Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (17 page)

La industria vinícola de Francia atravesaba momentos difíciles. El vino durante el proceso de envejecimiento, se agriaba y no era posible beberlo, con lo cual se perdían millones de francos. El problema fue planteado al joven decano de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Lila en el corazón de la región vinícola. Este joven decano era Louis Pasteur, quien ya había alcanzado cierta fama al ser el primero en separar isómeros ópticos en el laboratorio. Pasteur estudió con el microscopio las células de levadura en el vino. Era evidente para él que dichas células eran de diversos tipos. Todos los vinos que contenían levadura experimentaban fermentación, pero aquellos que se agriaban debían de contener además otro tipo de levadura. A Pasteur le pareció que el vino no se agriaba hasta que finalizaba la fermentación. En este caso, puesto que ya no se precisaba más levadura después de este proceso, ¿por qué no desembarazarse de toda ella en este momento y evitar que la de clase perjudicial creara más trastornos?

Sugirió, por tanto, a una industria vinícola horrorizada, que el vino debía ser suavemente calentado después de la fermentación, al objeto de exterminar toda la levadura existente en él. Predijo que el envejecimiento proseguiría seguidamente sin que el vino se agriara. La industria ensayó al fin su afrentosa propuesta, y, para su delicia, halló que efectivamente cesaba de agriarse el vino, mientras su aroma no se alteraba en lo más mínimo por el calentamiento. La industria del vino se había salvado. Por otra parte, el proceso de un suave calentamiento («pasteurización») fue posteriormente aplicado a la leche para matar cualquier germen patógeno presente en ella.

Otros organismos, además de la levadura, aceleran los procesos de degradación. En realidad, en el tracto intestinal tiene lugar un proceso análogo al de la fermentación. El primer hombre en estudiar científicamente la digestión fue el físico francés René-Antoine Ferchault de Réaumur. Utilizando un halcón como animal de experimentación, en el año 1752 le hizo deglutir pequeños tubos metálicos que contenían carne; dichos cilindros protegían a los alimentos de cualquier acción mecánica de molienda, pero, al mismo tiempo, poseían aberturas, cubiertas por una fina malla metálica, para que los procesos químicos del estómago pudieran actuar libremente sobre la carne. Réaumur comprobó que, cuando el halcón regurgitaba estos tubos, los alimentos aparecían parcialmente disueltos e iban acompañados de un fluido amarillento.

En 1777, el médico escocés Edward Stevens aisló un líquido a partir del estómago («jugo gástrico») y mostró que el proceso disolvente podía tener lugar fuera del organismo, divorciándolo así definitivamente de la influencia directa de la vida.

Evidentemente, los jugos gástricos contenían algo que aceleraba el proceso de desintegración de los alimentos. En 1834, el naturalista alemán Theodor Schwann añadió cloruro mercúrico al jugo de estómago y precipitó un polvo blanco. Después de liberar al polvo del compuesto de mercurio y disolver el residuo obtenido, halló que la solución manifestaba una intensa acción digestiva. Al polvo que habla descubierto lo denominó «pepsina», de la palabra griega que significa «digerir».

Mientras tanto, dos químicos franceses, Anselme Payen y J. F. Persoz, habían hallado en el extracto de malta una sustancia capaz de determinar la conversión del almidón en azúcar más rápidamente de lo que lo podía hacer un ácido. Denominaron a dicha sustancia «diastasa», de una palabra griega que significa «separar», puesto que la habían separado de la malta.

Durante mucho tiempo, los químicos establecieron una clara distinción entre los fermentos vivos, tales como las células de levadura, y los fermentos no vivos o «no organizados», como la pepsina. En el año 1878, el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne sugirió que a estos últimos debía de nominárseles «enzimas», a partir de las palabras griegas que significaban «en la levadura», debido a que su actividad era similar a la manifestada por las sustancias catalizadoras en la levadura. Kühne no llegó a presenciar cuán importante, en realidad cuán universal, llegaría a ser el término «enzima».

En 1897, el químico alemán Eduard Buchner, utilizando arena, molió células de levadura, con objeto de romperlas todas, y logró extraer un jugo que podía ejercer la misma actividad fermentativa que aquella desarrollada por las células de levadura originales. Bruscamente se desvaneció la distinción entre fermentos en el interior y en el exterior de las células. Representó otro rudo golpe para la semimística distinción sostenida por los vitalistas entre lo vivo y lo inerte. El término «enzima» fue aplicado desde entonces a todos los fermentos.

Por su descubrimiento, Buchner recibió el premio Nobel de Química de 1907.

