Clatratos de agua y biomoléculas
Que la molécula de agua es única es algo que aprenden muy pronto los estudiantes de química y biología. Sus extraordinarias y singulares propiedades físicas y químicas hacen de la misma un tema aparte. Su importancia a nivel estructural es enfatizada todavía en muchos trabajos de investigación actuales; por otro lado, puede afirmarse que todavía desconocemos muchas características y propiedades de este líquido. Repasaremos en este artículo algunas investigaciones recientes sobre la estructura de agrupaciones discretas de moléculas de agua y sobre cómo éstas ayudan a comprender mejor el efecto de solvatación acuosa de biomoléculas.
Algunos datos termodinámicos
El calor de sublimación del hielo a 0ºC es de 11,2 kcal/mol, de las cuales 1,4 representan la energía cinética de las moléculas en estado de vapor; las 9,8 kcal/mol restantes suponen la energía requerida para romper los enlaces que mantienen unido al cristal de hielo. Éstos son enlaces de hidrógeno casi exclusivamente, puesto que las interacciones de van der Waals, fundamentales en los cristales orgánicos, se pueden despreciar debido a su pequeña contribución. Si comparamos este calor de sublimación con el de fusión del agua, encontramos que este último es casi 8 veces menor, lo que implica que la mayor parte de la estructura de enlaces de hidrógeno en el sólido se mantiene también en el líquido. Además, el alto calor específico del agua líquida hay que atribuirlo a la dependencia con la temperatura de la energía de organización molecular, en lugar de a la energía de moléculas individuales. Cálculos realizados con algunos modelos teóricos dan como resultado una energía de los enlaces de hidrógeno más apropiada para un cambio de conformación que para una reorganización de estos enlaces, por lo que se postula la existencia de agrupaciones discretas de moléculas de agua unidas por enlace de hidrógeno, formando trímeros, tetrámeros y pentámeros, fundamentalmente [Science, 271: 929-933, (1996)].
Estructura de las agrupaciones (clusters)
Para el dímero (H2O)2, la teoría y los datos experimentales están en buena concordancia; para el trímero, tetrámero y pentámero, cálculos teóricos ab-initio realizados con bases extensas, predicen estructuras planas en las que cada monómero actúa como dador y aceptor de un solo enlace de hidrógeno, quedando el hidrógeno restante por encima o debajo del plano de la molécula. Para el heptámero y agrupaciones mayores, existe tendencia a formar estructuras tridimensionales (3D), siendo el hexámero una agrupación o cluster intermedia entre una estructura cíclica plana y una 3D. Estos cálculos se ven respaldados por medidas llevadas a cabo mediante la espectroscopia de vibración-rotación de efecto túnel (VRT). Para las agrupaciones de trímero, tetrámero y pentámero, se encuentra que los niveles de energía siguen los patrones de un rotor simétrico (debido a la simetría de la estructura cíclica). En el caso del tetrámero y pentámero se determinaron dos constantes rotacionales, suficientes para establecer sin ambigüedades que las estructuras responsables del espectro eran las predichas por los cálculos. El estudio del espectro del hexámero permitió sugerir una estructura 3D también en buena concordancia con los cálculos efectuados [Science, 271: 929-933, (1996)].
Solvatación acuosa
Uno de los objetivos más importantes de estas investigaciones radica en elucidar los detalles del mecanismo de solvatación, que en el caso del agua (hidratación) es más importante que en ningún otro disolvente. La explicación de la naturaleza de esta solvatación se ha resuelto en parte por el estudio de las agrupaciones o clusters que forma el agua.
Recientemente se ha encontrado que al hidratar solutos hidrofóbicos, las moléculas de agua pasan de estar unidas por enlaces de hidrógeno y sin estructura fija, a formar icosaedros truncados que envuelven la estructura o dominio molecular hidrofóbico. Estas estructuras icosaédricas están formadas por pentágonos y hexágonos en una relación 8:1. El pentámero parece ser, pues, fundamental en los mecanismos de hidratación de biomoléculas, al proporcionar la curvatura necesaria para formar la "jaula" ordenada de moléculas de agua que rodean los dominios y estructuras más apolares, lo que se conoce como estructura de clatrato. La figura adjunta muesta una representación esquemática de una estructura de clatrato alrededor de cadenas hidrocarbonadas apolares.
