Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (20 page)

Pero el anillo de benceno y el plomo eran sustancias muy poco «fisiológicas» para ser utilizadas como trazadoras. Con facilidad podían modificar la química normal de las células vivas. Sería mucho mejor emplear como trazadores a átomos que tomaran parte en el metabolismo ordinario del organismo: tales como los átomos de oxígeno, nitrógeno, carbono, hidrógeno, fósforo.

Una vez los Joliot-Curie hubieron demostrado, en 1934, la radiactividad artificial, Hevesy siguió en esta dirección y comenzó utilizando fosfatos que contenían fósforo radiactivo. Con ellos midió la incorporación del fosfato en las plantas. Desgraciadamente, los isótopos radiactivos de algunos de los elementos de importancia crucial en los tejidos vivos —especialmente el nitrógeno y el oxígeno— no son utilizables debido a que tienen una vida muy corta, siendo su vida media de sólo unos pocos minutos, a lo sumo. Pero la mayor parte de los elementos más importantes poseen isótopos estables que pueden ser utilizados como trazadores. Estos isótopos son el carbono 13, el nitrógeno 15, el oxígeno 18 y el hidrógeno 2. Comúnmente existen en cantidades muy pequeñas (alrededor del 1 % o menos); en consecuencia, «enriqueciendo» el hidrógeno natural en hidrógeno 2, por ejemplo, podrá utilizarse como trazador de una molécula que contenga hidrógeno administrada al organismo. La presencia del hidrógeno pesado en cualquier compuesto puede ser detectada mediante el espectrógrafo de masas, que lo separa en virtud de su mayor peso. De este modo puede seguirse a través del organismo el destino del hidrógeno marcado.

El hidrógeno, en realidad, fue el primer trazador fisiológico. Se dispuso de él para este fin cuando Harold Urey aisló el hidrógeno 2 (deuterio) en 1931. Uno de los primeros hechos dilucidados con el uso del deuterio como trazador fue que los átomos de hidrógeno en el organismo se hallaban mucho menos fijados a sus compuestos de lo que se había creído. Se puso de relieve que eran liberados y transferidos de un compuesto a otro, intercambiando posiciones entre los átomos de oxígeno de las moléculas de azúcar, en las moléculas de agua, etc. Ya que un átomo de hidrógeno ordinario no puede ser distinguido de otro, este intercambio no pudo ser detectado antes de que los átomos de deuterio lo descubrieran. Lo que el hallazgo implicaba era que los átomos de hidrógeno iban de un lado a otro del organismo, y, si los átomos del deuterio se unían al oxígeno, podrían difundir a través del organismo, independientemente de que experimentaran una transformación química global, los compuestos implicados, o, por el contrario no lo hicieran. En consecuencia, el investigador tenía que estar seguro de que un átomo de deuterio, hallado en un compuesto, había llegado allí por alguna reacción definida, catalizada por una enzima determinada, y no simplemente por un proceso de salto o intercambio. Por fortuna, los átomos de hidrógeno unidos al carbono no se intercambian, de tal manera que el deuterio hallado a lo largo de las cadenas de carbono adquiere una significación metabólica.

Los hábitos errantes de los átomos fueron destacados en primer plano en 1937, cuando el bioquímico norteamericano, de origen alemán, Rudolf Schoenheimer y sus colegas empezaron a utilizar el nitrógeno 15. Alimentaron a ratas con aminoácidos marcados con nitrógeno 15, las sacrificaron después de un cierto período de tiempo, y analizaron los tejidos para ver qué compuestos contenían el nitrógeno 15. De nuevo aquí se observó que, poco después de que un aminoácido marcado hubiera penetrado en el organismo, casi todos los aminoácidos contenían nitrógeno 15. En 1942, Schoenheimer publicó un libro titulado
The Dynamic State of Body Constituents (El estado dinámico de los constituyentes en el organismo)
. El título describe la nueva perspectiva que los isótopos trazadores han permitido adoptar en Bioquímica. Casi al margen de los cambios químicos aparentes, se produce un tráfico incesante de átomos.

Poco a poco el empleo de trazadores ha aportado multitud de detalles relativos a las vías metabólicas. Corrobora el esquema general de procesos tales como el metabolismo del azúcar, el ciclo del ácido cítrico y el ciclo de la urea. Ha permitido descubrir nuevos intermediarios, establecer vías alternativas de reacción, etc.

Cuando, gracias al reactor nuclear, pudo disponerse en cantidad de más de 100 diferentes isótopos radiactivos, después de la Segunda Guerra Mundial, los trabajos con trazadores experimentaron un enorme impulso. Compuestos ordinarios podían ser bombardeados con neutrones en un reactor y aparecer cargados con isótopos radiactivos. Casi todos los laboratorios de Bioquímica en los Estados Unidos (y podría decirse que en todo el mundo, pues, poco después, los Estados Unidos pusieron a disposición de otros países isótopos para fines científicos) iniciaron programas de investigación en los que se utilizaban trazadores radiactivos.