Desde entonces fue posible definir una enzima simplemente como un catalizador orgánico. Los químicos iniciaron estudios encaminados a lograr el aislamiento de las enzimas y a precisar qué tipo de sustancias eran realmente. El primer problema que se les planteó fue motivado por el hecho que la cantidad de enzimas en las células y jugos naturales era muy pequeña, y los extractos obtenidos eran, invariablemente, algún tipo de mezclas, siendo en ésas muy difícil deslindar lo que era propiamente una enzima y lo que no lo era.

Muchos bioquímicos sospecharon que las enzimas eran sencillamente proteínas, debido a que sus propiedades enzimáticas podían ser destruidas con facilidad, tal como ocurriría en las proteínas, al ser desnaturalizadas por calentamiento suave. Pero, hacia 1920, el bioquímico alemán Richard Willstätter indicó que ciertas soluciones enzimáticas purificadas, de las que él consideraba había eliminado toda proteína, mostraban marcados efectos catalíticos. A partir de esto llegó a la conclusión de que las enzimas no eran en realidad proteínas, sino sustancias químicas relativamente sencillas, que podían, además, utilizar una proteína como «molécula transportadora». La mayoría de los bioquímicos siguieron las ideas de Willstätter, que poseía el premio Nobel y gozaba de gran prestigio.

Sin embargo, el bioquímico James Batcheller Sumner, de la Universidad de Cornell, aportó pruebas evidentes en contra de esta teoría, casi al mismo tiempo en que fue dada a conocer. A partir de las semillas blancas de una planta americana tropical, Sumner aisló ciertos cristales que, en solución, mostraban las propiedades de una enzima denominada «ureasa». Esta enzima catalizaba la degradación de la urea en anhídrido carbónico y amoníaco. Los cristales obtenidos por Sumner mostraban propiedades proteicas definidas, y no consiguió separar la actividad proteica de la enzimática. Todo lo que desnaturalizaba a la proteína también destruía a la enzima. Esto parecía demostrar que lo que había obtenido era una enzima en forma pura y cristalina, y, al mismo tiempo, establecer que la enzima era efectivamente una proteína.

La gran fama de Willstätter restó importancia durante un cierto tiempo al descubrimiento de Sumner. Pero, en 1930, el químico John Howard Northrop y sus colaboradores en el «Instituto Rockefeller» aportaron argumentos irrefutables en favor de los hallazgos de Sumner. Cristalizaron una serie de enzimas, inclusive la pepsina, y comprobaron que todas ellas eran ciertamente proteínas. Además, Northrop mostró que estos cristales eran proteínas muy puras y retenían su actividad catalítica, aún cuando se disolvieran o dividieran hasta un punto tal, que las pruebas químicas ordinarias, como las utilizadas por Willstätter, no pudieran detectar ya la presencia de proteínas.

Así, pues, se estableció definitivamente que las enzimas eran «catalizadores proteicos». Por aquel entonces se había cristalizado ya un centenar de enzimas y todas ellas resultaron sin excepción proteínas.

Por su trabajo, Sumner y Northrop compartieron el premio Nobel de Química de 1946 (con Stanley).

Las enzimas son catalizadores peculiares en dos aspectos: eficacia y especificidad. Por ejemplo, existe una enzima denominada catalasa, que cataliza la transformación del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. No obstante, el peróxido de hidrógeno en solución puede descomponerse bajo la acción catalítica de limaduras de hierro o del dióxido de manganeso. Sin embargo, ponderalmente, la catalasa acelera la velocidad de descomposición mucho más de lo que puede hacer cualquier catalizador inorgánico. Cada molécula de catalasa puede descomponer 44.000 moléculas de peróxido de hidrógeno por segundo a 0º C. De esto se desprende que basta una pequeña concentración de enzima para realizar su función.

Por esta misma razón, serán capaces de poner fin a la vida incluso cantidades muy pequeñas de ciertas sustancias («venenos»), en tanto puedan interferir las acciones de una enzima de importancia clave. Los metales pesados, como el mercurio o el bario, administrados en forma de cloruro o nitrato respectivamente, reaccionan con los grupos tiol, esenciales para que muchas enzimas realicen su función. Como consecuencia, la acción de tales enzimas cesa y el organismo resulta envenenado. Compuestos tales como el cianuro potásico o el ácido cianhídrico hacen entrar a su grupo cianuro (—CN) en combinación con el átomo de hierro de otras enzimas de importancia crucial, y por ello causan rápidamente la muerte, suponemos que de forma indolora, ya que el ácido cianhídrico es el gas utilizado para ejecutar en las cámaras de gas en algunos de los Estados occidentales de los Estados Unidos.

El monóxido de carbono constituye una excepción entre los venenos corrientes. No actúa sobre las enzimas de forma primaria, sino que bloquea la función de la molécula de hemoglobina (ésta una proteína, pero no una enzima), la cual ordinariamente transporta el oxígeno desde los pulmones a las células, pero no puede llevar a cabo esta función cuando el monóxido de carbono se ha fijado en ella. Los animales que no utilizan hemoglobina para el transporte de oxígeno no resultan afectados por el monóxido de carbono.

