C. Menor-Salván. Mayo 2024.

La lactosa es un azúcar natural presente en la leche de los mamíferos en una cantidad considerable. La leche humana contiene aproximadamente un 7-8 % de lactosa, y la leche de vaca comercial tiene una proporción variable entre el 3 y el 5 %.

Es un disacárido, es decir, un azúcar formado por la unión química de otros dos azúcares más simples (monosacáridos). En este caso, esos dos azúcares son glucosa y galactosa. Todos estamos muy familiarizados con el aspecto de los disacáridos: el azúcar común o sacarosa es un disacárido formado por glucosa y fructosa. En los disacáridos es muy importante, tanto la composición como la geometría con la que se unen los dos azúcares simples. Esto cambia sus propiedades; por ejemplo, la lactosa tiene aproximadamente un 20% del dulzor de la sacarosa, debido a que, por su estructura, no interacciona tan bien con los receptores de la lengua. De ahí que la leche no nos sepa tan dulce.

La lactosa es fundamental en las primeras fases del desarrollo, durante la lactancia, debido a que es una fuente de galactosa, necesaria, entre otras cosas, para el correcto desarrollo del sistema nervioso e inmunológico del niño, debido a que se incorpora estructuralmente en moléculas esenciales como los cerebrósidos y es necesaria para formar la mielina. Es importante también como prebiótico, y ayuda a crear y mantener un ecosistema microbiológico sano en el intestino, además de ayudar a la absorción de calcio y oligoelementos.

La lactosa requiere, para su absorción, una enzima, la lactasa, que rompe la molécula en sus dos componentes, para que puedan ser absorbidos:

Y aquí tenemos el problema: los bebés lactantes tienen una actividad lactasa elevada, pero ésta disminuye al terminar la lactancia, reduciéndose la absorción de lactosa. Gran parte de los humanos mantienen un cierto nivel de lactasa durante toda su vida, gracias a una mutación que hizo posible que podamos seguir tomando leche y productos lácteos durante la edad adulta. Pero muchos humanos tienen una actividad lactasa muy baja, lo que provoca intolerancia a la lactosa: ésta no se rompe y absorbe, quedándose en el tracto intestinal y produciendo malestar, hinchazón y gases, al llegar al intestino grueso, donde se convierte en un festín para las bacterias, e incluso diarreas, debido al desequilibrio osmótico que provoca. Aproximadamente el 30% de la población en España tiene intolerancia a la lactosa, con efectos que pueden ser desde casi inapreciables o leves, hasta moderados o intensos, haciendo imposible para la persona en este caso tomar leche. Es importante no confundir la intolerancia a la lactosa con la alergia o la intolerancia a las proteínas de la leche, algo completamente distinto.

¿Tiene lactosa la mantequilla?. Tests de lactosa

Vamos a realizar ahora un ensayo químico muy sencillo para detectar y determinar aproximadamente la lactosa en una muestra de leche y otra de mantequilla. Este test, en una versión un poco mas compleja, se ha utilizado para la determinación colorimétrica de la lactosa. Es el test del ácido pícrico. Se basa en la reacción entre la lactosa (u otros azúcares reductores) y el ácido pícrico, de color amarillo, en un medio alcalino. Según la cantidad de azúcar presente, el ácido pícrico se reduce a ácido picrámico, de color rojo, dando una coloración desde anaranjada a rojo intensa.

El primer paso es eliminar las proteínas de la leche. En este caso, hemos usado un poco de leche desnatada, y precipitamos las proteínas añadiendo la misma cantidad de una solución de ácido tricloroacético al 24%.

Tomamos 1 ml del líquido claro sin proteínas que vemos en la foto, añadimos 1 ml de solución saturada de ácido pícrico y 1 ml de NaOH al 5%. Se calienta durante 2 minutos a 100º. En el caso de la mantequilla, el proceso es mas laborioso: extraemos una porción de mantequilla con agua, separamos la materia grasa y hacemos el ensayo con el extracto acuoso, una vez concentrado por liofilización, pues los azúcares están en baja proporción y son solubles en agua. Aquí tenéis el resultado:

En el tubo 1, la muestra de leche tiene un contenido alto de lactosa, como se ve comparado con el tubo 2. En el tubo 3 vemos el resultado con mantequilla de un conocido supermercado (segun etiqueta, sus azúcares totales son 0.4%) y en el 4 con agua. Como se ve, la mantequilla apenas contiene azúcar. El contenido de esta muestra, una vez calculado, nos sale en torno a 0.5%, por lo que, salvo que se tenga una intolerancia realmente severa, se puede consumir mantequilla y productos conteniendo mantequilla sin problema. Es lógico: la mantequilla se prepara con la fracción grasa; la lactosa es una molécula polar que no se disuelve en la grasa y se separa en la fracción acuosa durante la preparación de la mantequilla. Pero, ¿realmente contiene lactosa?

Azúcar bajo el microscopio

El test del ácido pícrico es muy sencillo y eficaz para detectar lactosa, pero no es específico, por lo que estamos viendo realmente los azúcares reductores totales. Otros azúcares y sustancias reductoras tienen capacidad para reducir el ácido pícrico, como la glucosa o la fructosa. ¿podemos comprobar, de modo simple, que la muestra que hemos usado tenga realmente lactosa?. Hay un test que, con ayuda de un microscopio biológico normal, puede resolverlo: los azúcares reaccionan con la fenilhidracina, dando lugar a un compuesto insoluble llamado fenilosazona. Las fenilosazonas son diferentes para cada azúcar y cristalizan, formando agregados cristalinos distintos, que pueden diferenciarse fácilmente con el microscopio (si se han hecho en las mismas condiciones), excepto en el caso de azúcares que forman la misma fenilosazona, como el caso de la glucosa y la fructosa.

Si hacemos el test con nuestra muestra de leche vemos este resultado:

¿A qué azúcar diríais que corresponde?. Correcto, es lactosa. Si hacemos el test despues de extraer y concentrar las trazas de azúcar que contiene la mantequilla y la analizamos observamos esto:

La proporción de azúcar es bajísima y formada principalmente por glucosa/fructosa y otras. De hecho, no hemos podido detectar lactosa y la proporción de azúcar real es incluso inferior a la que observamos con el test del ácido pícrico, que podemos considerar nuestro máximo, ya que da una proporción aparente algo mayor de la real en concentraciones muy bajas. También depende de la marca, pero, en general, las mantequillas tienen una proporción real de azúcares reductores usualmente inferior al 0.1%. Durante la elaboración de la mantequilla se incorporan, además, microorganismos como bacterias lácticas, que metabolizan la poca lactosa que llevaba durante la elaboración, y fermentan las grasas; es el proceso de maduración, que proporciona el olor y sabor característico de la mantequilla. El escaso contenido en azúcares totales depende de cómo se ha preparado cada mantequilla en particular (en muchos casos, por ejemplo, se bate con leche para rebajar el contenido graso), pero casi siempre va a ser inferior al 0.5%.

En conclusión: La mantequilla contiene una proporción muy baja de azúcares (de 10 a 100 veces inferior a la leche entera) y un contenido en lactosa usualmente inferior al 0.1%, comparable a la de la leche ‘sin lactosa’. Un vaso de leche de 200 cc nos va a proporcionar aproximadamente entre 10 y 15 gramos de lactosa, lo cual es una cantidad considerable para una persona con intolerancia a la lactosa; pero, suponiendo el improbable caso de que la mantequilla llegara a contenter un 0.4% de lactosa, la típica pastilla de mantequilla de 10 gramos con la que suelen acompañar la tostada en el desayuno, nos proporcionaría tan solo 40 miligramos de lactosa. Por ello y dada la cantidad de mantequilla que se suele consumir, no es necesario comprar mantequilla «sin lactosa», ni es necesario pedirle al camarero que nos cambie la pastillita o tarrinita de mantequilla por una ‘sin lactosa’.

