemoglobina, sustancias de color morado y libres de hierro, conocidas como porfirinas, y la conocida desde hace más tiempo de todas ellas es la hematoporfirina. Se ha preparado una sustancia ópticamente muy similar a ella a partir de un derivado de la clorofila por parte de Hoppe-Seyler, que ha llamado este pigmento clorofílico filoporfirina por la similitud entre ambas sustancias. Schunck y Marchlevski han demostrado posteriormente que existe una relación química entre el pigmento de la sangre y la clorofila, pero también en este caso ha sido Willstätter quien ha llevado a cabo las investigaciones más concluyentes.

En estas investigaciones concernientes al núcleo de pigmento tanto en la clorofila como en la hemoglobina, ha realizado observaciones nuevas y muy importantes sobre los pirroles y su posición en este núcleo; en particular ha demostrado que es posible preparar, a partir de estos dos pigmentos, la misma porfirina, etioporfirina, cuya molécula mantiene las características esenciales del núcleo pigmentoso. Al hacerlo ha demostrado de la manera más concluyente e interesante la relación entre los dos pigmentos más importantes, biológicamente hablando, de la Naturaleza – la hemoglobina y la clorofila.

También ha preparado en estado puro y estudiado exhaustivamente los pigmentos amarillos, denominados carotenoides, que aparecen junto con la clorofila en las hojas de las plantas. Mediante los resultados obtenidos estudiando estos pigmentos amarillos y las clorofilas, ha preparado el camino para nuevas investigaciones sobre el papel desempeñado por los distintos pigmentos de las hojas en la asimilación del ácido carbónico.

Además ha estudiado con gran éxito otro grupo de pigmentos vegetales, los pigmentos azules y rojos de las flores denominados antocianinas. Ha aislado el pigmento característico e investigado su naturaleza química para un gran número de flores como aciano, rosa, pelargonia, espuela de caballero, malvarrosa, etc., además de algunos frutos como arándanos, uvas negras y arándanos rojos. Como resultado ha demostrado que las antocianinas son glucósidos, que pueden descomponerse en un tipo de azúcar –en la mayor parte de los casos glucosa– y un componente pigmentario, una cianidina.

Willstätter ha determinado la estructura química de estas cianidinas; ha demostrado en qué consiste su diferencia entre los distintos tipos de flores y frutos, y también ha demostrado su estrecha relación con los pigmentos amarillos que aparecen en la Naturaleza del grupo de la flavona o el flavonol. Al reducir uno de estos pigmentos amarillos, la quercetina, ha obtenido la cianidina que aparece en las rosas y los acianos, y mediante la síntesis química ha conseguido obtener la cianidina de la pelargonia, la pelargonidina. Ha demostrado la dependencia de los pigmentos florales de la acción de la savia, y ha explicado así cómo es posible que la misma antocianina tenga un color diferente en flores distintas, como sucede con las rosas y los acianos. La antocianina es la misma en ambos casos, pero en la rosa está unida a un ácido vegetal y es por tanto roja, mientras que en el aciano está unida a una base y es por tanto azul.

Al extender sus investigaciones a los pigmentos amarillos de las flores y mediante la determinación cuantitativa de las antocianinas en ciertos tipos, ha demostrado la diferencia de color que las flores toman en la Naturaleza bajo el cuidado del jardinero dependiendo de distintas circunstancias, como la aparición de varias antocianinas diferentes en el mismo tipo [de planta], grandes variaciones en el contenido en antocianinas, distintas reacciones de la savia y la presencia simultánea de distintos tipos de pigmentos amarillos, que una vez más pueden diferir unos de otros en distintos tipos [de planta].

En este campo de la química de pigmentos vegetales, la investigaciones de Willstätter también pueden considerarse pioneras; las más importantes y más completas, sin embargo, son las relacionadas con la clorofila, mediante las que no sólo ha conseguido desentrañar la estructura química de esta sustancia, sino que además ha establecido una base sólida para la realización con éxito de investigaciones a largo plazo en este campo extremadamente importante de la química vegetal.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

Ciencia, Premios Nobel, Química

11 comentarios

De: rlopezcano
2013-09-25 20:49

Una errata

"la hemoglobina no aparece en las plantas, lo mismo que la hemoglobina no aparece en los animales"

De: Juan Carlos
2013-09-25 21:42

Gran artículo, sin lugar a dudas. Y para complementar la lectura, se podría poner el enlace a este -ya antiguo, como pasa el tiempo- artículo del tamiz: http://eltamiz.com/2007/04/12/¿de-que-color-seran-las-plantas-en-otros-planetas/

Errata: "la hemoglobina no aparece en las plantas, lo mismo que la hemoglobina no aparece en los animales", "cloforila", "conlcuyentes"

Saludos

De: Pedro
2013-09-25 21:42

Gracias, corregido :)

De: Brigo
2013-09-26 00:19

Esta imagen, http://eltamiz.com/images/2013/09/Jan_Ingenhousz.jpg, al menos a mi, no me carga.

Por otro lado una sugerencia: la foto que hay antes del párrafo que empieza por "Esto, curiosamente, no era nuevo." quizá debería ir después porque hasta que lo lees la foto parece no venir a cuento.

De: Manolo
2013-09-26 00:30

Hasta hace nada estaba pensando en escribir un artículo de la historia de la clorofila, pero lo descarté por el ingente trabajo de investigación que suponía. Hoy vengo, visito el Tamiz, y me encuentro un articulazo como este, bastante más amplio que lo que yo tenía en mente.

Felicidades por el artículo, tremendamente ilustrativo y muy ameno. Me ha encantado.

Un saludo, Pedro.

De: Sergio Ríos
2013-09-26 01:01

Excelente artículo, como siempre.

Una ligerísima corrección: En varias ocasiones hablas de la hemoglobina y de la clorofila como compuestos equivalentes, cuando en realidad la hemoglobina es una proteína que contiene al grupo hemo, que es el auténtico compuesto similar a la clorofila y el responsable último del color rojo de la sangre. Entiendo que simplemente te has referido al grupo hemo como hemoglobina a secas aunque químicamente sean muy diferentes.

De: Pedro
2013-09-26 07:38

Brigo, corregidas :)

Sergio, he intentado cambiarlo en algún sitio más, pero tras releerlo me queda clara la diferencia entre ambas cosas, de modo que no he cambiado todas las referencias porque me parecía que lía la cosa demasiado.

¡Gracias!

De: kemero
2013-09-26 20:30

La rompiste toda Pedro!!! excelente artículo!!

De: Jorge
2013-09-26 23:46

Articulazo, como siempre; muy bien tramado y gratísimo de leer. Me has dado un buen respiro de la pega, ¡gracias!

Increíble a estas alturas cómo era la experimentación en la época de Priestley, y realmente inspiradora la intuición de personas como él. Sólo espero que no haya matado muchos ratones...

Un saludo,

De: Gencianal
2013-09-28 20:33

Gran artículo... y vaya talla moral la de Willstäter. Ojalá más científicos hubieran sido como él.

De: Inquieto
2013-10-01 13:46

Como siempre, muy bueno :) No tenía ni idea de los experimentos de Priestley, me ha encantado esa parte. No sé cómo las llamaba Willstaeter, pero creo que actualmente la terminología es esta: Antocianinas: Pigmentos enteros (con el azucar) Antocianidinas: Pigmento sin el azucar Cianidina: Tipo de antocianidina.

Saludos

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