Las enzimas, como revela el demostrativo ejemplo de la catalasa, son muy específicas; la catalasa descompone únicamente al peróxido de hidrógeno, mientras que los catalizadores inorgánicos, tales como las limaduras de hierro y el dióxido de manganeso, pueden descomponer al peróxido de hidrógeno y, además, catalizar otras muchas reacciones.

¿A qué se debe esta llamativa especificidad de las enzimas? Las teorías de Lunge y Langmuir sobre el papel de intermediario desempeñado por el catalizador sugieren una respuesta. Supongamos que una enzima forma una combinación temporal con el «sustrato»: la sustancia cuya reacción cataliza aquella enzima. La forma, o configuración, de la enzima particular que se considere puede, por lo tanto, desempeñar un papel muy importante. Realmente, toda enzima debe poseer una superficie muy compleja, pues tiene una serie de diferentes cadenas laterales que emergen de la columna peptídica central. Algunas de estas cadenas laterales tienen una carga negativa, otras una positiva, y aún otras no poseen carga eléctrica alguna. Unas cadenas son de grandes dimensiones, otras en cambio, pequeñas. Puede suponerse que cada enzima posee una superficie que se ajusta especialmente a un sustrato particular. En otras palabras, se adapta al sustrato como una llave lo hace a la cerradura correspondiente. Por lo tanto, se combinará de forma fácil con aquella sustancia, pero sólo difícilmente, o de ninguna manera, con todas las restantes. Esto podría explicar la gran especificidad de las enzimas; cada una de ellas tiene una superficie elaborada con el fin, digamos, de combinarse con un compuesto particular. Si así fuera, no es de maravillar que las proteínas sean formadas con tantas unidades diferentes y sean elaboradas por los tejidos vivos en una variedad tan grande.

Esta teoría de la acción enzimática fue sugerida por los trabajos de un fisiólogo inglés, William Maddock Bayliss, que se dedicaba a una enzima digestiva denominada
tripsina
. En 1913, esta teoría fue empleada por el químico alemán Michaelis y su colaborador Maud Lenora Menten, que elaboraron la ecuación
Michaelis-Menten
, que describía la forma en que los enzimas llevan a cabo sus funciones, con lo que desapareció gran parte del misterio de estos catalizadores.

Este punto de vista sobre el mecanismo de acción de las enzimas surgió del descubrimiento de que la presencia de una sustancia de estructura similar a la de un sustrato dado podía hacer más lenta e inhibir la reacción del sustrato catalizado por la enzima. El caso mejor conocido es el de una enzima denominada deshidrogenasa del ácido succínico, que cataliza la eliminación de dos átomos de hidrógeno a partir de dicho ácido. Esa reacción no tendrá lugar si se halla presente una sustancia denominada ácido malónico, muy similar al ácido succínico. Las estructuras de ambos ácidos son

La única diferencia entre estas dos moléculas es que el ácido succínico tiene un grupo CH
₂
más, en el lado izquierdo de la fórmula. Seguramente el ácido malónico, debido a su estructura semejante a la del ácido succínico, puede unirse a la superficie de la enzima. Una vez se encaja en el punto de la superficie donde lo hará el ácido succínico, permanece, digamos, aprisionado allí y entonces la enzima ya no puede ejercer su función. El ácido malónico ha «envenenado» a la enzima, por lo que respecta a su función normal. Este tipo de fenómeno se denomina «inhibición competitiva».

La prueba más positiva en favor de la teoría de la formación de un complejo entre la enzima y el sustrato procede del análisis espectrográfico. Seguramente, cuando una enzima se combina con su sustrato, se produce una modificación de su espectro de absorción: la absorción de la luz por la combinación será diferente de aquella determinada por sólo la enzima o el sustrato. En 1936, los bioquímicos ingleses David Keilin y Thaddeus Mann detectaron una modificación del color de una solución de la enzima peroxidasa, después de la adición de su sustrato, el peróxido de hidrógeno. El biofísico norteamericano Britton Chance efectuó un análisis espectral y descubrió que tenían lugar dos modificaciones progresivas y sucesivas en el espectro de absorción. Atribuyó el primer cambio en el espectrograma a la formación del complejo enzima-sustrato a una cierta velocidad, y el segundo a la descomposición de esta combinación, cuando finaliza la reacción. En 1964, el bioquímico japonés Kunio Yagi comunicó el aislamiento de un complejo enzima-sustrato, constituido por la enzima D-aminoácido-oxidasa levemente unida a la alanina, su sustrato.