La glucosa-6-fosfato dehidrogenasa (G6PDH) es una enzima fundamental en el metabolismo central. Conecta la glucolisis con el metabolismo de los azúcares en el ciclo de las pentosas fosfato, a través de la oxidación de glucosa-6-fosfato a 6-fosfogluconolactona por NADP+. La reacción es una fuente de NADPH, que es un cofactor crucial en algunos procesos bioquímicos, como la recuperación del glutation, un pequeño péptido esencial para evitar daños por estrés oxidativo.

La recuperación de glutation es especialmente significativa en los glóbulos rojos, en los que esta reacción es su única fuente de NADPH. Si sus niveles se ven comprometidos, los glóbulos rojos se ven afectados por daño oxidativo y puede producirse anemia hemolítica

Esto puede tener lugar por deficiencia de la enzima G6PDH, que es, precisamente, una de las enzimopatías más comunes, afectando a casi 500 millones de personas en todo el mundo, principalmente en Africa, Peninsula Arábica y Sudeste Asiático. Se han descrito 230 mutaciones con relevancia clínica, principalmente hombres, al estar ligadas al cromosoma X. Las más graves producen anemia hemolítica y las menos severas producen hemolisis asociadas a tóxicos que producen estrés oxidativo o algunas toxinas, como las lectinas presentes en las judías.

La razón de esa distribución es que, curiosamente, la deficiencia de esta enzima confiere resistencia contra la malaria producida por el parásito Plasmodium falciparum. Entonces, en las zonas donde la enfermedad es endémica, las mutaciones de G6PDH proporcionan una ventaja evolutiva, prevaleciendo gradualmente sobra la enzima más activa, ya que el parásito requiere de ésta para su ciclo vital.

Mutación en la arginina 219

En el trabajo publicado en Nature Communications por Zgheib et al., se describe un caso muy interesante desde el punto de vista de la bioquímica estructural. Un joven paciente de 15 años sufrió hemolisis y pancitopenia tras una infección viral. Los autores estudiaron el caso y, tras ver en su historia que un tío suyo tenía deficiencia de G6PDH, llevaron a cabo el estudio bioquímico de la enzima.

Descubrieron una nueva mutación en la enzima, en la que una arginina en la posición 219 se había sustituido por una glicina. Esta mutación puede estar asociada a un cambio de un simple nucleótido, pues los codones de glicina y arginina sólo se diferencian en su primer nucleótido, siendo G para arginina y C para glicina.

El problema es que el cambio de un aminoácido con carga como la arginina por un aminoácido neutro de pequeño tamaño como la glicina puede tener importantes implicaciones en la estructura de la proteína. En efecto, la arginina 219 estabiliza la estructura proteica, que es un dímero, a través de un puente de hidrógeno y de la carga positiva, por interacción electrostática. Al cambiar por la glicina, se pierden esas interacciones electrostáticas en una posición clave, desestabilizándose la estructura de la enzima y dificultando su acción catalítica. Los autores comprueban que, en efecto, la enzima mutante es mucho más sensible a la desnaturalización, debido a la desestabilización estructural. La enzima mutante pierde actividad a temperatura superior a 44ºC, mientras que la enzima WT (wild type, la enzima funcional normal) pierde actividad a temperaturas superiores a 50ºC.

Es interesante que la arginina 219 no está en el centro activo de la enzima. Así, podemos explicar los datos experimentales de la actividad de la enzima que obtienen los autores:

• K_m=49.5 µM para el sustrato (glucosa 6 fosfato) en la enzima WT
• K_m=46.1 µM para el sustrato en la enzima con la mutación
• K_cat=326 s^-1 para la enzima WT
• K_cat=6 s^-1 para la enzima mutante.

¿que nos dicen estos resultados?. Que la enzima mutante muestra una constante de Michaelis-Menten similar a la WT para el sustrato glucosa-6-fosfato, por lo que no ha perdido afinidad por el sustrato; no es sorprendente, pues la mutación no afecta al centro activo y la unión sustrato-enzima no se ha visto afectada. Sin embargo, la enzima mutante ha perdido eficiencia catalítica. Recordemos que el Kcat o numero de turnover son los moles de sustrato que son transformados por mol de enzima y por segundo. Así, su actividad se ve enormemente reducida: la enzima WT es 54 veces más activa. Esto es debido, probablemente, por la dificultad de la enzima mutante para alcanzar un estado de transición energéticamente favorable, ya que la mutación condiciona el ajuste de la enzima con el sustrato y el cofactor.

Este caso ilustra bien la diferencia de significado entre las dos constantes fundamentales de la actividad enzimática y cómo la discusión teórica que realizamos en la clase de Bioquímica Estructural tiene gran relevancia práctica.

Referencias

Zgheib, O. et al. (2023) ‘Substitution of arginine 219 by glycine compromises stability, dimerization, and catalytic activity in a G6PD mutant’, Communications Biology. Springer US, 6(1), p. 1245. doi: 10.1038/s42003-023-05599-z.

C. Menor-Salván. Ver. 2.5. Abril 2023

El descubrimiento de la estructura del ADN fue uno de los logros científicos destacados del siglo XX. En él participaron además de los conocidos Watson y Crick y Rosalind Franklin, una serie de científicos relevantes, cuyo nombre apenas se recuerda; sin sus contribuciones, no podemos entender la historia completa. Esta aventura nos enseña además que, en la ciencia, aunque se hagan famosos los «goleadores», el conocimiento se construye de modo colectivo y los errores pueden ser tan importantes como los aciertos. Delicioso es el fruto que surge tras el amargor del error y la ignorancia, y de ellos es desde donde se construye la ciencia. Además, los aspectos mundanos pueden ser tan relevantes como los técnicos.

El ADN se descubrió en el siglo XIX, pero se tardó más de medio siglo en revelar su estructura

No hay que confundir el descubrimiento de la estructura del ADN, con el descubrimiento del ADN en sí. Se atribuye el descubrimiento del ADN al químico suizo Friedrich Miescher, entre 1860 y 1874, siendo Phoebus Levene quien dio, en 1909, su descripción química precisa. Miescher propuso, en 1874, que, de alguna manera la «nucleína» (nombre que dió al ADN) era la «causa específica de la fertilización».

Levene acuñó el término ‘ácido nucleico’. Propuso la ‘teoría del tetranucleótido’, sugiriendo que el ADN estaba compuesto por cuatro bases, un azúcar y fosfato. Sin embargo, en aquel momento, aún no existía la tecnología necesaria para entender la arquitectura de la molécula.

Pasó casi medio siglo hasta que se determinó su estructura, lo cual era un problema muy complicado, tanto tecnológicamente como por la dificultad para obtener datos de la molécula. Y no había nadie mejor para lograrlo que el genial químico estadounidense Linus Pauling (1901-1994), quien estuvo a las puertas de conseguirlo antes de que Watson, Crick, Wilkins y Franklin publicaran su famoso artículo triple de abril de 1953.

