Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (19 page)

Por su crucial descubrimiento, Lipmann compartió el premio Nobel de Fisiología y Medicina del año 1953 (con Krebs).

El organismo de los mamíferos no puede convertir el ácido láctico en alcohol etílico (como lo hace la levadura), en cambio, a través de otra vía metabólica salva la etapa que representa el alcohol etílico y degrada al ácido láctico en anhídrido carbónico (CO
₂
) y agua. Para lograr este objetivo consume oxígeno y produce una gran cantidad de energía, mucho mayor que la generada por la conversión anaeróbica (es decir, sin la participación del oxígeno) de la glucosa en el ácido láctico.

El hecho que el consumo de oxígeno se halle implicado ofrece un medio conveniente para seguir el curso del proceso metabólico; es decir, para hallar qué productos intermediarios se crean a lo largo de esta vía metabólica. Supongamos que en una etapa dada de una secuencia de reacciones se sospecha que una cierta sustancia (por ejemplo el ácido succínico) es el sustrato intermediario. Podremos mezclar a este sustrato con tejido (o, en muchos casos, con una única enzima) y medir la velocidad con que consume oxígeno. Si muestra una rápida incorporación de oxígeno, tendremos la certeza que esta sustancia particular puede participar en el proceso.

El bioquímico alemán Otto Heinrich Warburg ideó el instrumento idóneo para medir la proporción en que es incorporado el oxígeno. El denominado «manómetro de Warburg» consiste en un pequeño matraz (donde se mezclan el sustrato de tejido o la enzima) conectado a un extremo de un delgado tubo en forma de U, mientras que el otro extremo del tubo está abierto. Un líquido coloreado llena la parte inferior del tubo en U. Puesto que la mezcla de la enzima y el sustrato absorbe oxígeno a partir del aire en el matraz, se produce un ligero vacío en él y el líquido coloreado en el tubo asciende por la rama conectada con el matraz. La proporción en que asciende la columna de líquido puede utilizarse para calcular la intensidad de la incorporación de oxígeno (fig. 12.4).

Fig. 12.4. Manómetro de Warburg.

Las experiencias de Warburg sobre el consumo de oxígeno por los tejidos le valieron el premio Nobel de Fisiología y Medicina del año 1931.

Warburg y otro bioquímico alemán, Heinrich Wieland, identificaron las reacciones que producen energía durante la degradación del ácido láctico. En el curso de la serie de reacciones, pares de átomos de hidrógeno son eliminados de las sustancias intermediarias mediante enzimas denominadas «deshidrogenasas». Estos átomos de hidrógeno se combinan luego con el oxígeno, con la ayuda catalítica de las enzimas llamadas «citrocromos». A finales de la década 1920-1930, Warburg y Wieland adoptaron posiciones contrapuestas sobre cuál de estas reacciones era la más importante, sosteniendo Warburg que la de mayor importancia era la de incorporación del oxígeno, y Wieland que era la de la eliminación del hidrógeno. David Keilin demostró que ambas fases eran igualmente esenciales.

El bioquímico alemán Hans Adolf Krebs inició la tarea de dilucidar la secuencia completa de reacciones y productos intermediarios, desde el ácido láctico, hasta el anhídrido carbónico y el agua. Éste es el denominado ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico, siendo éste uno de los productos de importancia crucial formados en este ciclo. Por este logro, que fue finalmente obtenido en 1940, Krebs compartió junto con Lipmann, el premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1953.

El ciclo Krebs produce el mayor porcentaje de energía, como si dijéramos la parte del león, en los organismos que requieren oxígeno molecular para la respiración (lo cual significa todos los organismos salvo algunos tipos de bacterias anaeróbicas cuya adquisición de energía estriba en reacciones químicas no relacionadas con el oxígeno). En diferentes puntos del ciclo Krebs un compuesto perderá dos átomos de hidrógeno que se combinarán a su debido tiempo con el oxígeno para formar agua. Tras la expresión «a su debido tiempo» se ocultan muchos pormenores. Los dos átomos de hidrógeno circulan por muy diversas moléculas citocrómicas hasta que la última, la «oxidasa citocrómica» lo pasa al oxígeno molecular. A lo largo de esa cadena de citrocromos se forman las moléculas de ATP que abastecen al cuerpo con su «modesta» energía química. Recapitulando: por cada giro del ciclo Krebs se forman dieciocho moléculas de ATP. No se sabe con exactitud dónde ni cómo se forma la ATP en la cadena. Puesto que todo el proceso requiere oxígeno y acumulación de grupos fosfáticos para formar la ATP, se ha estimado conveniente denominarlo «fosforización oxidásica»; ésta es una reacción básica en los tejidos del ser vivo. Cualquier interferencia seria en su funcionamiento (tal como la ingestión de cianuro potásico) ocasiona la muerte al cabo de pocos minutos.

