Metales contra el cáncer

31 03 2010

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En la dramática lucha que la medicina libra contra el cáncer los metales de transición se han revelado como unos valiosos aliados. Ya a finales de la década de los sesenta se observaron las propiedades que el cis-diamino dicloroplatino(II) (ver imagen), conocido como “cisplatino”, presentaba para inhibir el crecimiento celular anómalo de las células. Según las investigaciones llevadas a cabo, el platino se enlaza con uno de los átomos de nitrógeno de la guanina (una de las bases nitrogenadas del ADN) provocando una torsión anómala de la hélice del ADN que impide su replicación. El inconveniente del cisplatino está en sus efectos secundarios , su inactividad frente a determinados tumores y la posibilidad de que las células cancerosas desarrollen resistencia.

Una segunda generación de fármacos, basados en el trans-platino, evitan parte de estos inconvenientes. Además, la adecuada selección de los ligandos (heterociclos, aminas alifáticas… etc) puede hacerlos altamente selectivos hacia los distintos tumores.

Los complejos de Ga (III) también han mostrado su efectividad debido a las analogías entre el ión Ga (III) y el ión Fe (III) que permiten que el primero intervenga interfiriendo el metabolismo celular del hierro.

Los compuestos de Sn (IV) también han mostrado su eficacia para unirse a los grupos fosfato del ADN provocando la apoptosis (”suicidio” o mecanismo de muerte natural de las células cuando se detecta alguna disfunción grave en las mismas). Presentan la ventaja de una menor toxicidad y menores efectos secundarios, en especial la ausencia de vómitos.

Aunque se ha mostrado que los complejos de prácticamente todos los metales de transición pueden tener propiedades antitumorales (Pd, Cu, Fe, Mo, Au, Rh, Zr…) los que más se han estudiado son los de titanio (IV) y rutenio (II/III). Este último metal presenta una característica muy curiosa, y es la posibilidad de sintetizar macromoléculas que sirven como cápsulas que esconden en su interior medicamentos activos contra las células cancerosas. Verdaderos caballos de Troya que permiten atacar desde dentro con eficacia redoblada.

Fuente: Evolución y desarrollo de complejos metálicos con aplicación potencial como agentes tumorales. Santiago Gómez-Ruiz. Anales de Química, vol 106 (enero-marzo 2010)



Quantum Hotel

7 02 2010

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 La imagen situada encima de esta línea es algo más que eso. Es un pequeña aplicación Flash en la que es posible arrastrar los elctrones situados a la derecha hacia las “habitaciones” (niveles de energía) de un hotel muy particular: el Quantum Hotel.

La distribución del Quantum Hotel es bastante singular. Su primera planta sólo tiene una habitación, que su dueño (un tipo bastante excéntrico) ha decidido identificar como “s”. La habitación (de reducidas dimensiones) admite como máximo dos huéspedes (electrones). Los niveles siguientes tienen habitaciones “p”, que admiten un número máximo de seis huéspedes o electrones ; las ”d” un máximo de diez electrones y las f un máximo de catorce electrones.

El  orden de llenado de las habitaciones tampoco es muy lógico, como corresponde a la personalidad del dueño. Para recordarlo el director del hotel ha elaborado un diagrama (diagrama de Möeller) que se puede ver en la imagen.

El juego consiste en ir “alojando” electrones siguiendo las normas que se dan.

Una vez alojados los electrones se puede resumir la distribución escribiendo algo tal como: 1s2 2s2 p3,  lo que indica que en la habitación “s” de la primera planta hay dos electrones y en la segunda planta hay dos electrones en la habitación “s” y tres en la “p”.

Como se puede ver lo que se pretende es introducir la estructura electrónica de los átomos de forma amena. Puede ser útil en 3º de ESO. La experiencia demuestra que tiene éxito, así que si alguien quiere probar puede encontrar la aplicación (a tamaño natural) en FisQuiWeb

http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/atomo/hotel.htm



Ribosomas cristalizados

8 12 2009

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El jueves, 10 de diciembre, se entregan en Estocolmo (Suecia) los Premios Nobel del año 2009.