Pauling fue uno de los científicos más relevantes del siglo XX. Recibió el premio Nobel en Química en 1954 por su contribución al conocimiento de los enlaces químicos. Para esa fecha había realizado tantos descubrimientos importantes en numerosos campos de la Química y la Biología, que, cuando le llamaron para comunicarle la concesión del premio, pidió a su interlocutor que le leyese la comunicación, pues no tenía claro por cuál de sus trabajos recibía el premio.

Pauling había resuelto otro gran problema: la estructura de las proteínas. Con Robert Corey y Herman Branson, publicaron en 1951 las estructuras secundarias que ahora ilustran los libros de texto. Este importante trabajo era ya suficiente para que tuviera fama imperecedera en el mundo de la Ciencia, pero Pauling era ambicioso y estaba obsesionado con resolver todas las estructuras de macromoléculas biológicas. Así, era el favorito en la carrera por el ADN. Él mismo estaba convencido de ello.

Astbury, Bell y la triple hélice de Pauling

Una brillante química británica, Florence Bell, presentó, en 1939, su tesis sobre la estructura del ADN y las proteínas, bajo la dirección de William Astbury. En ella, Bell y Astbury presentaron, por primera vez en la Historia, imágenes de difracción de rayos X de ADN. Esta compleja técnica, que se utiliza desde la Bioquímica Estructural hasta la Mineralogía, es esencial para resolver las estructuras macromoleculares así como las estructuras de los sólidos cristalinos. Y ahí está el problema: EL ADN es muy difícil de cristalizar y tiene una peculiaridad clave que descubrió Rosalind Franklin: puede cambiar de forma.

Bell dio un esbozo de la estructura del ADN, formado por largas fibras con las bases colocadas en paralelo y unidas, a modo de cuentas de collar, por el fosfato, pero no pudo avanzar más. Su tesis relata los intentos para obtener una muestra de ADN lo suficientemente cristalina, que terminaban en imágenes de difracción borrosas. El ADN se resistía a revelar su estructura. Había algo que Bell ignoraba: el ADN no tiene una única forma. Al preparar el ADN puro, se formaba una mezcla de lo que ahora conocemos como ADN B y ADN A, que hacían muy difícil interpretar los datos.

Fue Rosalind Franklin, 15 años después, quien logró lo que Bell no pudo: obtener una forma única de ADN cristalino, en su forma canónica ADN B, con el que hizo posible la famosa foto 51, que aclaró definitivamente la estructura.

Aun así, Bell proporcionó datos importantes, gracias a una imagen particularmente clara, la imagen 19, como la distancia entre las bases y que los nucleótidos formaban largas cadenas.

Pauling estudió los resultados de Bell y Astbury, tomando como hipótesis que las bases del ADN se orientan al exterior, para enlazarse con otras moléculas y que los fosfatos se organizan en un patrón similar al de algunos minerales. También tuvo en cuenta otro dato fundamental: el biofísico Robley Williams había logrado, en 1952, obtener una imagen en 3D de una molécula de ADN con un microscopio electrónico. Pauling observó que ese pequeño cilindro podría ser una trenza helicoidal.

Con estas ideas, propuso un modelo en triple hélice, en un artículo enviado, no sin prisas, el 31 de diciembre de 1952. En él, publicado en febrero de 1953, Pauling sugiere que su modelo es todavía algo preliminar y requería refinado. Su colaborador Corey le avisó de que había problemas, como que el modelo no encajaba del todo bien, no se podían incluir iones de sodio, a pesar de que el ADN formaba una sal sódica, y estaba el problema de la repulsión de las cargas del fosfato; Pauling reconoció que su modelo estaba algo «apretado». Pero la prisa estaba justificada: sabía que, en Gran Bretaña, Maurice Wilkins y su equipo estaban obteniendo imágenes de difracción del ADN y que unos entonces desconocidos James Watson y Francis Crick estaban trabajando en un modelo de ADN.

Sin embargo, el modelo de Pauling resultó ser erróneo.

Pares de bases y la precaución de Wilkins

El modelo en triple hélice encajaba mas o menos bien con los datos de difracción de rayos X de los que disponía Pauling. Es más, el primer modelo de ADN que idearon Watson y Crick, en 1951, era una triple hélice similar a la de Pauling. La diferencia es que ellos contaron con Rosalind Franklin. Cuando mostraron a Franklin su modelo, ella les dio razones convincentes por las que el modelo no era válido. Franklin ya había observado la importancia del agua y de los iones en la estructura (ella estaba trabajando con la sal sódica del ADN) y de cómo debían distribuirse los fosfatos. Ellos la escucharon y volvieron a los cálculos de un nuevo modelo. En ese momento, Franklin y Wilkins, aunque no estaban a favor de determinar un modelo aún, también pensaban que se trataba de una triple hélice. Tendría que llegar la foto 51, obtenida por Franklin, a despejar las dudas: la molécula de ADN era una doble hélice.

Las claves científicas del error de la triple hélice de Pauling las explica Rosalind Franklin en su magnífico artículo de 1953, en el que muestra que tenía clara la estructura: los datos de Pauling no eran lo suficientemente resolutivos; además, una hélice con los fosfatos en el interior y las bases en el exterior no encaja, ni con las propiedades del ADN, ni con la química del fosfato; y, no menos importante, Pauling no tuvo en cuenta un hallazgo previo fundamental al que Franklin si da crédito.

En 1947, un joven bioquímico, Michael Creeth, propuso un modelo de ADN formado por dos cadenas unidas por puentes de hidrógeno entre sus bases. Los mentores de Creeth eran Gulland y Jordan, quienes habían demostrado el apareamiento entre bases del ADN. Esta observación, para Franklin, tal como ella misma cuenta en su artículo de 1953, es fundamental. Considerando los pares de bases y los datos de difracción, la famosa doble hélice emergía como la estructura correcta.

Consciente de que los datos de Bell y Astbury no tenían resolución suficiente, Pauling escribió a Wilkins, solicitando ver los suyos. Wilkins, que no deseaba que el gran Pauling tomara el control de la investigación, se negó. Suele decirse que Pauling no tuvo oportunidad de reunirse con ellos directamente, debido a que el gobierno de EEUU le denegó la renovación del pasaporte para viajar a Gran Bretaña en 1951. Lo cierto es que el impacto de esta anécdota no fue grande, pues, finalmente, Pauling visitó Inglaterra durante un mes en 1952, coincidiendo con el trabajo clave de Franklin y, durante el cual, lamentablemente, no prestó atención al ADN.

Mientras Pauling, pensando que Wilkins seguiría negándose a colaborar, se centraba en sus trabajos con las proteínas, Franklin y su doctorando Gosling obtenían las imágenes históricas que confirmaron la estructura del ADN. Franklin no tenía inconvenientes para mostrar sus resultados y, si Pauling hubiera hablado con ella directamente, la historia del ADN sería distinta. Es más, ocurrió algo extraño: Franklin mostró sus imágenes a Corey, mano derecha de Pauling. Corey sugirió a Pauling que el modelo de triple hélice no encajaba bien y que había varios problemas. Pero él insistió, pensando que, bueno, ya resolverían los problemas pendientes. No visitar a Franklin y no escuchar a Corey fue un error histórico.

No fue el único error de Pauling. Watson y Crick tuvieron en cuenta otro dato clave: el bioquímico austriaco Erwin Chargaff les explicó que las bases del ADN siguen una proporción muy sencilla, que hoy conocemos como reglas de Chargaff. Estas apoyaban la idea de que las dos cadenas estarían unidas por las bases. Pauling y Chargaff se conocieron en 1947 durante un crucero de vuelta a EEUU y hablaron de ello; pero, considerándole un tipo «molesto y desagradable», Pauling despreció sus observaciones.

