La idea sería hablar, por ejemplo, de los alcanos o hidrocarburos saturados y hacer dos o tres artículos sobre sus propiedades generales. Entre medias, se hace lo mismo con familias de compuestos inorgánicos (los complejos de coordinación, por ejemplo), y, de vez en cuando, para desconectar, elegiré compuestos importantes (el propano y el butano en alcanos; el grupo hemo en complejos de coordinación…) y les dedico artículos individuales; en la línea del ya publicado del éter. Voy a plantear ahora como estructuraré cada serie:

El orden que seguiré en la subserie orgánica (la que más desarrolle porque es “mi tema”) será el mismo que el seguido en un curso universitario de orgánica:

-Alcanos -Alquenos -Alquinos -Dienos conjugados -Hidrocarburos alicíclicos -Hidrocarburos aromaticos -Haluros de alquilo -Alcoholes -Éteres y epóxidos -Aldehídos y cetonas -Ácidos carboxílicos -Derivados de ácido -Aminas -Hidrocarburos heteroaromáticos

En la inorgánica, el orden podría ser (tengo que revisarlo, al tenerla muy oxidada por no haberla mirado en 5 años):

-Hidruros -Óxidos -Hidróxidos -Sales -Oxoácidos y oxosales -Complejos de coordinación

La última subserie sería un poco “cajón desastre”. Los artículos los iría encajonando en su lugar según el tipo de compuesto que sea en la página para hacer los links.

A ver que sale; de momento lo primero será completar el artículo del éter y sacar la segunda parte.

Hoy hablaré del éter dietílico, que fue uno de los primeros anestésicos utilizados en medicina. No es un tema baladí: en el mundo actual es impensable una operación quirúrgica sin anestesia, pero ésta no existía hace 200 años. Operaciones sencillas, como la amputación de miembros, la operación de cataratas y la extracción de cálculos biliares o de balas eran auténticas torturas para los pacientes. Si leéis El Médico y Chamán, de Noah Gordon, podréis haceros una idea de en qué estado se encontraba la Medicina en los siglos XI y XIX, respectivamente.

Los primeros anestésicos utilizados fueron el éter, el óxido nitroso o “gas de la risa“, y el cloroformo. Luego han cedido el paso a otros más modernos y menos tóxicos, como el halotano, el enfluorano, el isofluorano y el desfluorano.

Eso sí, el uso de analgésicos también tuvo sus “pequeños” problemas al principio, provocados por la mentalidad de la época y la reticencia al cambio. Por ejemplo, cuando la reina Victoria de Inglaterra decidió en 1.857 tener al príncipe Leopoldo de Sajonia-Coburgo-Gotha (su octavo hijo) empleando cloroformo en el parto para no sentir dolor los sectores más conservadores de Inglaterra se le echaron encima por contravenir la frase bíblica que Dios le dijo a Eva tras el pecado original: “Parirás a tus hijos con dolor”. ¡Menos mal que ya no se piensa como entonces!

Para presentaros al éter seguiré un pequeño esquema, para no perderme e irme por las ramas. Tras una introducción histórica hablaré de sus propiedades; y dejaré su síntesis y sus aplicaciones para otra entrega, porque sino queda un artículo muy largo.

Historia

El éter fue aislado por primera vez en 1.540 por Valerius Cordus, quien lo llamó “oleum dulcis vitrioli” o aceite dulce de vitriolo. En aquella época llamaban vitriolos a distintos sulfatos (como el sulfato de amonio, el sulfato de plomo (II), y el sulfato cúprico) con aspecto similar al vidrio y que se utilizaban para obtener ácido sulfúrico, más conocido como aceite de vitriolo.

El origen del nombre del éter se debe a que Cordus lo aisló a partir de la destilación de alcohol etílico con ácido sulfúrico. Químicamente, lo que se produce en esta reacción es una deshidratación: dos moléculas de etanol, en presencia de ácido sulfúrico, pierden una molécula de agua dando éter dietilíco.