El Premio Nobel de Química ha sido concedido en esta edición a Ada E. Yonath, Thomas A. Steitz y Venkatraman Ramakrishnan (de izquierda a derecha en la foto) “por la detallada descripción de los ribosomas, los orgánulos en los que se sintetizan las proteínas”. Los ribosomas leen la información del ARN mensajero y, en función de esa información, fabrican proteínas. Los científicos se refieren a este proceso como la traducción. Es durante este proceso de traducción cuando la información ADN/ARN se convierte en proteínas, cuando la vida alcanza toda su complejidad.

Ada Yonath, al final de la década de 1970, intentó generar estructuras cristalográficas de rayos X de los ribosomas. En este momento la mayoría de las personas consideraban que esto era imposible. En la cristalografía de rayos X, los científicos hacen incidir rayos X en un cristal de, por ejemplo, una proteína. Cuando los rayos golpean los átomos del cristal son dispersados registrándose el resultado de esa dispersión. Anteriormente esto se lograba mediante una película fotográfica que era impresionada por los rayos X. Hoy en día se utilizan detectores CCD, los mismos que pueden encontrarse en las cámaras digitales (y que han sido objeto del Nobel de Física 2009). Analizando el patrón de dispersión obtenido los científicos pueden determinar cómo están colocados los átomos en una proteína.

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Para que esto funcione el cristal tiene que ser casi perfecto, las moléculas deben de formar un patrón preciso que se repita una y otra vez. Obtener cristales de alta calidad de una proteína puede ser una tarea complicada, y cuanto más compleja sea la proteína, más difícil es la tarea.

A principios de la década de 1990 los cristales producidos por Ada Yonath tenían ya la calidad suficiente. El patrón de puntos negros tenía el detalle suficiente para poder determinar la ubicación de los átomos en el cristal. Sin embargo, aún había que salvar un obstáculo considerable. El “problema de la fase”, común en la cristalografía de rayos X.

Fue Thomas Steitz, quien finalmente resolvió el problema.

Las estructuras cristalinas de la subunidad pequeña de los ribosomas obtenidas por Venkatraman Ramakrishnan han sido cruciales para la comprensión de cómo los ribosomas logran realizar la traduccion sin apenas errorres. Venkatraman identificó algo que podría ser descrito como un “comprobador molecular”. Usando el comprobador dos veces, el ribosoma realiza un doble chequeo de que todo es correcto. De este modo se garantiza que los errores se producen sólo una vez por cada 100 000 aminoácidos.

Los laureados con el Premio Nobel de Química 2009 han hecho posible la comprensión de cómo a nivel atómico la naturaleza puede transformar algo tan simple como un código de cuatro letras en algo tan complicado como la vida misma, justamente lo que James Watson predijo en 1964. Y la investigación, impulsada por la curiosidad, puede también, como tantas veces se ha demostrado, tener aplicaciones prácticas. Esta vez resulta útil en la búsqueda de nuevos antibióticos.

Más información:

Fundación Nobel

FisQuiWeb



Manzanas y limones

25 10 2009

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Los más entusiastas afirman que, al final, todo en la vida es química. Nosotros mismos estamos formados por infinidad de átomos combinados de mil formas distintas; gracias a reacciones químicas de oxidación obtenemos la energía indispensable para realizar nuestras funciones básicas, la secuencia de bases de nuestro ADN transmite las intrucciones para que las proteínas sean sintetizadas y nuestras neuronas se interconectan mediante mensajes químicos permitiéndonos pensar.

Sin llegar tan lejos lo que sí es cierto es que la química está presente en muchos de los procesos que podemos observar a diario.