Estudios de rayos X han demostrado que la proteína crambina tiene hendiduras hidrofóbicas en las que 16 moléculas de agua de hidratación se organizan en una cápsula de pentágonos concatenados que rodea al grupo metilo de residuos de leucina. Un comportamiento similar se ha observado en otras proteínas y en polímeros de DNA y, a medida que se incrementa la hidrofilia del soluto, existe una tendencia muy acusada a formar anillos de 6 y 7 miembros (la estructura 3D de éstos evita que las moléculas de agua se ordenen mucho y se cree una situación energéticamente desfavorable). Esto proporciona una explicación estructural de por qué el cambio de entropía que determina el efecto hidrofóbico es proporcional a la superficie del soluto (a mayor superficie encerrada, mayor orden que se produce en el disolvente y menor es la entropía de la disolución).
Sin embargo, las agrupaciones icosaédricas de moléculas de agua descritas distan mucho de ser regulares, dado que al estar rodeadas por moléculas de agua libres, las continuas y rápidas fluctuaciones de éstas en el seno del líquido hacen que se produzcan cambios estructurales constantes. Al tener el clatrato de disolvente un extremo abierto, las moléculas de esa zona son más susceptibles de ser arrancadas que las de una zona cerrada, por estar unidas con menos enlaces a la estructura. Por esta razón, la cadena hidrofóbica de una molécula anfipática, incapaz de generar una estructura completa de moléculas de agua a su alrededor, no tiene las mismas propiedades que una cadena hidrocarbonada totalmente apolar. Es preciso destacar el comportamiento distinto de las moléculas de agua que hidratan la superficie externa de muchas proteínas, las cuales construyen una matriz flexible que posibilita que las cadenas polipetídicas respondan de un modo eficaz al entorno químico durante el plegamiento de la proteína, durante los procesos de interacción proteína-proteína o en la interacción enzima-sustrato.
Estos mecanismos también pueden explicar la anómala capacidad calorífica asociada con el efecto hidrofóbico (al diluir un soluto parcial o totalmente apolar en agua, la capacidad calorífica de la disolución aumenta respecto al agua sola) puesto que la formación de estas estructuras alrededor del soluto supone un aumento de la energía necesaria para aumentar la temperatura de la disolución, al tener que romperse estructuras con más cohesión que en el líquido puro.
Algunos datos termodinámicos
El calor de sublimación del hielo a 0ºC es de 11,2 kcal/mol, de las cuales 1,4 representan la energía cinética de las moléculas en estado de vapor; las 9,8 kcal/mol restantes suponen la energía requerida para romper los enlaces que mantienen unido al cristal de hielo. Éstos son enlaces de hidrógeno casi exclusivamente, puesto que las interacciones de van der Waals, fundamentales en los cristales orgánicos, se pueden despreciar debido a su pequeña contribución. Si comparamos este calor de sublimación con el de fusión del agua, encontramos que este último es casi 8 veces menor, lo que implica que la mayor parte de la estructura de enlaces de hidrógeno en el sólido se mantiene también en el líquido. Además, el alto calor específico del agua líquida hay que atribuirlo a la dependencia con la temperatura de la energía de organización molecular, en lugar de a la energía de moléculas individuales. Cálculos realizados con algunos modelos teóricos dan como resultado una energía de los enlaces de hidrógeno más apropiada para un cambio de conformación que para una reorganización de estos enlaces, por lo que se postula la existencia de agrupaciones discretas de moléculas de agua unidas por enlace de hidrógeno, formando trímeros, tetrámeros y pentámeros, fundamentalmente [Science, 271: 929-933, (1996)].