El genial y controvertido Paracelso fue el primero en descubrir que el éter tenía propiedades analgésicas, pero hubo que esperar hasta el 30 de marzo de 1.842, cuando el doctor Crawford Williamson Long (Danielsville, Georgia) lo empleara en en una operación quirúrgica. Lo utilizó para sedar a un niño antes de extirparle un quiste del cuello. De acuerdo con las descripciones del libro Chamán, el éter se guardaba en una botella de cristal oscuro (para que no le diera la luz) y, para administrarlo, se vertía un poco sobre un cucurucho hecho con papel de periódico; para luego tapar con dicho cucurucho la boca y la nariz del paciente, de forma que los vapores (el éter es tremendamente volátil) sedaran al paciente.

En 1.846 William T.G. Morton hizo una exhibición al administrarle éter (para quedarse con la patente en vez de Crawford Long, intentó ocultar que era éter, llamándolo “Letheon”) a un paciente, Edward Gilbert Abbot, a quien a continuación el doctor John Collins Warren le extirpó sin dolor alguno un tumor en el cuello. Como véis, pillos e interesados (Morton) los ha habido en todas las épocas.

Con el tiempo, se fue sustituyendo por otros analgésicos más modernos y menos tóxicos: es muy peligroso de manejar, y es irritante. Asimismo, su olor es desagradable, picante. No obstante, se utilizó profusamente en el siglo XIX por ser menos tóxico que el cloroformo; y aún es bastante usado en países subdesarrollados por su bajo coste, a pesar de no ser el más indicado.

Propiedades

El éter es un disolvente orgánico extremadamente inflamable, y muy volátil. Es un líquido incoloro de olor desagradable y picante, de esos olores “pestosos” que se te quedan metidos en la nariz y tiempo después de estar expuesto a él sientes que sigues oliéndolo. Cuando abres la botella de éter, además, por su volatilidad, salen “despedidos” vapores de un color incoloro (es como el aire “borroso” que rodea a las llamas del fuego)^[1], que le dan como un aire tétrico, porque como es más denso que el aire, cuando llega a la altura del tapón de la botella cae para los lados, le ocurre como al hielo seco que sublima a temperatura ambiente. Si tuviera “colorcillo”, como el azufre o el cloro, a más de uno que abra una botella sin ir avisado le daría un “yuyu” de sólo verlo.

A mi no me hace ninguna gracia utilizarlo cuando toca emplearlo en una reacción. El problema de los disolventes orgánicos es que son un poco como los políticos: no tienes que buscar el bueno (cualquiera lo encuentra) sino el menos malo, porque el que no es inflamable, o es explosivo, o apesta y no hay quien lo maneje, o tóxico, o cancerígeno o cualquier otra cosa por el estilo; cada uno tiene su “miga”, si es que no tiene varias… No hay nada más sano que el agua, pero la “condenada” tiene unas propiedades que obligan a buscar disolventes orgánicos: el agua forma “gotas” que dificultan la limpieza de equipos; no solubiliza apenas a los compuestos orgánicos (en suspensión las reacciones se dan mucho peor), y, para colmo de males, se “pega” a ellos y cuesta un montón secarlos a la hora de purificarlos si has usado agua como medio de reacción.

El éter tiene una tensión superficial y un punto de ebullición muy bajos (ebulle a 34 ºC y funde a -115ºC a presión atmosférica), es muy fácil eliminarlo con un calentamiento suave o por succión en una trompa de vacío. Aparte de ser inflamable, puede ser explosivo si se expone a la luz (sobre todo a la ultravioleta), porque ésta lo degrada lentamente formando peróxidos, los cuales, si se acumulan, y más estando inmersos en el seno de un líquido extremadamente inflamable, pueden dar un susto en forma de un pequeño “petardazo” a la hora de coger la botella porque estallan con una pequeña sacudida.