Fijémonos en el pardeamiento (”browning” en inglés) que sufren algunas frutas (por ejemplo las manzanas), cuando sufren un golpe o las dejamos un tiempo expuestas al aire tras pelarlas. El color pardo que aparece es debido a la formación de polímeros de ese color (melaninas) que son sintetizados a partir de las quinonas. Las quinonas, a su vez, pueden obtenerse por oxidación de los polifenoles:

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Los polifenoles se encuentran almacenados en las vacuolas de las células vegetales y en  los cloroplastos se encuentran unas enzimas, las polifenol oxidasas (PPO), que son capaces de catalizar la oxidación de los polifenoles a quinonas.

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En circunstancias normales los polifenoles no tienen contacto con las PPO y la reacción no se produce a velocidad apreciable, pero si por un impacto u otro procedimiento similar (al pelar con un cuchillo) se produce la ruptura de los compartimentos en que ambos productos se alojan, éstos se ponen en contacto y la producción de quinonas comienza.

Las PPO tienen una estructura bastante compleja, constan de átomos de cobre (esferas verdes) enlazados con moléculas de la proteína histidina (cadenas azules):

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 Sin tener conocimientos de química muchas amas de casa saben que el pardeamiento de la fruta se puede evitar rociándola con limón. Para comprobar este extremo se ha llevado a cabo la siguiente experiencia: en la composición fotográfica se pueden ver dos trozos de manzana uno de los cuales (el que está situado al lado del trozo de limón) se ha rociado con zumo de limón. Tras varias horas es evidente la diferencia de aspectos entre ambos trozos: el que ha sido rociado con limón conserva su color original, mientras que en el otro  es patente el pardeamiento a medida que pasa el tiempo. Efectivamente el invento funciona.

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¿Por qué sucede esto? …

La explicación está en el ácido cítrico del zumo de limón que bloquea la acción de las PPO por dos caminos distintos:

  • Forma un complejo con los átomos de cobre de las enzimas (quelato) impidiendo que la enzima pueda actuar.

  • Hace que el pH disminuya drásticamente (por debajo de 2) lo cual también produce la desactivación de las polifenol oxidasas.

Como puede suponerse evitar este efecto (el pardeamiento) tiene gran interés comercial y los procedimientos usados se basan, bien en inhibir la acción de las PPO (mediante calor, disminución del pH o adicción de sustancias quelantes) o bien en evitar el contacto con el oxígeno.

Por cierto, la reacción mencionada es muy rápida y evidente en los champiñones. Sin embargo, los champiñones laminados en bandejas (que están en contacto con el oxígeno) se muestran exultantemente blancos durante periodos de tiempo muy largos a pesar de haber sido cortados. Sus PPO deberían trabajar a pleno rendimiento ¿porqué no lo hacen?



Con agua, por favor

22 03 2009

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El propósito de buscar cómo variaba la densidad del agua con la temperatura no era el escribir este “post”, pero una vez conseguidos los datos  se me ocurrió teclearlos en una hoja de cálculo y obtener la representación gráfica que se puede ver más arriba. Lo llamativo de la gráfica es que evidencia lo que casi todo el mundo sabe: la densidad del agua no varía de forma lineal. Presenta un máximo a unos 4 0C (exactamente a 3,8 0C, con un valor de 1,00000 g/cm 3). Por encima de esta temperatura la densidad disminuye de forma aproximadamente lineal, lo cual cae dentro de la lógica (al aumentar la temperatura aumenta el volumen y, por tanto, disminuye la densidad):