El modelo erróneo de Pauling fue el impulso definitivo que llevó a Watson y Crick a publicar, sólo dos meses después, su doble hélice. Cuando el artículo de Pauling apareció en febrero de 1953, los británicos estaban sorprendidos: era un modelo ingenuo, erróneo, similar al que ellos concibieron en 1951 y que Franklin les hizo desechar, y que, como los mismos Watson y Crick comentaron, incluso violaba las reglas químicas básicas del fosfato, expuestas por el propio Pauling en su famoso libro de texto de Química General. Eufóricos por la oportunidad que el error de Pauling les brindaba, era el momento perfecto para arrebatarle la gloria de resolver la estructura del ADN; se apresuraron, entonces, a publicar su modelo antes de que Pauling tuviera tiempo de darse cuenta de su fallo y rehacer su modelo, a la vista de los nuevos datos de difracción de rayos X.

Así, en abril de 1953, tras un acuerdo con Wilkins y Franklin, se publicaron tres artículos: uno por Watson y Crick, otro por Wilkins y el tercero por Franklin y Gosling, detallando la estructura del ADN y los datos esenciales que la sostienen. Sorprende que mucha gente piense que aquel mes se publicó un sólo artículo, firmado por Watson, Crick y Wilkins, y que Franklin fue ignorada completamente. Como ocurre con El Quijote, que todo el mundo lo conoce, pero casi nadie lo ha leído. Sin embargo, la lectura de los artículos aclara cosas, como que, en efecto, no fue un artículo, sino tres, cada uno preparado por los líderes del descubrimiento: Watson y Crick eran los teóricos que desarrollaron el modelo, y Wilkins y Franklin los experimentalistas que lograron preparar el ADN puro y obtener los datos de su estructura. A priori no parece mal arreglo. Con ojos actuales, cada uno de ellos tendría su paper histórico en Nature como IP (Los problemas de índole personal que llevaron a que Wilkins y Franklin publicaran por separado, o por qué publicaron tres papers separados en lugar de uno todos juntos, no son objeto de esta entrada, y es un tema que se discute mucho, aunque para mi forma parte del gossip científico, no de la ciencia en sí)

Aceptando la derrota

Pauling aceptó sus errores con elegancia y, en la Conferencia Solvay de ese mismo abril de 1953, expresó su apoyo al modelo de Watson y Crick:

«Aunque solo han pasado dos meses desde que el profesor Corey y yo publicamos nuestra estructura propuesta para el ácido nucleico, debemos admitir que probablemente esté equivocada; Aunque se podría hacer algo de refinamiento, creo que es muy probable que la estructura de Watson-Crick sea esencialmente correcta»

En 1988, durante una conversación informal en un congreso, Pauling recapitulaba:

«Supongo que siempre pensé que la estructura del ADN era mía para resolver y, por lo tanto, no la perseguí con suficiente agresividad».

Definitivamente, no escuchar las señales de que su modelo no era correcto y su ambición, que le llevó a estar convencido de que era el único que podría resolverla, no le ayudaron.

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Anexo 1: Cómo ayudó la foto 51 a revelar la estructura

La técnica de difracción de rayos X (DRX) es y ha sido esencial para la Biología. Es una técnica compleja, costosa y que requiere de una larga formación específica, por lo que los cristalógrafos, como lo fueron Rosalind Franklin, Florence Bell o el propio Pauling, expertos en DRX, son muy valiosos para la investigación y su labor no siempre es suficientemente reconocida. Prácticamente todas las estructuras que podemos encontrar en el Protein Data Bank, por ejemplo, han sido resueltas mediante DRX.

Para obtener un buen patrón de difracción, o difractograma, es necesario disponer de una muestra muy pura del compuesto que se está analizando, uniforme y cristalina (es decir, todas las moléculas de la muestra están ordenadas). Esto fue muy difícil de conseguir con el ADN, en especial por su tendencia a la transición entre ADN A y ADN B según su contenido en agua.

Rosalind Franklin y Raymond Gosling (a quien nadie recuerda, a pesar de haber trabajado en el laboratorio codo con codo con Franklin) consiguieron una imagen excepcional, como hemos visto: la famosa foto 51. Esta foto se reproduce en muchas ocasiones, pero ¿qué significa? ¿cómo se interpreta?

La interpretación completa es muy compleja, pero podemos entenderla de modo sencillo, en especial si usamos un experimento: si tomamos un muelle de boli o cualquier otro muelle pequeño y fino y lo iluminamos con un láser, que tenga el haz cuanto más grueso mejor (de modo que ilumine varias vueltas de hélice al mismo tiempo), el muelle va a difractar la luz laser. Como la diferencia entre la distancia de vueltas del muelle y la longitud de onda del laser es muy alta, el patrón de difracción que se produce es la difracción de campo lejano o difracción de Fraunhofer, que podemos ver al proyectar la luz a una distancia de entre 2 y 6 metros del muelle. El patrón de difracción nos permite medir con mucha precisión las medidas del muelle. Si cambiamos el muelle por moléculas ordenadas de un compuesto, y el láser por un haz fino de rayos X, muy penetrante y de longitud de onda muy pequeña, comparable a las dimensiones de la molécula, obtendremos un patrón de difracción de su estructura.

El patrón de difracción de una estructura en hélice da lugar a una «X» muy característica. El ángulo de la «X» y la distancia entre las manchas luminosas nos permite calcular las medidas de la hélice (ver mas abajo). Con el sencillo experimento del muelle y el puntero láser, podemos reproducir el experimento y los cálculos que realizaron Franklin y Gosling.

Si nos fijamos en las imágenes de Florence Bell, este patrón no está nada claro, debido a las dificultades que tuvo para preparar la muestra. Pauling supo que la molécula de ADN era helicoidal porque vio una imagen de microscopía electrónica.

Otro aspecto clave de la foto 51 es que revelaba claramente que el ADN no estaba formado por una hélice, sino por dos hélices unidas, con un desfase entre ellas. Este desfase daba lugar a los huecos que se pueden ver en la foto. Este dato confirmaba definitivamente que el ADN estaba formado por dos hebras unidas formando una hélice doble. Franklin pudo medir la molécula usando el patrón, obteniendo un ajuste muy bueno con el modelo teórico propuesto por Watson y Crick.

¿Qué habría ocurrido si el modelo de Creeth hubiera sido correcto? El patrón de difracción habría sido completamente distinto. Podemos modelizarlo también mediante la difracción de Fraunhofer de dos alambres paralelos muy juntos:

Esto nos da un patrón de difracción o difractograma lineal:

Como en el caso anterior, con el espaciado entre las manchas luminosas podemos medir la distancia entre los dos alambres. Comparemos este difractograma con el difractograma de rayos X real de un poliester, un polímero lineal formado por cadenas paralelas:

Y aquí vemos el patrón de difracción de un fragmento proteico formado por láminas beta paralelas:

Así queda demostrada la estructura de la molécula usando un método físico clave, la DRX. La verdad es que las cosas son como tienen que ser: si el DNA tuviera la estructura de Creeth, la Biología Molecular sería imposible, y por tanto la vida. Pero eso todavía no lo sabían en los años 1940-1950.