Pero no nos asustemos: tampoco es tan peligroso como parece, porque para que ésto ocurra (¡no se os ocurra experimentarlo!) has de tenerlo en un frasco de vidrio normal (el éter se guarda en vidrio topacio, que no deja pasar la luz) o tener la botella cerrada durante un varios meses; la formación de peróxidos es muy lenta. Con cuidado, no pasa nada: se dice que la paciencia y la prudencia son las madres de la ciencia.

1. Nota del editor: En ambos casos, el carácter “borroso” se debe a que tienen diferente índice de refracción que el aire que los rodea

Como expliqué en el artículo sobre el “ADN basura”, la célula^[1] transcribe el ADN a ARN, el cual se traduce a proteínas en los ribosomas.

Hasta aquí, con la proteína recién formada en el ribosoma, parece que ya “hemos terminado”, pero no. Una proteína es algo más que una secuencia de aminoácidos codificada por el ADN nuclear: tiene una disposición en el espacio muy concreta que es la responsable última de su función, porque una proteína mal plegada en la mayoría de los casos pierde su función biológica. La proteína alcanza dicha disposición estructura gracias a los procesos de plegamiento, que pueden ser espontáneos o pueden estar mediados por proteínas que ayudan a otras proteínas recién formadas a plegarse, como las chaperonas.

Y ¿por qué las proteínas pueden tener distintas estructuras posibles? Es decir ¿por qué no tienen una disposición linear o una estructura “simple” como la doble hélice del ADN? La respuesta se encuentra en el “pegamento” que une los distintos aminoácidos: es el llamado enlace peptídico. Tal y como puede verse en la animación^[2], el enlace entre dos aminoácidos forma un plano que se une al plano formado por el siguiente enlace a través de una “bisagra”. Dicha “bisagra”, a la cual se unen además las cadenas laterales características de cada aminoácido), se puede caracterizar definiendo dos ángulos de rotación, llamados phi y theta.

Sin embargo, no todos los ángulos son posibles, como puede verse en la animación. Hay parejas de los ángulos que disinuyen la estabilidad de la proteína porque “dejan” átomos tan cercanos en el espacio que se repelen, desestabilizando la proteína. El diagrama o mapa de Ramachandran muestra en una gráfica las “regiones” de parejas de ángulos que permiten formar elementos estructurales típicos de las proteínas, de los que ya hablaremos en otro artículo.

A la izquierda podemos ver el diagrama de Ramachandran de una proteína humana. Los cuadraditos amarillos son los distintos valores encontrados para cada par de ángulos presente en la proteína. A primera vista se ve que la mayoría se encuentran en unas regiones determinadas que se corresponden con elementos estructurales presentes con frecuencia en las proteínas. No obstante, unos pocos valores se encuentran fuera. Estos últimos valores son los que se obtienen cuando el segundo aminoácido del enlace peptídico es una glicina: es el aminoácido más pequeño, por lo que puede adoptar valores prohibidos para otros aminoácidos al presentar menos repulsiones.

Tras esta “farragosa” introducción vamos a hablar por fin de la paradoja de Levinthal. En ella, Levinthal muestra (de ahí el nombre de paradoja) lo que ocurriría si las proteínas se plegaran al azar, lo que vamos a ver con un ejemplo.

Imaginemos que tenemos una proteína de 100 aminoácidos; y que cada uno de sus enlaces peptídicos puede adoptar 2 conformaciones distintas (cogemos un número muy bajo e irreal para simplificar). En este caso, tendríamos 1,3 x 10³⁰ conformaciones distintas (2¹⁰⁰ conformaciones). Si suponemos que se prueban distintas conformaciones por ensayo-error, y que la proteína está 10 nanosegundos en cada conformación, la proteína tardaría en plegarse al azar 1,3 x 10²² segundos, o sea, ¡402 billones de años! Vamos, tardaría en plegarse ni más ni menos que 31.000 veces la edad actual del Universo (13.000 millones de años)^[3]. Y estamos considerando una versión “simplificada” de la paradoja: si tuviéramos en cuenta que las proteínas suelen tener entre 300 y 700 aminoácidos; y que las conformaciones posibles en cada enlace son muy dispares, la cifra total de conformaciones y el tiempo de plegado serían realmente astronómicos.