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Si consideramos un volumen de agua (imaginemos un lago) y la temperatura exterior disminuye, el agua situada en la superficie se enfriará. En consecuencia su densidad aumentará y tenderá a hundirse. Sin embargo a partir de los 4 0 C, las cosas suceden exactamente al contrario. En el rango de temperaturas comprendido entre 4 0C y 00C su densidad  disminuye al enfriarse. El agua más fria no tiende a descender, sino a flotar sobre la más caliente. De esta manera el agua de la superficie se enfriará más y más hasta que llegue a congelarse. El hielo comenzará a formarse en la superficie y el agua más profunda permanece en estado líquido, así los peces pueden vivir por debajo de la capa de hielo superficial (que, además, sirve de aislante). Si el agua no tuviera este extraño comportamiento y su densidad siguiera aumentando en las proximidades del punto de solidificación, los mares y lagos comenzarían a helarse por el fondo y terminarían convertidos en un bloque de hielo. Los peces morirían sin remedio. Seguramente los mares y lagos serían algo muy distinto de lo que conocemos.

El por qué de esta anomalía hay que buscarlo en la estructura interna de los cristales de hielo. El carácter polar de las moléculas de agua condiciona que cada átomo de oxígeno (esferas rojas) se una, mediante puentes de hidrógeno (esferas amarillas y más pequeñas), a otros cuatro átomos formando una estructura tetraédrica muy abierta:

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El volumen ocupado es, sorprendentemente, mayor en estado sólido que en estado líquido. La densidad del hielo (a 00C) es 0,917 g/cm3, casi un diez por ciento menor que la del agua líquida. Es razonable, por tanto, suponer que cuando nos acercamos a la temperatura de solidificación las moléculas vayan aproximándose a esta estructura provocando la disminución de la densidad que se comenta.



Rojo sangre, verde hierba

24 02 2009

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El pirrol (izquierda) es un  heterociclo de cinco átomos, uno de los cuales es nitrógeno. Si unimos cuatro anillos de pirrol, tal y como se ve a la derecha de la figura, obtenemos una molécula llamada porfina. Las porfirinas son complejos con iones metálicos fuertemente coloreados. Si el átomo metálico es el hierro, la porfirina resultante recibe el nombre de heme que es el compuesto responsable del intenso color rojo de la sangre:

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El átomo de hierro central aún posee otros dos posibilidades de unión. Así la proteína globina se une al átomo de hierro por encima del plano del anillo formando el complejo llamado hemoglobina. El otro punto de unión, situado por debajo del plano del anillo, es usado para fijar moléculas de oxígeno que son transportadas de esta manera a todo el organismo.

La clorofila, responsable del color verde de las plantas, también es una porfirina, ligeramente modificada, con un átomo de magnesio situado en el centro del anillo.

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La clorofila permite a las plantas obtener energía del sol. Esta energía será utilizada en la fotosíntesis para obtener carbohidratos a partir del CO2 del aire y el H2O absorbida por las raices.



¿Qué es la vida?

16 02 2009

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Tampoco vamos a pretender en este blog responder a la pregunta que se plantea, pero… ¿cuál es la respuesta que la ciencia es capaz de dar actualmente?

Se han propuesto multitud de definiciones, aquí nos quedaremos con la que se ha denominado “definición de la NASA”:

La vida corresponde a un sistema químico autosuficiente, capaz de experimentar una evolución de tipo darwinista.

Los llamados modelos metabólicos sobre el origen de la vida tienen un enfoque marcadamente termodinámico y sostienen que deben cumplirse cinco principios básicos:

(Adaptado de  Robert Shapiro. Investigación y Ciencia. Temas 52. El Origen de la Vida)