Estructura de las agrupaciones (clusters)
Para el dímero (H2O)2, la teoría y los datos experimentales están en buena concordancia; para el trímero, tetrámero y pentámero, cálculos teóricos ab-initio realizados con bases extensas, predicen estructuras planas en las que cada monómero actúa como dador y aceptor de un solo enlace de hidrógeno, quedando el hidrógeno restante por encima o debajo del plano de la molécula. Para el heptámero y agrupaciones mayores, existe tendencia a formar estructuras tridimensionales (3D), siendo el hexámero una agrupación o cluster intermedia entre una estructura cíclica plana y una 3D. Estos cálculos se ven respaldados por medidas llevadas a cabo mediante la espectroscopia de vibración-rotación de efecto túnel (VRT). Para las agrupaciones de trímero, tetrámero y pentámero, se encuentra que los niveles de energía siguen los patrones de un rotor simétrico (debido a la simetría de la estructura cíclica). En el caso del tetrámero y pentámero se determinaron dos constantes rotacionales, suficientes para establecer sin ambigüedades que las estructuras responsables del espectro eran las predichas por los cálculos. El estudio del espectro del hexámero permitió sugerir una estructura 3D también en buena concordancia con los cálculos efectuados [Science, 271: 929-933, (1996)].
Solvatación acuosa
Uno de los objetivos más importantes de estas investigaciones radica en elucidar los detalles del mecanismo de solvatación, que en el caso del agua (hidratación) es más importante que en ningún otro disolvente. La explicación de la naturaleza de esta solvatación se ha resuelto en parte por el estudio de las agrupaciones o clusters que forma el agua.
Recientemente se ha encontrado que al hidratar solutos hidrofóbicos, las moléculas de agua pasan de estar unidas por enlaces de hidrógeno y sin estructura fija, a formar icosaedros truncados que envuelven la estructura o dominio molecular hidrofóbico. Estas estructuras icosaédricas están formadas por pentágonos y hexágonos en una relación 8:1. El pentámero parece ser, pues, fundamental en los mecanismos de hidratación de biomoléculas, al proporcionar la curvatura necesaria para formar la "jaula" ordenada de moléculas de agua que rodean los dominios y estructuras más apolares, lo que se conoce como estructura de clatrato. La figura adjunta muesta una representación esquemática de una estructura de clatrato alrededor de cadenas hidrocarbonadas apolares.
Estudios de rayos X han demostrado que la proteína crambina tiene hendiduras hidrofóbicas en las que 16 moléculas de agua de hidratación se organizan en una cápsula de pentágonos concatenados que rodea al grupo metilo de residuos de leucina. Un comportamiento similar se ha observado en otras proteínas y en polímeros de DNA y, a medida que se incrementa la hidrofilia del soluto, existe una tendencia muy acusada a formar anillos de 6 y 7 miembros (la estructura 3D de éstos evita que las moléculas de agua se ordenen mucho y se cree una situación energéticamente desfavorable). Esto proporciona una explicación estructural de por qué el cambio de entropía que determina el efecto hidrofóbico es proporcional a la superficie del soluto (a mayor superficie encerrada, mayor orden que se produce en el disolvente y menor es la entropía de la disolución).
Sin embargo, las agrupaciones icosaédricas de moléculas de agua descritas distan mucho de ser regulares, dado que al estar rodeadas por moléculas de agua libres, las continuas y rápidas fluctuaciones de éstas en el seno del líquido hacen que se produzcan cambios estructurales constantes. Al tener el clatrato de disolvente un extremo abierto, las moléculas de esa zona son más susceptibles de ser arrancadas que las de una zona cerrada, por estar unidas con menos enlaces a la estructura. Por esta razón, la cadena hidrofóbica de una molécula anfipática, incapaz de generar una estructura completa de moléculas de agua a su alrededor, no tiene las mismas propiedades que una cadena hidrocarbonada totalmente apolar. Es preciso destacar el comportamiento distinto de las moléculas de agua que hidratan la superficie externa de muchas proteínas, las cuales construyen una matriz flexible que posibilita que las cadenas polipetídicas respondan de un modo eficaz al entorno químico durante el plegamiento de la proteína, durante los procesos de interacción proteína-proteína o en la interacción enzima-sustrato.
Estos mecanismos también pueden explicar la anómala capacidad calorífica asociada con el efecto hidrofóbico (al diluir un soluto parcial o totalmente apolar en agua, la capacidad calorífica de la disolución aumenta respecto al agua sola) puesto que la formación de estas estructuras alrededor del soluto supone un aumento de la energía necesaria para aumentar la temperatura de la disolución, al tener que romperse estructuras con más cohesión que en el líquido puro.