Ahora bien, una proteína se pliega en un tiempo que oscila entre unos pocos milisegundos y un minuto, según cada proteína que tengamos en cada caso. Como dijo Einstein, y nunca mejor dicho, Dios no juega a los dados: está claro que las proteínas adoptan su conformación final de cualquier forma menos al azar.

Hay muchas y muy diversas teorías sobre el plegamiento de proteínas, y todas, basándose en esta paradoja, postulan que el plegamiento es ordenado. Una de las más aceptadas propone que en el medio acuoso del interior de la célula se produce un “colapso hidrofóbico”, gracias al cual los aminoácidos con cadenas laterales hidrofóbicas (que “huyen” del agua) quedan orientados hacia dentro, estabilizando la proteína. Pero la conformación colapsada anterior no es la estructura más estable: la proteína intenta “relajar” mediante pequeños cambios las repulsiones todavía presentes hasta el valor más bajo posible, que es la estructura más estable, es decir, la responsable de la función de la proteína.

La teoría anterior no es del todo correcta, pero nos puede valer como una aproximación. En la realidad, la estructura más estable no tiene porqué ser la funcional. Es más, muchas proteínas necesitan de otros elementos adicionales para estabilizar su estructura final, pero eso ya es otra historia…

Este tema da mucho que pensar. A mi me hace maravillarme aún más del hecho de que exista la vida. Cuando lo vi por primera vez en clase hace más de un año pensaba cosas como lo complicado que debió ser que se plegara la primera proteína; o la tremenda carambola (gracias a la cual estamos aquí todos hoy) que supuso el que se juntaran todas las proteínas indispensables para la vida y que además estuviesen todas correctamente plegadas en la primera célula. No podemos negar que la formación de la primera célula es un auténtico milagro y una grandísima coincidencia; por lo que no es descabellado plantearse (no me devoréis como si fueráis alienígenas matemáticos por decir esto) la existencia de una fuerza divina que “ayudara” en el proceso.^[4]

¿Qué pensáis? ¿Donde buscaríais nuestro origen? ¿En el azar, en una coincidencia, en Dios, o en otro lugar?

1. Para evitar malentendidos a menos que diga lo contrario siempre me refiero a células eucariotas, con el fin de simplificar. En la mayoría de los casos los mismos procesos se dan también en bacterias
2. Obtenida de la web de la UNAM
3. la versión original de Levinthal parte de otros números más elevados, he buscado simplificar las cuentas reduciendo el número de conformaciones para obtener números que podamos imaginarnos
4. Nota del editor: Un asunto tratado en El Tamiz, http://eltamiz.com/2007/04/20/%C2%BFno-es-mucha-casualidad-que-haya-vida-en-el-universo/

En el mundo “real” o macroscópico los peces y el resto de animales acuáticos como los pinguinos, ballenas, delfines… nadan impulsándose con aletas.

Helicobacter pylori y sus flagelos (Dominio público).

La pregunta es ¿por qué en el mundo microscópico no hay aletas? Es decir ¿por qué las bacterias se mueven gracias a la acción de estructuras propias como los cilios y los flagelos y no gracias a la acción de aletas, como los peces?

La respuesta se encuentra en la Física, en la Mecánica de Fluidos. Un fluido puede tener un flujo laminar o turbulento, en función de variables como la velocidad y el tamaño del objeto que se mueve; y la viscosidad y la densidad del fluido. Existe un número adimensional, el número de Reynolds, que sirve para valorar si un fluido se encuentra en régimen laminar o turbulento. Si este número es menor que uno, el flujo es laminar; mientras que si es mayor que uno es turbulento.

Ahora bien ¿qué es lo que caracteriza a cada tipo de flujo?