Los diminutos corpúsculos dentro del citoplasma contienen todas las sustancias y enzimas participantes en la fosforización oxidásica. Las detectó por primera vez en 1898 el biólogo alemán C. Benda, quien —como es natural— no percibió su alcance por aquellas fechas. Él las llamó «mitocondrios» (tomándolas erróneamente por «filamentos de cartílago») y el nombre perduró.

El mitocondrio usual parece por su forma, un balón de rugby con 1/25.000 centímetros de longitud y 1/62.500 centímetros de grosor. Una célula mediana puede contener entre varios centenares y un millar de mitocondrios. Las células excepcionalmente grandes contienen unos doscientos mil, mientras que las bacterias anaeróbicas no contienen ninguno. Después de la Segunda Guerra Mundial, la investigación con microscopio electrónico mostró que el mitocondrio tenía una estructura enormemente compleja para su minúsculo tamaño; poseía una doble membrana cuya parte externa era lisa, mientras que la interna ofrecía una gran superficie de laberínticas arrugas. En esta superficie interna del mitocondrio se alojaban varios millares de exiguas estructuras denominadas «partículas elementales». Y eran ellas las que parecían representar el verdadero laboratorio de la fosforilación oxidativa.

Mientras tanto, los bioquímicos habían obtenido algunos progresos en la resolución del problema que representaba el metabolismo de las grasas. Se sabía que las moléculas de las grasas eran cadenas de átomos de carbono que podían ser hidrolizadas en «ácidos grasos» (en la mayor parte de los casos cadenas de 16 a 18 átomos de carbono dispuestos sucesivamente), y que las moléculas se fragmentaban cada vez en elementos de 2 átomos de carbono. En 1947, Fritz Lipmann descubrió un compuesto bastante complejo que desempeñaba un papel importante en la «acetilación», es decir, la transferencia de un fragmento de 2 átomos de carbono de un compuesto a otro. Denominó al compuesto «coenzima A» (la A procede del término de acetilación). Tres años más tarde, el bioquímico alemán Feodor Lynen halló que la coenzima A se hallaba íntimamente implicada en el metabolismo de las grasas. Una vez unida a un ácido graso, seguía una secuencia de 4 etapas que terminaban en el desprendimiento de un fragmento de dos átomos de carbono del extremo de la cadena a la que se hallaba unida la coenzima. Luego, otra molécula de coenzima A se unía a lo que se había separado del ácido graso, se perdían otros dos átomos de carbono más, y así sucesivamente. Éste es el denominado «ciclo de oxidación de los ácidos grasos». Por éste y otros trabajos de investigación, Lynen compartió el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1964.

La degradación de las proteínas evidentemente debe ser, en general, más compleja que aquellas de los hidratos de carbono o las grasas, debido a que se hallan implicados unos 20 aminoácidos diferentes. En algunos casos parece ser bastante simple: una pequeña modificación en un aminoácido puede convertirlo en un compuesto capaz de incorporarse al ciclo del ácido cítrico al igual que pueden hacerlo los fragmentos de 2 átomos de carbono procedentes de los ácidos grasos. Pero la mayor parte de los aminoácidos son descompuestos siguiendo vías complejas.

Podemos ahora referirnos de nuevo a la conversión de las proteínas en urea: la cuestión que consideramos al principio. Esta conversión parece ser comparativamente simple.

