Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (18 page)

Ahora se plantea la cuestión: ¿Es necesaria la totalidad de la molécula de enzima: para la catálisis, o bastará sólo una parte de ella? Ésta es una cuestión importante, tanto desde el punto de vista práctico, como desde el teórico. Hoy en día las enzimas se utilizan cada vez más ampliamente; se las ha empleado para la fabricación de fármacos, ácido cítrico y otras muchas sustancias químicas. Si la totalidad de la molécula de enzima no es necesaria y un pequeño fragmento de la misma fuera suficiente para desempeñar su función, quizás esta porción activa podría ser sintetizada, de tal modo que el proceso no dependería ya del empleo de células vivas, tales como las levaduras, hongos y bacterias.

Se han hecho algunos progresos prometedores en este sentido. Por ejemplo, Northrop descubrió que cuando se añadían algunos grupos acetilo (CH
₃
CO) a las cadenas laterales del aminoácido tirosina en la molécula de pepsina, la enzima perdía parte de su actividad. Sin embargo, ésta se conservaba cuando los grupos cetilo se adicionaban a las cadenas laterales de lisina en la pepsina. Por lo tanto debía contribuir a la actividad manifestada por la pepsina, mientras que, evidentemente, la lisina no lo hacía. Éste fue el primer indicio de que una enzima podía poseer porciones no esenciales para su actividad.

Recientemente se ha determinado con mayor precisión la «región activa» de una enzima digestiva. Se trata de la enzima llamada quimiotripsina. El páncreas la segrega primeramente en una forma inactiva, el denominado «quimiotripsinógeno». Esta molécula inactiva se convierte en la activa por escisión de un único enlace peptídico (que es efectuada por la enzima digestiva tripsina). Es decir, parece como si la puesta al descubierto de un simple aminoácido proporcionara a la quimiotripsina su actividad. Ahora se sabe que la adición de una molécula de DFF (diisopropílfluorofosfato) a la quimiotripsina inactiva a esta enzima. Seguramente el DFF se une al aminoácido de importancia clave. Gracias al marcado con el DFF, aquel aminoácido ha sido identificado como la serina. En realidad, también se ha observado que el DFF se une a la serina de otras enzimas digestivas. En todos los casos la serina se halla en la misma posición de una secuencia de cuatro aminoácidos: glicina-ácido aspártico-serina-glicina.

Es indudable que un péptido constituido únicamente por esos cuatro aminoácidos no manifestará su actividad catalítica. De alguna manera, el resto de una molécula de enzima también desempeña cierto papel. Podemos suponer que esta secuencia de cuatro aminoácidos —el centro activo— es análogo al borde cortante de un cuchillo, que, no obstante, no puede utilizarse sin el correspondiente mango.

El centro activo, o borde cortante, no debe ser necesariamente un elemento único en la cadena de aminoácidos. Consideremos la enzima ribonucleasa. Ahora que se conoce el orden exacto en que se hallan dispuestos sus 124 aminoácidos, ha sido posible idear métodos para sustituir éste o aquel aminoácido en la cadena y apreciar el efecto del cambio sobre la acción de la enzima. Se ha descubierto que tres aminoácidos en particular son necesarios para el desarrollo de su acción, pero que éstos se hallan ampliamente separados. Dichos aminoácidos son una histidina en la posición 12, una lisina en la posición 41 y otra histidina en la posición 119.

Por supuesto, esta separación existe sólo en la cadena considerada como una cinta extendida. En la molécula operante, la cadena se muestra arrollada adoptando una configuración tridimensional específica, mantenida por cuatro moléculas de cistina, que se extienden como puentes entre los segmentos curvados de la cadena. En dicha molécula, los tres aminoácidos necesarios se hallan próximos entre sí, formando una unidad íntimamente entrelazada. Se especificó más todavía la cuestión del centro activo en el caso de la lisocima, una enzima presente en muchos lugares incluidas las lágrimas y la mucosidad nasal. Provoca la disolución de las células bacterianas, catalizando la descomposición de los eslabones básicos en algunas sustancias que componen la pared celular bacteriana. Es como si ocasionara el resquebrajamiento de esa pared y dejara escapar el contenido de las células.

La lisocima fue la primera enzima cuya estructura se sometió a un análisis completo (1965) en las tres dimensiones. Se descubrió el eslabón básico entre un átomo de oxígeno en la cadena ramificada del ácido glutámico (posición # 35) y otro átomo de oxígeno en la cadena ramificada del ácido aspártico (posición # 52). Se conjuraron ambas posiciones mediante el pliegue de la cadena de ácido amínico con la separación suficiente entre ambas para el alojamiento de la molécula que se debería atacar. En tales circunstancias podía tener lugar fácilmente la reacción química necesaria para romper el eslabón. Ésta es la forma específica que permite trabajar ordenadamente a la lisocima.

Por otra parte, algunas veces ocurre también que el borde cortante de la molécula enzimática no es en absoluto un grupo de aminoácidos, sino una combinación atómica de naturaleza totalmente distinta. Más adelante se mencionarán algunos ejemplos.