  • 1. Que exista una barrera de separación entre el organismo y su entorno. En el interior de un organismo vivo se produce un aumento constante de la complejidad. Se produce un aumento del orden, disminuye su entropía a costa de que se produzca un aumento de la entropía (desorden) del entorno. Esto debe ser así ya que según el Segundo Principio de la Termodinámica la entropía de un sistema aislado no decrece nunca. Para que esto sea posible debe de existir una barrera, una separación física entre ambos.
  • 2. Que haya una fuente de energía capaz de impulsar el proceso de organización. Los procesos vitales que tienen lugar en el interior de un organismo vivo implican la síntesis de estructuras ordenadas a partir de sustancias más simples. Este proceso nunca es espontáneo, no se produce si no existe un aporte de energía.
  • 3. Que exista un acoplamiento que conecte la energía aportada con el proceso de organización. No basta con que exista un aporte suficiente de energía, debe de existir una conexión para que esta energía sea capaz de impulsar los procesos metabólicos necesarios, la energía debe de impulsar una reacción química.
  • 4. Que se establezca un entramado de reacciones que facilite la adaptación y la evolución. Llegados a este punto es imprescindible que la reacción química generada sea capaz de crear un entramado de reacciones cuya complejidad vaya en aumento y que, además, sea capaz de adaptarse a circunstancias cambiantes: cambios de acidez, variaciones de concentración… etc.
  • 5. Que el sistema químico creado sea capaz de crecer y reproducirse. El proceso de crecimiento implica que la velocidad a la que se sintetiza materia sea mayor que la velocidad a la que se consume. Para reproducirse debe de desarrollarse un mecanismo en virtud del cual el sistema sea capaz de generar unidades independientes que seguirán distintas trayectorias evolutivas y competirán entre ellas por los recursos (evolución darwinista)

Los partidarios del modelo metabólico sostienen que su confirmación implicaría un profundo cambio en nuestra manera de contemplar la vida.

El modelo del replicador (según el cual la vida comenzó a partir de una molécula capaz de autorreplicarse que se formó por azar a partir de compuestos más sencillos) implica que el inicio de la vida es un proceso altamente improbable, lo cual nos lleva a la conclusión de que su repetición tiene muy pocas probabilidades (estamos solos en el universo).

El modelo metabólico, sin embargo, aporta una probabilidad mucho mayor al proceso con lo cual la probabilidad de que exista vida en otro lugar es más alta.



Whitesides, Nakamura, Iijima, Langer, Marks

26 10 2008

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Foto: Fundación Príncipe de Asturias

El pasado jueves (entrada gratuita y libre), y en la biblioteca de la antigua facultad de Derecho, pudimos ver y oir a los galardonados con el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica. Allí, a muy pocos metros de quien esto escribe, Whitesides nos contó qué es el autoemsamblado molecular y cómo puede usarse para obtener materiales con propiedades “a la carta” que mejoren, por ejemplo, las células solares y permitan un abaratamiento sustancial de la tecnología destinada al aprovechamiento de la energía solar.

Nakamura nos habló de sus LEDs y de las enormes posibilidades que brindan: son diez veces más eficientes que las bombillas actuales, no emiten calor y su vida es prácticamente ilimitada. Su bajo consumo los convierten en una opción para los paises más pobres con problemas de distribución en su red electrica, ya que pueden ser utilizados en combinación con los paneles solares.

Iijima nos presentó los ya famosos nanotubos de carbono, comentó sus espectaculares propiedades y las enormes posibilidades de utilización de los nanometariales. Una de las aplicaciones de los nanotubos puede ser su utilización para almacenar hidrógeno, el combustible del futuro

Langer nos alucinó con su relato de “ollas” de medicamentos, nanopartículas rellenas de medicamentos que pueden ser liberados por control remoto (o mediante sensores biológicos) en función de las necesidades. La posibilidad de utilizar materiales especiales como andamiaje para que células madre creen los tejidos que necesitemos, ya no es ciencia ficción.

Y por fin Tobin Marks, el único que no uso el consabido Power Point para ilustrar su exposición, se limitó, practicamente, a agradecer el premio. Tobin recibió el premio por su contribución a crear nuevos tipos de plásticos biodegradables y flexibles que pueden ser usados en la fabricación de nuevas células fotovoltaicas mucho más eficientes y baratas. Además, es el padre de los OLED,o diodos emisores de luz, basados en materiales orgánicos con los que se fabrican PDAs, móviles o el papel electrónico.

Un placer y un privilegio haberlo vivido. Gracias Amador.