Un grupo de átomos, que es esencialmente la molécula de urea, forma parte de una cadena lateral del aminoácido arginina. Este grupo puede ser separado por una enzima denominada «arginasa» y deja como resto un tipo de aminoácido truncado, denominado «ornitina». En 1932, Krebs y un colaborador, K. Henseleit, mientras estudiaban la formación de la urea por el tejido hepático de la rata, descubrieron que, cuando añadían arginina al tejido, se producía un considerable aumento en el contenido de urea, en realidad mucha más urea de la que podía haber producido la escisión de cada molécula de arginina que añadieron. Krebs y Henseleit, decidieron que las moléculas de arginina debían actuar como agentes que producían urea de forma reiterada. En otras palabras, cuando una molécula de arginina resulta desprovista de su fragmento ureico por la arginasa, la ornitina que se forma obtiene grupos amina a partir de otros aminoácidos (así como también anhídrido carbónico a partir del organismo) y forma de nuevo arginina. Así, la molécula de arginina se escinde repetidamente, vuelve a formarse, se escinde otra vez, y así de forma sucesiva, dando lugar en cada ocasión a una molécula de urea. Éste es denominado «ciclo de la urea», «ciclo de la ornitina» o el «ciclo de Krebs-Henseleit».

Después de la eliminación de nitrógeno, a través de la arginina, los restantes «esqueletos de carbono» de los aminoácidos pueden ser degradados, a través de diversas rutas, en anhídrido carbónico y agua, con producción de energía (fig. 12.5).

Fig. 12.5. El esquema completo del metabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas.

Las investigaciones del metabolismo mediante todos estos artificios mantenían aún a los bioquímicos en la posición de estar viendo lo que ocurría, por así decirlo «desde la barrera». Podían elaborar ciclos generales, pero, para hallar qué era lo que realmente estaba teniendo lugar en el animal vivo, necesitaban algún sistema trazador que les permitiera seguir con detalle el curso de los acontecimientos a través de los estadios del metabolismo; es decir, precisar el destino de las moléculas individuales allí donde se hallaran. Realmente, las técnicas que lo hacían posible se descubrieron a principios de este siglo, pero los químicos comenzaron a emplearlas más bien lentamente en todas sus posibilidades.

El primer pionero en este campo fue el bioquímico alemán Franz Knoop. En 1904 concibió la idea de administrar a perros, con los alimentos, moléculas grasas marcadas para ver cuál era el destino de dichas moléculas. Las marcó uniéndoles un anillo de benceno a un extremo de la cadena; hizo uso del anillo de benceno debido a que los mamíferos no poseen enzimas que puedan metabolizarlo. Knoop esperaba que lo que el anillo de benceno llevara con él, cuando apareciera en la orina, podría decirle algo acerca de cómo la molécula de grasa había sido metabolizada por el organismo, y estaba en lo cierto. El anillo de benceno invariablemente aparecía unido a una cadena lateral de dos átomos de carbono. De esto dedujo que el organismo separaba en cada ocasión de la molécula de grasa fragmentos de dos átomos de carbono. (Como hemos visto, 40 años más tarde, los trabajos realizados con la coenzima A confirmaron su deducción.)

Las cadenas de átomos de carbono de las grasas más frecuentes contienen todas ellas un número par de átomos de carbono. ¿Qué ocurriría si se utilizara una grasa cuya cadena poseyera un número impar de átomos de carbono? En este caso, si los átomos fueran separados de la cadena de dos en dos, el producto final resultante estaría formado por el anillo de benceno con un átomo de carbono unido a él. Knoop administró a perros este tipo de molécula grasa y, por supuesto, obtuvo dicho resultado.

Knoop había empleado el primer «trazador» en Bioquímica. En 1913, el químico húngaro Georg von Hevesy y su colaborador, el químico alemán Friedrich Adolf Paneth, hallaron otra forma de marcar a las moléculas: mediante isótopos radiactivos. Comenzaron con el plomo radiactivo, y su primer experimento bioquímico fue medir cuánto plomo, en la forma de una solución de sal de este metal, podía incorporar una planta. La cantidad era realmente demasiado pequeña para ser medida con cualesquiera de los métodos químicos entonces disponibles, pero, utilizando el plomo radiactivo, podía medirse fácilmente, debido a su radiactividad. Hevesy y Paneth alimentaron a plantas con la solución de la sal de plomo marcada radiactivamente, y, a intervalos periódicos, calcinaron una planta y midieron la radiactividad de sus cenizas. De esta manera fueron capaces de determinar la proporción en que el plomo era absorbido por las células de la planta.