Osteoinducción y osteoconducción
El problema de rellenar defectos óseos (resecciones quirúrgicas, pérdidas traumáticas, dificultad de osificación en edades avanzadas, enfermedades periodontales, etc.), puede ser resuelto con el uso de determinados biomateriales que actúen como sustitutos de los injertos óseos.
La aplicación de cerámicas de fosfato cálcico como posibles sustitutos de hueso, ha sido investigada por diferentes autores. Inicialmente, estos materiales no eran reabsorbibles, pero sí biocompatibles, y permitían el crecimiento del tejido óseo en el interior de sus poros. Esta propiedad bioactiva depende del intercambio iónico con el hueso huésped y los fluidos orgánicos, ya que en su proceso de degradación son capaces de liberar iones como Ca+2 y PO4+3 y difundirse localmente estimulando la osteogénesis (osteoinducción), permitiendo la colonización ósea en el interior de sus poros (osteoconducción). Es de especial importancia que el material utilizado sea bien tolerado y reabsorbible, con moderada o nula respuesta inespecífica, tanto en la zona de implantación como a nivel de los ganglios linfáticos regionales, caracterizada por una activación macrofágica, que suele darse en la primera semana del implante para ir disminuyendo progresivamente hasta desaparecer. Además, el material a implantar debe ser bioactivo y osteoconductor. Esto es así porque la interfase implante-hueso sufre inicialmente una proliferación de células mesenquimáticas, que más tarde es sustituida por tejido óseo trabecular que progresivamente rodea y sustituye al material implantado, sufriendo a continuación remodelación, y mostrando por último características morfológicas y estructurales similares a las normales, con restablecimiento del funcionamiento normal del hueso. Un implante, pues, con estructura cristalina similar a la del mineral del hueso puede llegar a unirse biológicamente al hueso.
No obstante, la respuesta ósea a las cerámicas de fosfato cálcico depende directamente de la naturaleza exacta de cada cerámica. Los progresos en el campo de la bioingeniería han dado como resultado nuevos biomateriales y, en particular, las cerámicas de fosfato cálcico han recibido máxima atención dada su buena biocompatibilidad. Los avances continuos en el campo de los biomateriales de fosfato cálcico han producido resultados espectaculares en cuanto a su biocompatibilidad y capacidad para estimular la osteogénesis. Sin embargo, la naturaleza y grado de respuesta del tejido óseo huésped parecen depender de las características de los materiales: composición química, textura de la superficie, porosidad y densidad, así como de la forma y el tamaño.
Nuestro equipo de investigación está realizando estudios que tratan de aportar una novedad al sistema de implantes de cerámicas porosas en las fracturas óseas. Se trata de seleccionar células mesenquimáticas tronco procedentes de la médula ósea, amplificarlas e inducirlas en condiciones de cultivo muy bien definidas, con la ayuda de ciertos factores de crecimiento de reconocido efecto en condro-osteogénesis, entre los cuales se encuentra un factor transformante beta 1 (TGF-ß 1) diseñado y producido por nosotros (rhTGF-ß1-F2), el cual incorpora una secuencia polipeptídica que confiere al factor una alta especificidad de unión al colágeno tipo I. De esta manera, estamos consiguiendo células osteocompetentes para ser depositadas en una cerámica porosa fabricada a partir de carbonato cálcico de coral marino, la hidroxiapatita, que es biocompatible y osteoconductora.
Hoy día, el cada vez más creciente desarrollo de procedimientos alternativos que pretenden ayudar en problemas que aquejan a una amplia población, mejorará la capacidad de reparación y regeneración ósea, contribuyendo así a aumentar la calidad de vida y disponibilidad laboral de los pacientes.