No podemos jugar con este borde cortante, pero ¿podríamos modificar el mango del cuchillo sin afectar la eficacia de la herramienta? La existencia de variedades distintas, por ejemplo, de una proteína como la insulina, nos permite considerar que sí podemos hacerlo. La insulina es una hormona, no una enzima, pero su función es muy específica. En una cierta posición de la cadena G de la insulina existe una secuencia de 3 aminoácidos, que es distinta en los diferentes animales. En el ganado vacuno es la alanina-serina-valina; en el cerdo, treoninaserina-isoleucina; en las ovejas, alanina-glicina-valina; en los caballos, treonina-glicina-isoleucina; y así sucesivamente. Cualquiera de estas insulinas puede ser sustituida por cualquier otra y realizar todavía la misma función.

Aún es más; una molécula proteica puede en ocasiones ser fragmentada de modo drástico sin que resulte afectada seriamente su actividad (de la misma manera como el mango de un cuchillo o el de un hacha pueden acortarse sin que su eficacia se vea considerablemente reducida). Un ejemplo de esto lo constituye la hormona denominada ACTH (hormona adrenocorticotrópica). Esta hormona es una cadena peptídica constituida por 39 aminoácidos, cuyo orden de sucesión ha sido ahora plenamente determinado. Pueden eliminarse hasta 15 de los aminoácidos a partir del extremo C-terminal sin destruir la actividad de la hormona. Por otra parte, la eliminación de uno o dos aminoácidos del extremo N-terminal (por así decirlo el borde cortante) inactiva la molécula.

Lo mismo se ha hecho con una enzima denominada «papaína», procedente de los frutos y la savia del árbol papaya. Su acción enzimática es similar a la de la pepsina. La supresión de 80 de los 180 aminoácidos de la molécula de papaína a partir del extremo N-terminal no reduce su actividad en grado apreciable.

Así, pues, puede al menos concebirse que las enzimas podrían simplificarse hasta un punto tal que su síntesis fuera factible. Las enzimas sintéticas, en la forma de compuestos orgánicos bastante simples, podrían obtenerse entonces a gran escala, utilizándolas para distintos fines. Ésta podría ser una forma de «miniaturización química».

Un organismo tal como el cuerpo humano es una fábrica de productos químicos de gran diversidad. Respira oxígeno y bebe agua. Incorpora como alimentos hidratos de carbono, grasas, proteínas, sustancias minerales y otras materias primas. Elimina diversos materiales no digeribles, así como bacterias y los productos de la putrefacción que producen. También excreta anhídrido carbónico a través de los pulmones, elimina agua por dichos órganos y las glándulas sudoríparas, y expele orina, que transporta una serie de compuestos en solución, el principal de los cuales es la urea. Estas reacciones químicas determinan el metabolismo del organismo.

Examinando las materias primas que penetran en el organismo y los productos de desecho, podremos decir unas cuantas cosas acerca de lo que ocurre en el interior del organismo. Por ejemplo, puesto que las proteínas aportan la mayor parte del nitrógeno que penetra en el organismo, sabemos que la urea (NH
₂
CONH
₂
) debe ser un producto del metabolismo de las proteínas. Pero entre las proteínas y la urea existe una larga, tortuosa y complicada senda a recorrer. Cada enzima del organismo cataliza sólo una reacción específica, consistente quizás en la simple redisposición de 2 ó 3 átomos. Cada conversión importante en el organismo implica el paso a través de una multitud de fases y la participación de muchas enzimas. Incluso un organismo aparentemente simple, tal como la diminuta bacteria, debe hacer uso de muchos miles de enzimas y reacciones distintas.

Todo esto podría parecer innecesariamente complejo, pero en realidad es la misma esencia de la vida. La vasta complejidad de reacciones en los tejidos puede ser controlada delicadamente aumentando o reduciendo la producción de las enzimas apropiadas. Las enzimas controlan la química del organismo, al igual que los intrincados movimientos de los dedos sobre las cuerdas controlan la música de un violín, y, sin esta complejidad, el organismo no podría llevar a cabo sus múltiples funciones.

Seguir el curso de las miríadas de reacciones que constituyen el metabolismo del organismo es seguir los trazos que perfilan la vida. El intentar precisarlo con detalle, dar sentido al entrelazamiento de las incontables reacciones que se producen simultáneamente, puede sin duda parecer una tarea formidable o incluso quimérica. Formidable, sin duda, lo es, pero no irremisiblemente condenada al fracaso.