A los trazadores estables se sumaron entonces el hidrógeno radiactivo (tritio), el fósforo radiactivo (fósforo 32), el azufre radiactivo (azufre 35), el potasio radiactivo (potasio 42), sodio radiactivo, yodo radiactivo, hierro radiactivo, cobre radiactivo y, el más importante de todos ellos, el carbono radiactivo (carbono 14). El carbono 14 fue descubierto en 1940 por los químicos estadounidenses Martin D. Kamen y Samuel Ruben, y, para su sorpresa, tenía una vida media de más de 5.000 años, insospechadamente larga para un isótopo radiactivo de un elemento ligero.

El carbono 14 permitió resolver problemas que habían desafiado a los químicos durante años, y en los cuales no habían logrado, al parecer, ningún progreso. Una de las cuestiones de la cual esbozó una respuesta fue la relativa a la producción de la sustancia conocida como «colesterol». La fórmula del colesterol, elaborada después de muchos años de penosa investigación por hombres tales como Wieland (que recibió el premio Nobel de Química de 1927 por su trabajo sobre compuestos relacionados con el colesterol), ha resultado ser:

Todavía no se comprende completamente la función del colesterol en el organismo, pero, sin lugar a dudas, esta sustancia posee una importancia capital. El colesterol se encuentra en grandes cantidades en las vainas de naturaleza grasa que rodean a los nervios, en las glándulas suprarrenales, y en combinación con ciertas proteínas. Un exceso de esta sustancia puede determinar cálculos biliares y arteriosclerosis. Lo más importante de todo es que el colesterol constituye el prototipo de la familia de los «esteroides», siendo el núcleo esteroideo la combinación de los cuatro anillos que se pueden apreciar en la fórmula. Los esteroides son un grupo de sustancias sólidas, similares a las grasas, que incluye a las hormonas sexuales y a las hormonas corticosuprarrenales. Todas ellas son formadas, sin lugar a duda, a partir del colesterol. Pero, ¿cómo es sintetizado, a su vez, el colesterol en el organismo?

Hasta que los trazadores vinieron en su ayuda, los bioquímicos no tenían ni la más remota idea sobre este particular. Los primeros en abordar la cuestión con un trazador fueron Rudolf Schoenheimer y su colaborador David Rittenberg. Administraron agua pesada a ratas y hallaron que el deuterio aparecía incorporado a las moléculas de colesterol. Esto, en sí mismo, no tiene importancia alguna, debido a que el deuterio podría haber llegado a dicha molécula por simples intercambios. Pero, en 1942 (después de que Schoenheimer se suicidara trágicamente), Rittenberg y otro colaborador, el bioquímico germano-americano Konrad Emil Bloch, descubrieron un hecho más definido. Alimentaron a las ratas con el ion acetato (un simple grupo de dos átomos de carbono, CH
₃
COO–) marcado con el trazador deuterio unido al átomo de carbono del grupo CH
₃
. De nuevo se apreció que el deuterio se había incorporado a las moléculas de colesterol, y esta vez no podía haber llegado a él por intercambio; tenía que haber sido incorporado a la molécula como parte del grupo CH
₃
.

Los grupos de dos átomos de carbono (de los cuales el ion acetato es una versión) parecen representar encrucijadas generales del metabolismo. Tales grupos, por lo tanto, pueden muy bien servir de almacén de material para constituir el colesterol. Pero, ¿cómo llegan a formar la molécula?

En 1950, cuando se dispuso del carbono 14, Bloch repitió la experiencia, esta vez marcando cada uno de los 2 átomos de carbono del ion acetato con un trazador diferente. Marcó el carbono del grupo CH
₃
con el isótopo estable carbono 13 y el carbono del grupo COO– con el carbono radiactivo 14. Luego, después de administrar el compuesto a ratas, analizó su colesterol y vio en qué puntos de la molécula se hallaban los dos carbonos marcados. El análisis era una tarea que requería una verdadera y delicada maestría en química, y Bloch junto con una serie de experimentadores trabajaron en el durante años, identificando el origen de cada uno de los átomos de carbono del colesterol. De estos estudios parecía desprenderse que los grupos acetato probablemente formaban al principio una sustancia denominada «escualeno», un compuesto con 30 átomos de carbono, muy escaso en el organismo, sobre el que nadie había pensado dedicarle antes verdadera atención. Entonces aparecía como estación intermedia en la vía que conducía al colesterol, y, por ello, los bioquímicos empezaron a estudiarlo con gran interés. Por sus investigaciones, Bloch compartió con Lynen el premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1964.