La aplicación de cerámicas de fosfato cálcico como posibles sustitutos de hueso, ha sido investigada por diferentes autores. Inicialmente, estos materiales no eran reabsorbibles, pero sí biocompatibles, y permitían el crecimiento del tejido óseo en el interior de sus poros. Esta propiedad bioactiva depende del intercambio iónico con el hueso huésped y los fluidos orgánicos, ya que en su proceso de degradación son capaces de liberar iones como Ca+2 y PO4+3 y difundirse localmente estimulando la osteogénesis (osteoinducción), permitiendo la colonización ósea en el interior de sus poros (osteoconducción). Es de especial importancia que el material utilizado sea bien tolerado y reabsorbible, con moderada o nula respuesta inespecífica, tanto en la zona de implantación como a nivel de los ganglios linfáticos regionales, caracterizada por una activación macrofágica, que suele darse en la primera semana del implante para ir disminuyendo progresivamente hasta desaparecer. Además, el material a implantar debe ser bioactivo y osteoconductor. Esto es así porque la interfase implante-hueso sufre inicialmente una proliferación de células mesenquimáticas, que más tarde es sustituida por tejido óseo trabecular que progresivamente rodea y sustituye al material implantado, sufriendo a continuación remodelación, y mostrando por último características morfológicas y estructurales similares a las normales, con restablecimiento del funcionamiento normal del hueso. Un implante, pues, con estructura cristalina similar a la del mineral del hueso puede llegar a unirse biológicamente al hueso.
No obstante, la respuesta ósea a las cerámicas de fosfato cálcico depende directamente de la naturaleza exacta de cada cerámica. Los progresos en el campo de la bioingeniería han dado como resultado nuevos biomateriales y, en particular, las cerámicas de fosfato cálcico han recibido máxima atención dada su buena biocompatibilidad. Los avances continuos en el campo de los biomateriales de fosfato cálcico han producido resultados espectaculares en cuanto a su biocompatibilidad y capacidad para estimular la osteogénesis. Sin embargo, la naturaleza y grado de respuesta del tejido óseo huésped parecen depender de las características de los materiales: composición química, textura de la superficie, porosidad y densidad, así como de la forma y el tamaño.
Nuestro equipo de investigación está realizando estudios que tratan de aportar una novedad al sistema de implantes de cerámicas porosas en las fracturas óseas. Se trata de seleccionar células mesenquimáticas tronco procedentes de la médula ósea, amplificarlas e inducirlas en condiciones de cultivo muy bien definidas, con la ayuda de ciertos factores de crecimiento de reconocido efecto en condro-osteogénesis, entre los cuales se encuentra un factor transformante beta 1 (TGF-ß 1) diseñado y producido por nosotros (rhTGF-ß1-F2), el cual incorpora una secuencia polipeptídica que confiere al factor una alta especificidad de unión al colágeno tipo I. De esta manera, estamos consiguiendo células osteocompetentes para ser depositadas en una cerámica porosa fabricada a partir de carbonato cálcico de coral marino, la hidroxiapatita, que es biocompatible y osteoconductora.
Hoy día, el cada vez más creciente desarrollo de procedimientos alternativos que pretenden ayudar en problemas que aquejan a una amplia población, mejorará la capacidad de reparación y regeneración ósea, contribuyendo así a aumentar la calidad de vida y disponibilidad laboral de los pacientes.
¿Están las células vivas sometidas a las leyes químicas?
No es nuestro propósito resucitar la teoría vitalista y sería absurdo pensar que la pregunta que da título a este breve artículo tiene una intencionalidad más allá de la puramente retórica. Aunque la respuesta a esta pregunta sea afirmativa, la propia naturaleza de estas leyes químicas nos debería hacer reflexionar sobre su aplicabilidad en determinadas condiciones. Presentar algunos datos que nos induzcan a tal reflexión es el objetivo de este artículo.
Hasta mediados del siglo XIX eran mayoría los científicos que pensaban que la vida era un fenómeno especial, que no tenía por qué obedecer las leyes físico-químicas que gobiernan a los objetos inanimados. Esta creencia, conocida como vitalismo, sostenía que era indispensable el concurso de una Œfuerza vital? para que se dieran las reacciones que tienen lugar en los organismos vivos. Así, por ejemplo, en 1860 Luis Pasteur sostenía que la fermentación alcohólica que realizaban las células de levadura era un proceso inextricablemente ligado con la estructura y la vida de dichas células. No obstante, la teoría vitalista había comenzando un lento declive 32 años antes, cuando el químico alemán Wöhler lograra sintetizar urea, un compuesto orgánico, en un tubo de ensayo, ¡sin la participación de ningún organismo vivo!