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Anexo 2: Extracto de los artículos históricos de abril de 1953

Referencias

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Pederson, T. (2020) ‘The double helix: “Photo 51” revisited’, The FASEB Journal, 34(2), pp. 1923–1927. doi: 10.1096/fj.202000119.

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Linus Pauling and the race for DNA: http://scarc.library.oregonstate.edu/coll/pauling/dna/index.html

https://www.historyofinformation.com/detail.php?entryid=4425

Realizado por: Cintia Merino Piñón y Celia Juara Díaz (1ºC Biología Sanitaria – UAH)

POLIHIDROXIALCANOATOS Y SU PRODUCCIÓN INDUSTRIAL

Dado que tenemos un amplio abanico de bacterias capaces de producir PHB, las técnicas y sistemas de cultivo son igualmente variados. Todas ellas pueden dividirse en dos grupos, dependiendo de las condiciones que necesitan para producir los PHAs. El primer grupo, donde encontramos a Cupriavidus necator, lo forman microorganismos que necesitan que precisan escasez de nutrientes y alta disponibilidad de carbono. Con respecto al segundo grupo, este no necesita de una situación de escasez, ya que son capaces de acumularlo en grandes cantidades durante su etapa de crecimiento.

GRUPO 1: Limitación de nutrientes

Para realizar un cultivo con las bacterias del primer grupo necesitamos un proceso dividido en 2 etapas: la primera de ellas tiene como objetivo obtener la biomasa necesaria para la producción, por lo que no existe limitación de nutrientes; la segunda etapa comienza una vez alcanzada la biomasa requerida, alguno de los nutrientes esenciales está limitado, promoviendo que las bacterias sinteticen el polímero (lo acumulan en gran cantidad formando esos gránulos tan llamativos).

GRUPO 2: Sin limitación de nutrientes

En el segundo grupo la estrategia que se sigue para obtener el bioplástico consiste en una única etapa, sin limitación de nutrientes. Los microorganismos disponen de ellos en grandes cantidades en el medio de cultivo, lo que les permite mejorar su rendimiento y aumentar de tamaño.

Obtención, proceso industrial

Una de las primeras empresas en tratar de producir el bioplástico en masa fue ICI, una empresa inglesa. Para el proceso de producción finalmente se decidieron por Cupriavidus necator, que lo sintetiza en dos etapas. El cultivo tiene a su disposición glucosa y fosfato limitado, suficiente para alcanzar una biomasa considerable y pasar a la segunda etapa, en la que las bacterias comienzan a almacenar el bioplástico. A la hora de recuperar el polímero empleamos metanol caliente para retirar los restos celulares (lípidos, fosfolípidos, etc.), y se extrae el PHB con cloroformo o cloruro de metileno. Por último, se filtra la mezcla, se enfría y precipita, luego es secada al vacío. 

Tras diversas pruebas, finalmente se determinó que para obtener 1g de PHB con la cepa de la bacteria empleada, eran necesarios 3g de glucosa para permitir su desarrollo y proporcionarle la fuente de carbono para formar el plástico.

Una propiedad muy importante, a parte de su relativamente sencillo proceso de obtención, es el hecho de que es un plástico completamente biodegradable. A pesar de la gran cantidad de monómeros posibles capaces de conformar los polihidroxialcanoatos, existen diversas bacterias, e incluso hongos, capaces de degradarlos bajo cualquier condición y sin generar ningún tipo de residuo tras el proceso. Mediante las reacciones de hidrólisis citadas anteriormente en las que participan las PHB depolimerasas de esos microorganismos, se produce la ruptura del bioplástico (que se emplea como fuente de energía dentro de la bacteria descomponedora). Este proceso tiene lugar a una velocidad considerable, que depende de diversos factores (pH, temperatura, dimensión del polímero, etc.).

¿NOS AGUARDA UN FUTURO CON ELLOS?

A día de hoy, tener a nuestra disposición este polímero totalmente biodegradable y que no genera residuos con su producción, nos permitiría llevar un estilo de vida mucho menos dañino para el planeta, puesto que todos aquellos problemas que encontramos con la producción y degradación de los plásticos tradicionales desaparecerían.

Presentan muchas aplicaciones y gracias a sus diversas propiedades pueden ser utilizados en campos muy diversos, como en: farmacia, industria, agricultura, medicina o incluso como materias primas. Es por ello, que tratamos de producirlo en masa y de la forma más económica posible, intentando buscar microorganismos capaces de producirlos, empleando para ello residuos de las propias industrias en algunos casos, como sustrato en el proceso de síntesis. “Biocycle”, una empresa brasileña, es una de las que empleó los residuos de su propia producción como sustrato, en el año 2001. 

Actualmente los científicos investigan a fondo la estructura molecular de la PhaC, enzima sin la cual este proceso no tendría lugar, con el fin de conseguir modificar molecularmente el bioplástico para otorgarle funciones mucho más específicas y amplias. Y aunque queda un largo camino por recorrer en cuanto a la investigación sobre estos aspectos, los PHAs nos acercarían un paso más hacia una sociedad sostenible, en la que los residuos generados sean mínimos y lo menos contaminantes posibles. Desgraciadamente, por el momento, se sigue sin poder hacer competencia al plástico tradicional, sobre todo en el ámbito económico.

BIBLIOGRAFÍA

Redactado por María Arrondo Sánchez y Carolina Amil Zamorano

INTRODUCCIÓN

La hexoquinasa es una enzima transferasa (D-hexose-6-phosphotransferase), del grupo de las quinasas, encargada de fosforilar hexosas. Sin embargo, presenta mayor afinidad por la glucosa, puesto que la Km de esta es menor que la de otras hexosas como la fructosa. Esta proteína presenta cuatro isoformas, que han ido surgiendo de forma gradual. En dicho proceso de evolución ocurren determinados cambios que son claves en la estructura y que han permitido que la hexokinasa en dos de sus isoformas se oligomerice. La estructura de la proteína va a contar con dos dominios de unión a los sustratos (glucosa y ATP) y su actividad va a estar regulada alostéricamente mediante un mecanismo de ajuste inducido provocado por la propia glucosa. 

Así mismo, esta enzima va a presentar un papel clave en el cáncer. En este artículo se abordará el normal funcionamiento de la hexokinasa así como su papel tumoral por diferentes vías, profundizando, además, en posibles estudios futuros y nuevos campos que se abren en la investigación contra el cáncer que emiten un rayo de esperanza en el estudio biomédico.

PAPEL BIOLÓGICO

La Hexokinasa participa en la primera reacción irreversible de la glucólisis, que es la primera etapa del metabolismo de la glucosa. Tras hidrolizar el ATP, transfiere el grupo fosfato a la glucosa, para dar glucosa-6-fosfato (G6P), y así manteniendo el gradiente de glucosa que permite que haya un flujo de la misma mediado por los transportadores GLUT. La G6P es un inhibidor competitivo del ATP, por tanto se trata de un fenómeno de feedback negativo, en el que el mismo producto regula alostérica y negativamente su reacción de síntesis.  Además, el grupo fosfato (Pi) liberado de la hidrólisis del ATP puede antagonizar la inhibición de G6P o sumarse al efecto inhibidor, según la isoenzima que haya llevado a cabo la reacción. 

El producto (G6P) puede seguir varias rutas o vías celulares y funcionales:

• Metabolismo catabólico: se introduce la glucosa en la glucólisis, para llevar a cabo un metabolismo oxidativo y obtener energía. 
• Metabolismo anabólico: la G6P es destinada a la vía de las pentosas fosfato, para sintetizar NAPDH y Ribulosa-5-Fosfato; o puede ser convertido a sus formas poliméricas (glucógeno), mediante la gluconeogénesis.