Aproximadamente de la misma manera a como dilucidaron la síntesis del colesterol, los bioquímicos han logrado establecer la estructura del anillo porfirínico del heme, que constituye el armazón básico de la hemoglobina y de muchas enzimas. David Shemin, de la Universidad de Columbia, alimentó a patos con el aminoácido glicina, marcado de diversas maneras. La glicina (NH
₂
CH
₂
COOH) tiene dos átomos de carbono. Cuando marcó el carbono CH
₂
con carbono 14, dicho carbono aparecía en la porfirina obtenida a partir de la sangre de los patos. Sin embargo, cuando marcó el carbono COOH, el trazador radiactivo no aparecía en la porfirina. En resumen, el grupo CH
₂
participaba en la síntesis de la porfirina, pero no, en cambio, el grupo COOH.

Shemin, trabajando con Rittenberg, descubrió que la incorporación a la porfirina de los átomos de la glicina podía tener lugar igualmente en los eritrocitos en el tubo de ensayo que en los animales vivos. Esto simplificaba la cuestión, dando resultados fácilmente valorables, y evitaba el sacrificio de animales o la inconveniencia que podían representar éstos. Marcó el nitrógeno de la glicina con nitrógeno 15 y su carbono CH
₂
con el carbono 14, luego mezcló la glicina con la sangre de pato. Más tarde, separó cuidadosamente la porfirina producida y halló que los 4 átomos de nitrógeno en la molécula de porfirina procedían de la glicina. Lo mismo ocurría con el átomo de carbono adyacente en cada uno de los cuatro pequeños anillos pirrólicos (véase la fórmula, en la página 15), así como también con los 4 átomos de carbono que hacían de puentes entre los anillos pirrólicos. Esto arrojaba una diferencia de 12 átomos de carbono en el anillo de porfirina y de 14 en las diversas cadenas laterales. Se observó que éstos procedían del ion acetato, algunos a partir del carbono del CH
₃
y otros a partir del carbono del COO–.

De la distribución de los átomos trazadores fue posible deducir la manera como el acetato y la glicina eran incorporados a la porfirina. Primero formaban un único pirrólico; luego, dos de tales anillos se combinaban, y, finalmente, dos combinaciones de dos anillos se unían para formar la estructura porfirínica de cuatro anillos.

En 1952 fue aislado un compuesto denominado «porfobilinógeno» en forma pura, como resultado de una línea independiente de investigación, por el químico inglés R. G. Westall. Este compuesto aparecía en la orina de personas con defectos en el metabolismo de la porfirina, de tal modo que se sospechó que tenía algo que ver con las porfirinas. Su estructura resultó ser casi idéntica a aquélla de un solo anillo pirrólico que Shemin y sus colaboradores habían postulado como una de las fases previas en la síntesis de la porfirina. El porfobilinógeno representaba un estadio crucial en esta vía metabólica.

Seguidamente se demostró que el ácido «delta-aminolevulínico», una sustancia de estructura similar a la de la molécula del porfobilinógeno escindida por la mitad, podía aportar todos los átomos necesarios para su incorporación en el anillo porfirínico por las células sanguíneas. La conclusión más plausible es que las células forman primero el ácido delta-aminolevulínico a partir de la glicina y el acetato (eliminando, en el proceso, el grupo COOH de glicina como dióxido de carbono), que dos moléculas del ácido delta-aminolevulínico se combinan luego para formar porfobilinógeno (un único anillo pirrólico), y para este último, a su vez, se combina formando primero un anillo con dos pirroles y, finalmente, la estructura con cuatro anillos pirrólicos de la porfirina.

De todos los triunfos de la investigación con trazadores, quizás el mayor ha sido haber dilucidado la compleja serie de fases que conducen al desarrollo de las plantas verdes, de las que depende toda la vida en este planeta.

El reino animal no podría existir si los animales sólo pudieran comerse los unos a los otros, de la misma manera que una comunidad de personas tampoco podría enriquecerse si solamente se apoderaran de sus mutuas ganancias, ni tampoco un hombre podría sostenerse a sí mismo apretándose el cinturón. Un león que se come a una cebra o un hombre que ingiere un bisté están consumiendo una sustancia preciosa, que se obtuvo con grandes esfuerzos y considerable atrición por parte del mundo vegetal. La segunda ley de la termodinámica nos dice que, en cada fase del ciclo, se está perdiendo algo. Ningún animal almacena la totalidad de los hidratos de carbono, grasas y proteínas contenidas en los alimentos que come, ni puede hacer uso de toda la energía disponible en los alimentos. Inevitablemente una gran parte, por no decir la mayor parte, de la energía es disipada en forma de calor no utilizable. En cada nivel de la ingestión de alimentos se está perdiendo algo de energía química. Así, si todos los animales fueran exclusivamente carnívoros, la totalidad del reino animal moriría en muy pocas generaciones. Más bien diremos que nunca habría llegado a ocupar el primer plano.