Una vez los biólogos se convencieron de que el estudio del fenómeno vital podía abordarse con metodología química, el avance de la biología ha sido espectacular. El descubrimiento del ADN como material genético y de su estructura en doble hélice junto con la interpretación del código genético sean quizás algunos de los hitos más divulgados, pero desde luego no son los únicos. En definitiva, hoy día poseemos un importante conocimiento a nivel molecular de muchos de los procesos fundamentales de la biología. Sin embargo, por muchos e importantes que sean los logros cosechados por la bioquímica, es conveniente reconocer los límites de la aproximación química a los problemas biológicos.La naturaleza estadística de las leyes químicas
Una de las primeras cosas que aprendemos en química, es la existencia de átomos y moléculas. Más aún, se nos enseña que toda la materia, y no hay razón para excluir la materia viva, está constituida por átomos y moléculas individuales. Por lo tanto, podremos afirmar que la materia está formada por un número determinado de partículas discretas. Podríamos, pues, razonar de la siguiente forma: toda ley química expresada en forma de una ecuación matemática, debería manejar cualquier término referente a masa como una variable discreta. Sin embargo, sabemos que este no es el caso. Por ejemplo, en las ecuaciones cinéticas empleamos la concentración como una variable matemática continua. La materia es discreta pero en la leyes químicas se maneja como si de una variable continua se tratara, ¿por qué?
Una respuesta satisfactoria para esta cuestión proviene de la mecánica estadística. Las moléculas están sujetas a un continuo movimiento térmico que hace imposible que los acontecimientos que tienen lugar entre un número pequeño de moléculas puedan ser reducidos a leyes formuladas como ecuaciones matemáticas. Sólo cuando contamos con un número de moléculas suficientemente grande, las leyes estadísticas empiezan a ser fiables, describiendo el comportamiento de este conjunto grande de moléculas con una precisión que aumenta conforme lo hace el número de moléculas involucradas. Pongamos nuevamente un ejemplo de cinética química; para una reacción simple del tipo A -> B, podemos determinar con precisión cuánto tiempo se requiere para que un determinado porcentaje de moléculas A se conviertan en B (este tiempo es lo que llamaríamos vida media, t1/2, cuando el porcentaje en cuestión fuera el 50 %). Ahora bien, en las mismas condiciones, si nos fijamos en una única molécula de A, resulta imposible determinar el tiempo que ésta va a requerir para convertirse en B. Así, pues, la validez de las leyes químicas es sólo aproximada. Su aparente infalibilidad se debe únicamente al enorme número de moléculas que generalmente cooperan en cualquier proceso químico. La relación que existe entre el número de moléculas y la precisión de una ley química se ilustra en la siguiente figura.
Por insistir algo más en la cuestión de los números, cuando tenemos un mol de una sustancia (6,02 1023 moléculas) participando en cualquier proceso químico, la ley que manejemos para describir tal proceso será tan precisa que su margen de error se reduce a un 10-10 %, es decir, prácticamente cero. Sin embargo, si en ese mismo proceso tenemos involucradas 104 moléculas, en este caso el error puede ser del 1 %, valor nada despreciable para tratarse de una ley de la Naturaleza. Ocurre que en los procesos que los químicos suelen estudiar, el número de moléculas implicadas es bastante elevado, haciendo que las leyes químicas sean muy precisas. ¿Cabe esperar lo mismo en el caso de las reacciones biológicas?
Los procesos químicos en el interior de las células vivas
La mayoría de las reacciones biológicas que estudiamos en el laboratorio, se realizan in vitro, es decir, las células se rompen para que liberen su contenido en un tubo de ensayo donde se lleva a cabo el estudio. Como el número de células de las que partimos es muy elevado (del orden de millones), el número de moléculas que participan en la reacción objeto de estudio será también, cuando menos, del orden de millones. Por supuesto que, en estas condiciones, las leyes químicas conocidas son del todo exactas. Pero la cuestión no era ésta, la cuestión es si esas misma leyes gobiernan también las reacciones que tienen lugar en el interior de una célula viva. Para responder tendríamos que conocer el número de moléculas que se ven implicadas en las reacciones que se dan en el interior de una célula viva. Para ello consideremos algunos datos de interés.