Zinc

14 06 2008

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El Consenso de Copenhague es un proyecto patrocinado por el Ministerio de Asuntos Exteriores de Dinamarca que trata de establecer un orden de prioridades en el gasto en beneficio de la comunidad internacional.

Ocho de los mejores economistas del mundo (cinco de ellos premios Nobel) determinaron el orden de prioridad para gastar (en teoría) 75.000 millones de dolares en cuatro años.

El resultado es sorprendente. El objetivo situado en primer lugar (sólo costaba 60 millones de dolares al año) era proporcionar vitamina A y zinc a 112 millones de niños que padecen desnutrición.

¿Por qué el zinc?

El cuerpo de un adulto humano sano contiene de 2 a 3 g de zinc que se encuentra repartido por todo el cuerpo: 60% en el músculo, 30% en los huesos y alrededor del 5% en la piel. En la próstata y en el semen se encuentran cantidades especialmente elevadas.

La denominada Ingesta nutricional de referencia (RNI), o cantidad de nutriente que es recomendable para un 97% de la población, es de 9,5 mg para hombres adultos y 7,0 mg para las mujeres y se encuentra, sobre todo, en las carnes y también (aunque en menor proporción) en los productos lácteos, legumbres, levadura, frutos secos y cereales integrales.

El zinc juega un papel fundamental en el crecimiento y la división de células y participa en la formación del ADN, ARN, proteínas, carbohidratos y lípidos.

La carencia de zinc, produce:  crecimiento lento, aumento de infecciones, disfunciones en el sentido del gusto y del olfato, lesiones en la piel o mala cicatrización de las heridas, entre otros problemas.

La mayor parte de las veces el tamaño (cantidad en este caso) no importa. Con 3 escasos gramos el zinc es capaz de mantenernos sanos y en forma. 



Gran premio para lo minúsculo

8 06 2008

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La semana pasada se falló el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2008. La candidatura ganadora (propuesta por Amador Menéndez Velázquez a quien tan bien conocemos en el Suanzes) es un magnífico puzzle de ingenieros y químicos unidos por sus descubrimientos en el campo de la Nanotecnología.

Los cinco galardonados son:  (fotografía que encabeza el post, fila superior y de izquierda a derecha) Robert Langer ,Sumio Iijima,Tobin Marks, , (fila inferior de izquierda a derecha) George Whitesides y Shuji Nakamura.

La mejor manera de acercarse a la personalidad y a la obra de todos ellos es leerse el artículo que Amador publicó el jueves en La Nueva España. Y es que Amador, una vez más, es capaz de transmitir lo más complicado de una manera clara, amena y no exenta de poesía:

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Amador Menéndez.

Un nido más ecológico (LNE). 

Un nido más ecologico. pdf

 Langer ha conseguido medicamentos más eficaces contra el cáncer y materiales usados en la fabricación de tejidos y órganos para trasplantes.

Iijima abre, con sus nanotubos de carbono, un mundo de posibilidades ilimitadas en la síntesis de nuevos materiales ultraligeros y ultrarresistentes, capaces de almacenar hidrógeno, el combustible del futuro.

Marks se toma muy en serio el respeto por el medio ambiente, ya que los materiales por él sintetizados son reciclables e inocuos y la nueva generación de células solares (basadas en materiales orgánicos) son mucho más eficientes y de bajo coste que las actuales de silicio.

Nakamura es el padre de los diodos LED, “bombillas” ecológicas de bajo consumo, destinadas a sustituir a las actuales lámparas de incandescencia (el propio Amador regaló una linterna equipada con diodos LED a Victor Arniella, la última vez que estuvo en el instituto).

Whitesides es un auténtico “manipulador de átomos”, mediante la técnica denominada autoemsamblado molecular, lo que permite obtener materiales prácticamente a la carta.

No debemos olvidar que si el futuro llega a ser algo amable, Marks, Nakamura, Iijima, Langer y Whitesides habrán tenido mucho que ver.