El flujo turbulento es el más común a las escalas macroscópicas, y se caracteriza por ser irreversible. Por ejemplo, si grabamos un vídeo de un chorro de agua a presión que sale de una tubería sumergida en una piscina y luego lo “rebobinamos” viendo las imágenes, éstas no tienen ningún sentido físico porque disminuye el desorden, lo que “viola” el segundo principio de la termodinámica (en un sistema aislado la entropía nunca disminuye de forma espontánea). Si dibujamos las líneas de flujo (las líneas que representan las trayectorias que siguen las distintas moléculas o grupos de moléculas), vemos que éstas se entremezclan de forma completamente caótica.

Sin embargo, en un flujo laminar ocurre exactamente lo contrario: es un flujo ordenado y reversible. Sus líneas de flujo están perfectamente ordenadas, y no se entremezclan, están estratificadas en función de la velocidad (la velocidad de una partícula en un fluido que circula a través de un tubo varía en función de su posición en el tubo).

Un flujo laminar sería, por ejemplo, un vaso con un fluido muy viscoso (glicerina, por ejemplo) en el que movemos una varilla. En este fluido ocurre un fenómeno muy curioso: si añadimos una gota de colorante a la punta de la varilla y movemos ésta dibujando un círculo, dispersamos la mancha. Si a continuación realizamos el movimiento contrario ¡la mancha desaparece y vemos de nuevo la gota inicial! Esto a primera vista parece violar el segundo principio de la termodinámica, pero se puede justificar: la difusión de una partícula en un fluido es más lenta cuanto más viscoso es el fluido; y, aparte, ¡el movimiento en un flujo laminar es reversible! Este fenómeno puede verse en el siguiente vídeo: ^[1]

El flujo laminar es el flujo típico a pequeñas escalas: para las bacterias todos los fluidos son viscosos^[2]. Por ello, las bacterias siempre se encuentran inmersas en un líquido en régimen laminar. Esta es la razón de que las bacterias no tengan aletas: el vivir en el interior de un fluido laminar.

Vamos a imaginar que una bacteria tuviera aleta. Si intentan mover una aleta hacia adelante y luego hacia atrás, no avanzaría, porque el movimiento en un fluido laminar es REVERSIBLE. Es decir, al retirar la aleta retrocedería y volvería a su posición inicial, porque hacemos un movimiento cíclico.

Para poder moverse han tenido que desarrollar estructuras nuevas: los cilios y los flagelos. Los cilios son una especie de “pelos” que recubren la célula y se mueven de forma no cíclica para evitar el problema de las aletas. Se mueven dando un “latigazo”, y luego vuelven a la posición inicial pegados al cuerpo de la bacteria, consiguiendo así una menor “fricción” en el segundo recorrido, lo que hace que retrocedan menos de lo que avanzan.

Los flagelos son una auténtica maravilla de la biología y de la evolución, merecen un artículo aparte. Están formados por un tubo hueco, largo y rígido de forma helicoidal, que impulsa la bacteria gracias al giro de un motor molecular ¡de sólo 45 nanómetros de diámetro! Me parece increíble que un “motor” tan pequeño pueda mover un tubo de más de 2 micrómetros de largo. El flagelo permite a la bacteria moverse porque “empuja” agua hacia atrás, al igual que lo hace un Tornillo de Arquímedes, empleado por los antiguos para subir agua desde los ríos hasta las casas. ¡Espero que Arquímedes no copiara el diseño de una bacteria y resulte que inventó el microscopio 2.000 años antes que Leuwenhoek!

Imagen artística del movimiento de los flagelos de E. coli (Dominio público)

El experimento de Silverman y Simon que demostró que los flagelos tienen un movimiento rotatorio fue uno de los diseños experimentales más ingeniosos de este siglo. Como no se puede ver el giro del flagelo por su pequeño tamaño, crearon una bacteria recombinante en la que alteraron los genes de la proteína del flagelo de tal forma que crearon un flagelo más corto acabado en un garfio. Engancharon el garfio a una estructura y ¡vieron como la bacteria giraba sobre sí misma! Simplemente, alucinante.