En una célula encontramos muchos tipos distintos de biomoléculas, unas estarán representadas en mayor número y otras menos. Tomemos, por ejemplo, una sustancia cualquiera que llamaremos S, cuya concentración intracelular sea de 10-8 M. Ésta es una concentración muy pequeña pero dentro del rango en el cual muchos sistemas biológicos muestran actividad in vitro. Tenemos una concentración, necesitamos un volumen y podremos calcular cuántas moléculas tenemos. Para una célula bacteriana típica, se estima un volumen interno de 2 10-16litros. Podemos calcular que en el interior de nuestra célula bacteriana tenemos 2 10-24 moles de S. Como un mol son 6.02 1023 moléculas, tendremos ¡tan sólo 1 molécula de S por célula! Para terminar con los datos, vamos a dar uno que no requiere de cálculos por nuestra parte. Se trata de la proteína represora del operon lac de Escherichia coli, que según los libros de textos (véase por ejemplo, Genética de Ursula Goodenogh) está presente en las células en un número próximo a 10. Aunque los datos que hemos presentado están referidos a bacterias, lo mismo sería aplicable a células eucariotas, las cuales aunque presenten un mayor volumen también poseen una mayor diversidad de biomoléculas que además se pueden encontrar en orgánulos, como mitocondrias o cloroplastos, que suponen compartimentos de tamaño similar al de una célula bacteriana.
¿A dónde nos conduce todo esto? Hemos visto por un lado, que las leyes químicas basadas en la mecánica estadística requieren un gran número de moléculas para que sean lo suficientemente precisas como para recibir la categoría de ley. Por otro lado, hemos visto que muchas biomoléculas están representadas en el interior celular por no mucho más que un puñado de las mismas. Si relacionamos una cosa con la otra, quizás debiéramos pensárnoslo dos veces antes de aplicar, por ejemplo, la ley de acción de masas a cualquier proceso celular.
Hasta mediados del siglo XIX eran mayoría los científicos que pensaban que la vida era un fenómeno especial, que no tenía por qué obedecer las leyes físico-químicas que gobiernan a los objetos inanimados. Esta creencia, conocida como vitalismo, sostenía que era indispensable el concurso de una Œfuerza vital? para que se dieran las reacciones que tienen lugar en los organismos vivos. Así, por ejemplo, en 1860 Luis Pasteur sostenía que la fermentación alcohólica que realizaban las células de levadura era un proceso inextricablemente ligado con la estructura y la vida de dichas células. No obstante, la teoría vitalista había comenzando un lento declive 32 años antes, cuando el químico alemán Wöhler lograra sintetizar urea, un compuesto orgánico, en un tubo de ensayo, ¡sin la participación de ningún organismo vivo!
Una vez los biólogos se convencieron de que el estudio del fenómeno vital podía abordarse con metodología química, el avance de la biología ha sido espectacular. El descubrimiento del ADN como material genético y de su estructura en doble hélice junto con la interpretación del código genético sean quizás algunos de los hitos más divulgados, pero desde luego no son los únicos. En definitiva, hoy día poseemos un importante conocimiento a nivel molecular de muchos de los procesos fundamentales de la biología. Sin embargo, por muchos e importantes que sean los logros cosechados por la bioquímica, es conveniente reconocer los límites de la aproximación química a los problemas biológicos.La naturaleza estadística de las leyes químicas
Una de las primeras cosas que aprendemos en química, es la existencia de átomos y moléculas. Más aún, se nos enseña que toda la materia, y no hay razón para excluir la materia viva, está constituida por átomos y moléculas individuales. Por lo tanto, podremos afirmar que la materia está formada por un número determinado de partículas discretas. Podríamos, pues, razonar de la siguiente forma: toda ley química expresada en forma de una ecuación matemática, debería manejar cualquier término referente a masa como una variable discreta. Sin embargo, sabemos que este no es el caso. Por ejemplo, en las ecuaciones cinéticas empleamos la concentración como una variable matemática continua. La materia es discreta pero en la leyes químicas se maneja como si de una variable continua se tratara, ¿por qué?