ESTRUCTURA

La estructura de las Hexokinasas más comunes (las isoformas I, II y III) cuenta con dos lóbulos muy similares de unos 50KDa cada uno. Algunas de ellas, como la HK I, son monoméricas, pero cuando se une a la membrana externa de la mitocondria se oligomerizan.  De esta manera, la Hexokinasa cuenta con dos dominios principales, uno regulador y otro catalítico. La estructura dimérica y por tanto cuaternaria está presente en todas las isoformas salvo en la IV, que es la más ancestral.

El dominio N-terminal se considera el dominio regulador en las isoenzimas I y II, y contiene el motivo de unión a la mitocondria. Además, está unido al dominio C-terminal (que es el dominio catalítico) a través de una hélice alfa. Ambos dominios presentan sitios de unión con la glucosa, G6P y ATP, y la inhibición de G6P en el dominio regulador se contagia al dominio catalítico por medio del contacto por la hélice alfa entre los dominios. La estructura terciaria de la hexoquinasa se basa en un plegamiento alfa/beta abierto. El dominio de unión al ATP está compuesto por cinco láminas beta y tres hélices alfa en el cual cuatro de las láminas beta son paralelas y una es antiparalela. Por otro lado, la hexoquinasa requiere de iones de magnesio para poder llevar a cabo la actividad catalítica. El magnesio (Mg2+) va a ser el cofactor de la enzima y se encuentra formando un complejo con el ATP (MgATP2-), que estabiliza la catálisis y reduce la energía de activación de la reacción.

EVOLUCIÓN

Todas las isoenzimas de la Hexokinasa provienen de una Hexokinasa de 50 kDa, susceptible a la inhibición por el producto G6P, por tanto, todas las isoenzimas presentan esta característica. A partir de la duplicación y fusión del gen que codificaba esta forma ancestral, surgieron las isoenzimas I, II y III, que ya son moléculas de 100kDa.

La isoforma más próxima evolutivamente a la Hexokinasa original es la Tipo IV, que no sufrió la duplicación y fusión génica. Una vez que esto ocurrió, la segunda isoenzima que apareció fue la Hexokinasa II, que mantiene la actividad catalítica en ambos extremos terminales de la proteína, al igual que la Hexokinasa ancestral.

Una consecuente duplicación tuvo como resultado la aparición de la isoforma III. Posteriormente, las mutaciones de genes que codificaban la Hexokinasa 100 kDa, produjeron que el extremo N-terminal se diferenciara funcionalmente, perdiendo la actividad catalítica, y adquiriendo una función reguladora (con un sitio de unión para el inhibidor G6P). Esta diferenciación dio lugar a las en las Hexokinasas I y III. 

Además, en las HK I y II, el extremo N-terminal presenta un dominio hidrofóbico que permite a estas integrarse en la membrana de la mitocondria. Concretamente, se unen a las porinas (VDAC) de la membrana mitocondrial externa, las cuales interaccionan con los ANT (Translocadores de Nucleótidos de Adenina).  Esto es esencial para el mecanismo enzimático de la HK, puesto que es el sitio de salida del ATP producto de la fosforilación oxidativa (que usará la HK), y el sitio de entrada del ADP resultante de la reacción enzimática de la hexokinasa. Por tanto, existe una coordinación entre la introducción de la glucosa al metabolismo glucolítico y las últimas etapas de este en la mitocondria (la fosforilación oxidativa), para que se den a un ritmo adecuado a las necesidades celulares. 

Hay cuatro isoenzimas de la Hexokinasa (HK) en los tejidos de mamíferos, con una estructura similar, pero expresión en diferentes tejidos:

• HEXOKINASA I (HKI)

Fundamentalmente en el cerebro, donde la tasa metabólica es muy exigente, pero expresada de manera general. 

• HEXOKINASA II (HKII)

Más limitada en su expresión, aparece en tejidos sensibles a insulina, como es el caso del tejido adiposo y el músculo esquelético. En el músculo, es necesaria una alta tasa de glucólisis, y por tanto, lo que ocurre es que esta isoforma presenta una gran afinidad por la glucosa (menor Km), para que con concentraciones muy bajas de glucosa, se alcancen altas velocidades de la enzima.

La insulina aumenta la actividad de esta isoforma, induciendo la transcripción del gen que la codifica, y de esta forma, favoreciendo la metabolización y eliminación de glucosa. Por esta razón, en los individuos con diabetes de tipo II, la expresión de la HKII se ve  reducida, acentuando la hiperglucemia.

Al igual que la isoenzima Tipo I, incluye un dominio hidrofóbico en el extremo N-terminal que permite que se inserte en la membrana externa mitocondrial, y también usa ATP intramitocondrial.  

Cabe destacar su predominancia en células tumorales, puesto que estas se caracterizan por presentar un aumento anormal del metabolismo, en el que la reacción que lleva a cabo la Hexokinasa es esencial para la obtención de energía.

• HEXOKINASA III (HKIII)

A diferencia de las dos isoenzimas anteriores, la Hexokinasa III no está unida a la mitocondria, puesto que carece del dominio hidrofóbico en el extremo N-terminal. Se piensa que se expresa en el citoplasma, o que incluso tiene una localización perinuclear, en células del hígado.

• HEXOKINASA IV (HK IV)

En hepatocitos y células beta pancreáticas, y es conocida como glucoquinasa. La G6P que produce está destinada a la síntesis de glucosa. Esto es un proceso que se lleva a cabo cuando la cantidad de sustrato (glucosa) es alta, por tanto, tiene sentido que esta isoenzima presente una mayor Km, porque necesitará altas concentraciones de glucosa para realizar la reacción a una velocidad alta.

MECANISMO

La hexoquinasa sufre un cambio conformacional que es regulado por la propia glucosa que va a ser esencial para la catálisis. En este proceso se observa que la superficie en contacto con el solvente del complejo hexoquinasa-glucosa es más pequeña que la hexoquinasa nativa.

Utilizando dicho  cambio en el área de superficie que se encuentra expuesta se ha podido estimar la contribución hidrofóbica a los cambios de energía libre tras la unión de la glucosa. De esta manera se descubre que el efecto hidrofóbico por sí solo favorece la conformación activa de la hexoquinasa en presencia y ausencia de azúcar. La estabilidad observada de la conformación inactiva de la enzima en ausencia de sustratos puede resultar de una deficiencia de interacciones complementarias dentro de la cavidad que se forma cuando los dos lóbulos se unen.

El cambio conformacional que sufre la hexoquinasa mantiene la estructura terciaria prácticamente igual excepto por un gran cambio en la orientación de los dos lóbulos. Para demostrar este cambio lo que se hizo fue superponer los carbonos alfa de cada lóbulo usando un procedimiento de mínimos cuadrados y tratando a los carbonos como cuerpos rígidos. Esta superposición mostró que cada lóbulo se comporta como un cuerpo rígido durante el cambio conformacional entre la forma nativa de la proteína y el complejo con la glucosa. 