El estudio por los químicos del metabolismo se inició modestamente con un esfuerzo por descubrir cómo las células de levadura convertían el azúcar en alcohol etílico. En el año 1905, dos químicos británicos, Arthur Harden y W. J. Young, sugirieron que este proceso implicaba la formación de azúcares que poseían grupos fosfatos. Fueron los primeros en apreciar que el fósforo desempeñaba un papel importante (y, desde entonces, el fósforo ha adquirido una importancia cada vez mayor). Harden y Young hallaron incluso en los tejidos vivos un éster azúcar-fosfato que consistía del azúcar fructosa con dos grupos fosfato (PO
₃
H
₂
). Este «fructosa difosfato» (algunas veces denominado aún «éster de Harden-Young») fue el primer «intermediario metabólico» identificado con precisión, es decir, el primer compuesto del cual se reconocía que era formado momentáneamente en el proceso que discurría desde los compuestos ingeridos por el organismo hasta los compuestos eliminados por él. Harden y Young establecieron de este modo las bases del estudio del «metabolismo intermediario», que intenta precisar la naturaleza de tales productos intermediarios y las reacciones en las cuales se hallan implicados. Por este trabajo, y por sus ulteriores investigaciones sobre las enzimas que participan en la conversión del azúcar en alcohol por la levadura (véase capítulo 15), Harden compartió el premio Nobel de Química de 1929 (con Euler-Chelpin).

Lo que en un principio era considerado peculiar de la célula de levadura adquirió más tarde una gran trascendencia, cuando el químico alemán Otto Fritz Meyerhof demostró, en 1918, que células animales tales como las musculares, metabolizaban el azúcar casi de la misma manera como lo hacía la levadura. La diferencia primordial consistía en que, en las células animales, la degradación no proseguía hasta un estadio tan avanzado de esta vía particular del metabolismo. En vez de convertir a la molécula de glucosa, con sus 6 átomos de carbono, en el alcohol etílico, de 2 átomos de carbono (CH
₃
CH
₂
OH), sólo la metabolizaban hasta dar lugar a la sustancia con 3 átomos de carbono denominada ácido láctico (CH
₃
CHOHCOOH).

Los trabajos de Meyerhof vertieron por vez primera cierta luz sobre el principio general que desde entonces ha sido aceptado de forma unánime: que, con pequeñas diferencias, el metabolismo sigue las mismas vías en todas las criaturas, desde la más simple a la más compleja.

Por sus estudios sobre el ácido láctico en el músculo, Meyerhof compartió el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1922 con el fisiólogo inglés Archibald Vivian Hill. Este último había estudiado el músculo desde el punto de vista de su producción de calor, llegando a conclusiones muy similares a las obtenidas por Meyerhof mediante su resolución química del problema.

Los detalles de las fases individuales implicadas en la transformación de la glucosa en el ácido láctico fueron dilucidadas entre los años 1937 y 1941 por Carl Ferdinand Cori y su esposa Gerty Theresa Cori, que trabajaban en la Universidad Washington de San Luis. Utilizaron extractos de tejidos y enzimas purificadas, al objeto de provocar modificaciones en diversos ésteres azúcar-fosfato, y luego intentaron ensamblar todas estas reacciones parciales cual si se tratara de un rompecabezas. El esquema de las reacciones concatenadas que presentaron se ha conservado, con pequeñas modificaciones, hasta la actualidad, y los Cori compartieron (con Houssay) el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1947.

En la vía del azúcar al ácido láctico se produce una cierta cantidad de energía que es utilizada por las células. La célula de levadura vive de ella cuando fermenta al azúcar, y así lo hace también, cuando es necesario la célula muscular. Es importante recordar que esta energía se obtiene sin la participación del oxígeno del aire. Así, un músculo es capaz de trabajar, aún cuando deba gastar más energía de la que puede ser remplazada por las reacciones que implican la utilización del oxígeno llegado hasta él en una proporción relativamente baja, a través de la sangre. Sin embargo, cuando el ácido láctico se acumula, el músculo se fatiga y debe descansar hasta que el oxígeno haya degradado el ácido láctico.

Seguidamente se plantea la pregunta: ¿De qué forma es proporcionada a las células la energía procedente de la degradación metabólica del azúcar en ácido láctico, y cómo la utilizan? El químico norteamericano, de origen alemán, Fritz Albert Lipmann halló una respuesta merced a las investigaciones iniciadas en 1941. Mostró que ciertos compuestos de fosfato, formados en el curso del metabolismo de los hidratos de carbono, acumulan cantidades considerables de energía en el enlace que conecta al grupo fosfato con el resto de la molécula. Este «enlace fosfato de alta energía» es transferido a transportadores de energía presentes en todas las células. El más conocido de estos transportadores es el «trifosfato de adenosina» TFA, o con su sigla internacional ATP. La molécula de ATP y ciertos compuestos similares representan las monedas de escaso valor en el activo energético de la economía. Acumulan la energía en bonos rápidamente negociables, netos y de conveniente cuantía. Cuando el enlace fosfato es hidrolizado, la energía disponible puede convertirse en energía química para la formación de proteínas a partir de los aminoácidos, en energía eléctrica para la transmisión de un impulso nervioso, o en energía cinética mediante la contracción del músculo, etc. Aunque la cantidad de ATP en el organismo es pequeña en cualquier momento dado, siempre existe la suficiente (mientras dura la vida), pues tan pronto como las moléculas de ATP son utilizadas, se forman otras nuevas.