Una respuesta satisfactoria para esta cuestión proviene de la mecánica estadística. Las moléculas están sujetas a un continuo movimiento térmico que hace imposible que los acontecimientos que tienen lugar entre un número pequeño de moléculas puedan ser reducidos a leyes formuladas como ecuaciones matemáticas. Sólo cuando contamos con un número de moléculas suficientemente grande, las leyes estadísticas empiezan a ser fiables, describiendo el comportamiento de este conjunto grande de moléculas con una precisión que aumenta conforme lo hace el número de moléculas involucradas. Pongamos nuevamente un ejemplo de cinética química; para una reacción simple del tipo A -> B, podemos determinar con precisión cuánto tiempo se requiere para que un determinado porcentaje de moléculas A se conviertan en B (este tiempo es lo que llamaríamos vida media, t1/2, cuando el porcentaje en cuestión fuera el 50 %). Ahora bien, en las mismas condiciones, si nos fijamos en una única molécula de A, resulta imposible determinar el tiempo que ésta va a requerir para convertirse en B. Así, pues, la validez de las leyes químicas es sólo aproximada. Su aparente infalibilidad se debe únicamente al enorme número de moléculas que generalmente cooperan en cualquier proceso químico. La relación que existe entre el número de moléculas y la precisión de una ley química se ilustra en la siguiente figura.
Por insistir algo más en la cuestión de los números, cuando tenemos un mol de una sustancia (6,02 1023 moléculas) participando en cualquier proceso químico, la ley que manejemos para describir tal proceso será tan precisa que su margen de error se reduce a un 10-10 %, es decir, prácticamente cero. Sin embargo, si en ese mismo proceso tenemos involucradas 104 moléculas, en este caso el error puede ser del 1 %, valor nada despreciable para tratarse de una ley de la Naturaleza. Ocurre que en los procesos que los químicos suelen estudiar, el número de moléculas implicadas es bastante elevado, haciendo que las leyes químicas sean muy precisas. ¿Cabe esperar lo mismo en el caso de las reacciones biológicas?
Los procesos químicos en el interior de las células vivas
La mayoría de las reacciones biológicas que estudiamos en el laboratorio, se realizan in vitro, es decir, las células se rompen para que liberen su contenido en un tubo de ensayo donde se lleva a cabo el estudio. Como el número de células de las que partimos es muy elevado (del orden de millones), el número de moléculas que participan en la reacción objeto de estudio será también, cuando menos, del orden de millones. Por supuesto que, en estas condiciones, las leyes químicas conocidas son del todo exactas. Pero la cuestión no era ésta, la cuestión es si esas misma leyes gobiernan también las reacciones que tienen lugar en el interior de una célula viva. Para responder tendríamos que conocer el número de moléculas que se ven implicadas en las reacciones que se dan en el interior de una célula viva. Para ello consideremos algunos datos de interés.
En una célula encontramos muchos tipos distintos de biomoléculas, unas estarán representadas en mayor número y otras menos. Tomemos, por ejemplo, una sustancia cualquiera que llamaremos S, cuya concentración intracelular sea de 10-8 M. Ésta es una concentración muy pequeña pero dentro del rango en el cual muchos sistemas biológicos muestran actividad in vitro. Tenemos una concentración, necesitamos un volumen y podremos calcular cuántas moléculas tenemos. Para una célula bacteriana típica, se estima un volumen interno de 2 10-16litros. Podemos calcular que en el interior de nuestra célula bacteriana tenemos 2 10-24 moles de S. Como un mol son 6.02 1023 moléculas, tendremos ¡tan sólo 1 molécula de S por célula! Para terminar con los datos, vamos a dar uno que no requiere de cálculos por nuestra parte. Se trata de la proteína represora del operon lac de Escherichia coli, que según los libros de textos (véase por ejemplo, Genética de Ursula Goodenogh) está presente en las células en un número próximo a 10. Aunque los datos que hemos presentado están referidos a bacterias, lo mismo sería aplicable a células eucariotas, las cuales aunque presenten un mayor volumen también poseen una mayor diversidad de biomoléculas que además se pueden encontrar en orgánulos, como mitocondrias o cloroplastos, que suponen compartimentos de tamaño similar al de una célula bacteriana.
¿A dónde nos conduce todo esto? Hemos visto por un lado, que las leyes químicas basadas en la mecánica estadística requieren un gran número de moléculas para que sean lo suficientemente precisas como para recibir la categoría de ley. Por otro lado, hemos visto que muchas biomoléculas están representadas en el interior celular por no mucho más que un puñado de las mismas. Si relacionamos una cosa con la otra, quizás debiéramos pensárnoslo dos veces antes de aplicar, por ejemplo, la ley de acción de masas a cualquier proceso celular.
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