Tal y como venimos viendo, la superficie accesible de la hexoquinasa se reduce cuando se une la glucosa para formar el complejo enzima-sustrato (ES) y se reduce aún más por el cambio a E’(inactiva)-S. Por lo tanto, se puede esperar que las fuerzas hidrofóbicas favorezcan la conformación activa en presencia de azúcar, asumiendo que todos los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno están satisfechos en E’-S. Sin embargo, el área superficial también se reduce cuando la conformación activa se forma en ausencia de azúcar (E’ – E). Sin embargo, debido a que hay menos de un factor de dos diferencias entre los cambios en la superficie accesible para las transiciones E-S → E’-S y E’-E, el efecto hidrofóbico no puede explicar la gran diferencia en las constantes de equilibrio conformacional K2 y K3 en presencia y ausencia de azúcar.

Otra cuestión que surge es por qué la enzima no permanece en el estado activo, E, en ausencia de ligandos sabiendo que el efecto hidrófobo, de manera individual, predice que la estructura E debería ser más estable. La respuesta a esta pregunta reside en que cuando la enzima carece de la presencia de la glucosa contiene una cavidad en la que entran las moléculas de agua y donde quedan encerradas. Además, tanto los puentes de hidrógeno como las fuerzas de Wan der Waals contribuyen muy poco a la estabilidad de la proteína y del complejo proteína-ligando. El hecho de no obtener estas interacciones complementarias dentro de la cavidad daría como resultado entalpías desfavorables causadas por la pérdida de los puentes de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals en relación con los que se producen en la estructura abierta. También puede haber alguna pérdida de entropía traslacional al atrapar una pequeña cantidad de moléculas de agua en la cavidad.

Presuntamente, el agua misma desestabiliza la forma activa mediante la creación de interacciones favorables con la estructura abierta inactiva. Solamente el ligando correcto puede proporcionar las fuerzas de Van der Waals y los puentes de hidrógeno necesarios para que se active la estructura.

Con ello, concluimos que hay al menos dos posibles funciones para el cambio conformacional inducido por la glucosa: permitir un «mecanismo de acogida»  o proporcionar especificidad.

PAPEL BIOMÉDICO: HEXOKINASA II EN CÁNCER

El metabolismo de las células tumorales se caracteriza por una alta actividad glucolítica: metabolizan anaeróbicamente grandes cantidades de glucosa en ácido láctico, incluso en presencia de oxígeno, aumentando la velocidad de la glucólisis y de la síntesis de ATP. Esto es lo que se conoce como el efecto Warburg. Por tanto, la actividad de cualquier enzima glucolítica como la HK será esencial en un tumor. 

La Hexokinasa II aparece sobreexpresada en células tumorales, satisfaciendo estas altas velocidades de la glucólisis. La introducción de la glucosa en el metabolismo glucolítico es crucial para la producción de energía, y la síntesis de precursores de nucleótidos (derivados de glucosa) por la vía de las pentosas fosfato, destinados a la síntesis de ADN para la proliferación del tumor.

La regulación por AKT de la HKII es el factor determinante para que esta isoforma sea la esencial en el metabolismo tumoral, puesto que controla la unión de esta a la mitocondria, y con ello, fija la función de la HK, que varía en función de si aparece unida a la mitocondria o no. 

Con el objetivo de crecimiento del tumor, y cuando hay disponibilidad de nutrientes, AKT une la HKII a la mitocondria (fosforilando su residuo Thr-473), conectándola con VDAC. Esto le permite a la enzima tener un acceso privilegiado al ATP que sintetiza la mitocondria, y  la célula sigue un metabolismo de proliferación y de producción de energía, mediante la glucólisis. 

La HK II mitocondrial, además, lleva a cabo una función protectora en tumores con acceso a  nutrientes, promoviendo la supervivencia celular: inhibe a los miembros pro-apoptóticos de la familia Bcl2, e introduce la G6P en la ruta de las pentosas fosfato, cuyos productos son antioxidantes que reducen las ROS (especies reactivas de oxígeno). 

Sin embargo, en una situación de isquemia, en la que no llegan suficientes nutrientes y oxígeno a la célula, disminuye la actividad de AKT y HKII mitocondrial, aumentando la HKII citoplásmica. Entonces, esta isoforma se une a mTORC (mediante el motivo TOS), inhibiéndola, e induciendo la vía autofágica, y la conservación de energía y homeostasis en ausencia de glucosa, pensando en el “bien mayor” del tumor.

Esta regulación por AKT posibilita esta compleja acción de la HKII, que puede ser proapoptótica (HKII citoplásmica) o antiapoptótica (HKII mitocondrial), según la disponibilidad de recursos. Sin embargo, AKT no regula la HKI, ya que esta no presenta una secuencia de consenso para esta enzima, y por ello, esta isoenzima no se encuentra prevalentemente en tumores. Además, la HKI no puede satisfacer la alta demanda energética, al perder la actividad catalítica en el extremo N-terminal.

Según todas las vías beneficiosas para el tumor mencionadas anteriormente en las que participa la HKII, la eliminación de esta isoforma perjudicaría a la progresión del tumor, por lo tanto, es un frente esperanzador en terapias oncogénicas. Lo ideal sería encontrar un modo de inhibir únicamente esta isoforma, pero es difícil puesto que todas ellas son bastante similares.

La inhibición de la HKII en células cancerosas puede darse por p53, o por un sustrato análogo a la glucosa, la 2-desoxiglucosa, que favorece la apoptosis. Una combinación de estos dos factores podría ser favorecedora. Otro posible campo a investigar sería la inhibición de la HKII por fosfato inorgánico, que sensibiliza la inhibición por G6P en esta, pero la antagoniza en HKI. Incluso, una alternativa más podría ser el uso de determinados péptidos que desplazaran la HKII de la mitocondria. Este desplazamiento parece producir un aumento de la concentración de Ca2+ citosólica, lo que abriría poros en la membrana mitocondrial e induciría a la célula a apoptosis.

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Redactado por María Arranz Burón.

INTRODUCCIÓN 

La Piruvato quinasa (PK) es una enzima que se encuentra al final de la ruta metabólica conocida como glucólisis y su función es permitir la salida del piruvato a la siguiente vía metabólica con el fin de obtener energía. Para entender la relevancia de esta molécula, quizás es conveniente explicar de forma concisa el recientemente popular término, conocido como “metabolismo”.  

El metabolismo, al que hacen referencia desde dietistas y entrenadores hasta profesores de bioquímica, es quizás un proceso que para el ciudadano de a pie resulta abstracto en su relación con la ingesta de comida. Brevemente, se trata de un conjunto de reacciones que consisten en tomar una molécula grande (glucosa) con alto potencial energético y dividirla en paquetes más pequeños (piruvatos, en el caso de la glucólisis) con el fin de distribuir la energía por los distintos sistemas celulares y permitir que los organismos vivos se sigan considerando como tales. Esa glucosa, llega a las células por medio de la alimentación y se convierte en energía química útil mediante las distintas rutas metabólicas. De modo, que el correcto funcionamiento de la PK, es fundamental para que estos pequeños paquetes se introduzcan en la siguiente ruta metabólica (el ciclo de Krebs) que se encargará de distribuir la energía.  De hecho, modificaciones de esta molécula podrían degenerar en condiciones tan serias como el Cáncer o el Alzheimer, dado que impediría que la energía alcanzase los destinos pertinentes. 