Una última perla: los flagelos permiten a las bacterias moverse a 60 micras por segundo. Parece poquito (0,216 mm/h), pero si las bacterias tuviesen 1 metro de longitud en vez de una micra, se moverían a 60 m/s, o sea… ¡216 km/h! Es increíble que, teniendo más resistencia que nadie por el flujo laminar, sean uno de los organismos más rápidos.

La de asombrosos secretos físicos que puede encerrar una “humilde” bacteria…

1. Mi agradecimiento a Artic Labs por su excelente aporte
2. Nota del editor: Este curioso fenómeno ya apareció en El Tamiz hace algún tiempo al hablar de diodos nadadores

Voy a escribir artículos sobre bioquímica y sobre química. Para empezar, pongo éste artículo que ya tenía escrito sobre el ADN basura, porque es un tema que siempre me ha llamado la atención.

Como ya sabéis, la molécula portadora del material genético es el ADN o ácido desoxirribonucleico. Por sus propiedades es capaz de replicarse fielmente, garantizando así la transmisión de la información genética a la descendencia. Su estructura fue motivo de controversia durante muchos años, hasta que en 1.953 James Watson y Francis Crick dedujeron el modelo de la doble hélice basándose en los experimentos de Rosalind Franklin. Un día me gustaría hablar del descubrimiento de la doble hélice, es una interesante historia (parece ser que Watson y Crick emplearon datos experimentales de Franklin sin su permiso).

La célula no usa directamente el ADN, porque éste se encuentra en el núcleo y las reacciones de la vida tienen lugar en el citoplasma. Para saltar esta barrera el ADN es transcrito a ARN (ácido ribonucleico), que sí puede salir del núcleo. Cuando lo hace, es traducido a la correspondiente proteína en los ribosomas.

En su día me explicaron este proceso con un bonito símil: el ADN es la biblioteca que recoge los planos de las distintas “máquinas” que tiene la célula. Pero como son unos libros únicos y muy valiosos, no dejan llevarlos a casa para que no se estropeen. Por ello, los “habitantes” de la célula sólo pueden hojearlos y tomar notas: las notas serían el ARN. Luego, fuera de la biblioteca, fabrican las máquinas según los apuntes tomados.

Según lo anterior, la principal función del material genético es almacenar la información que permite a la célula sintetizar sus proteínas. Pero lo curioso es que no todo el material genético sirve para codificar proteínas: en el hombre sólo el 1,5-2 % del material genético codifica proteínas: el 98 % del ADN es “ADN basura” (para los entendidos, no he considerado los intrones, o regiones que están incluidas dentro de un gen pero no se traducen a proteínas, porque estrictamente no son ADN codificante). Y además es curioso saber que más del 70 % del material genético está formado por ¡¡repeticiones!!

La pregunta que se hace la ciencia es la siguiente: si la naturaleza tiende a la “ley del mínimo esfuerzo” (ser vago no está mal… es simplemente hacer caso del instinto dictado por la madre naturaleza…), ¿por qué “se esfuerza” en copiar tanto material “inútil”, despilfarrando energía? ¿O esto nos quiere decir que realmente es tan importante o más que el ADN génico? Y más aún: ¿por qué el resto de los seres vivos cuyo genoma ha sido secuenciado total o parcialmente (E. coli, C. elegans, S. cerevisiae, D. melanogaster, e incluso la rata) tienen mucho menos ADN basura que nosotros?

Algunas regiones específicas del material “basura” tienen funciones concretas, como el regular qué proteínas se transcriben y cuáles no (esto es muy importante: cualquier error se traduce en una enfermedad); pero los mecanismos por los que actúan no están del todo claros o son bastante complejos.

También es posible que el ADN basura tenga más funciones, pero hoy día no se conocen… Por ello, su finalidad es una incógnita y la búsqueda de la misma es una de las grandes líneas de investigación de la genética. Si queréis dedicaros a la genética… ¡ya sabéis una cosa que podéis estudiar!

Para acabar, un enlace, aunque en inglés (no hay entrada específica para el “ADN basura” en la Wikipedia castellana): http://en.wikipedia.org/wiki/Junk_DNA