PAPEL BIOLÓGICO 

El rol que asume la PK a nivel biológico se traduce a la función que tiene por ejemplo el personal de seguridad a la entrada de un museo. Éste, en caso de que el turista no presente ninguna irregularidad (posesión de armas, comida, etc), procede a concederle la entrada al establecimiento; del mismo modo la PK permite el acceso al piruvato a la siguiente ruta, siempre que no suponga una amenaza contra el correcto funcionamiento de la célula. Al tratarse la PK de una quinasa, esto la convierte en una molécula con la capacidad de fosforilar (añadir grupos fosfato a otras moléculas). De modo que para concederle el acceso a la siguiente ruta, la PK retira los fosfatos de las triosas procedentes de la glucosa y los añade a moléculas de ADP, dando lugar a ATP (que es una molécula que transporta energía). Como resultado de este proceso, se sintetizan dos piruvatos, a los que finalmente les será concedido el acceso al ciclo de Krebs. 

La PK en humanos, aparte de la función biológica general descrita anteriormente, también tiene una serie de isoformas cuya función e importancia biomédica es más específica. Las cuatro isoformas de la PK (PKM, PKK, PKR, PKL) fueron descubiertas en 1965 y reciben su nombre a partir del nombre tejido donde se encuentra cada una. La PKM (actualmente denotada como PKM1) se encuentra en los tejidos musculares (muscle, M) del corazón y en el cerebro, la PKK (actualmente denotada como PKM2) se encuentra en los tejidos de los riñones (kidneys, K), el intestino y las células cancerosas; la PKR en el tejido sanguíneo (red blood cells, R) y la PKL en el tejido del hígado (liver, L) y en los riñones también. La diferenciación (que ocurre tras la fase fetal, ya que todas provienen de la isoforma PKM2) favorece la aparición de patologías mucho más especializadas debido a ligeros cambios en la conformación proteica. 

ESTRUCTURA Y CÓMO FUNCIONA 

• Desglose estructural 

Para entender el papel que desempeña la PK es fundamental comprender su estructura, dado que de ésta dependerá el funcionamiento de la misma. ¿Qué constituye a la PK? La piruvato quinasa es una proteína conformada por 531 aminoácidos que dan lugar a un tetrámero, cuyas cuatro subunidades son iguales. Éstos están organizados en motivos de hélices alfa, láminas beta y bucles.  

Estas subunidades se organizan a su vez en tres grandes dominios rotulados como A, B y C junto con un dominio N-terminal. El dominio A está conformado por un barril TIM α₈/β₈ cuyo centro activo se ubica entre el dominio A y el B, éste es además el dominio más grande de la subunidad. El dominio B sin embargo es móvil y bloquea el centro activo una vez que se le une el sustrato ADP-Mg²⁺. Finalmente, el dominio C contiene la fructosa-1,6-bifosfato (FBP) que es un potente activador alostérico.  

Esto significa, que a través de la unión de la FBP al dominio C, se facilitará la unión del fosfoenolpiruvato (PEP) que es fundamental para la regulación de la actividad de la PK, ya que ésta depende de la afinidad con el PEP. En ausencia de activadores alostéricos como la FBP, la PK tiene poca afinidad con el PEP. O sea, si la PK fuera un niño pequeño y su voluntad para realizar los deberes fuera análoga a la actividad de la quinasa, éste necesitaría una motivación para realizarlos. Si se impone la condición de recibir un caramelo a cambio de la tarea, éste cumplirá. De igual forma si la PK presenta la FBP unida al dominio C, ésta aumentará su afinidad a la PEP alterando su actividad. Además, la unión de FBP estabiliza la molécula en estado activo y promueve la tetramerización. Cabe destacar, que todas las isoformas de la PK se unen con la FBP exceptuando la PKM1 que debido a una discrepancia estructural es suficientemente estable por si sola (siendo además insensible a los moduladores alostéricos) y no presenta ni la región de unión a la FBP ni el interfaz dímero-dímero debido a éstas se expresan en los exones específicos de las isoformas. 

Otro detalle que cabe mencionar de la estructura de la PK es su capacidad de unión a cofactores (K⁺ y Mg ²⁺) cuya intervención en la activación de la molécula es esencial. En el caso del Mg ²⁺, se ha mencionado que está involucrado en bloquear el acceso al centro de activo (gracias al cambio conformacional que desplaza al dominio B) cuando éste forma un complejo de sustrato al unirse al ADP (formando el sustrato ADP-Mg²+). En el caso del K⁺ sin embargo, se ha observado que ante su presencia, el mecanismo cinético de la PK se mantiene desordenado (forma natural), esto supone que favorece la forma activa de la PK y permite que se unan el PEP o el complejo ADP-Mg²⁺ de forma independiente (mecanismo aleatorio). En ausencia de K+, por el contrario, el ADP no se pude unir al centro activo hasta que el PEP no haya terminado de formar un centro activo completamente funcional. De forma, que se deduce que el K⁺ es el encargado de inducir el cierre del centro activo y de que los residuos encargados de la unión al nucleótido adopten la conformación correspondiente. 

• Función ¿Qué hace?

Entonces, ¿Qué función tiene? Una vez conocida la estructura, es posible dilucidar qué función lleva a cabo, y cómo. La función catalítica de la PK consiste en fosforilar moléculas, debido a su condición de quinasa; en concreto, moléculas de ADP a partir de moléculas de PEP de la etapa anterior de la glucólisis. Todo ello para dar lugar a dos productos. Por un lado, piruvatos estables a partir de sus precursores PEP y por otro, obtener energía en forma de moléculas de ATP a través de la fosforilación del ADP. De modo, que el nombre surge del producto (piruvato) + tipo de enzima (quinasa). Para ello, al centro activo del dominio A se unen el PEP y el complejo ADP-Mg²⁺ dado que los cationes de Mg²⁺ median y facilitan la transferencia del grupo fosfato del PEP al ADP dando lugar al ATP y a los piruvatos. Todo ello es posible debido a la alta energía que libera PEP al ser hidrolizada. Al perder el fosfato, el PEP pasa a su forma de enolpiruvato que es menos estable, de modo que se llevará a cabo un proceso de tautomerización que consiste en que el enolpiruvato acepte un protón procedente de una molécula de agua convirtiéndose así en un piruvato estable y favoreciendo la fosforilación del ADP. 

En cuanto a la capacidad alostérica de la PK, aparte de la FBP, que favorece la unión del sustrato PEP, hay otras moléculas que alteran la actividad de la enzima. Por ejemplo, un inhibidor alostérico de esta enzima (PKM1,  PKM2) sería la fenilalanina (Phe) cuya unión supone la disminución de afinidad con la PEP mediante la estabilización de la estructura inactiva de la PK. El lugar de unión de Phe también puede albergar a la alanina que actúa como inhibidor, pero solo ante la isoforma PKM2, y esto lo lleva a cabo favoreciendo la conformación dimérica, contraria a la tetramérica a la que se une FBP. A pesar de que en presencia de concentraciones normales de FBP la inhibición de la alanina queda mitigada. La serina sin embargo, también puede ocupar este centro de unión, pero con función activadora no inhibidora, en la PKM2. Dejando a un lado los aminoácidos, hormonas ,como la hormona tiroidea triyodo-L-tironina (T3), actúan también como inhibidor alostérico favoreciendo la conformación monomérica inactiva de la PK. Mientras que el oxalato puede actuar como activador de la PK mediante su interacción con el centro activo por ser análogo al enolpiruvato, en caso de que la concentración de PEP sea baja. 

¿PORQUÉ PODRÍA ACABAR CONTIGO?

• EL PELIGRO RESIDE EN LA ISOFORMA 

Las isoformas de una proteína son proteínas que provienen del mismo gen que la proteína original, dicho gen se duplica y comienza a acumular mutaciones para dar lugar a las distintas isoformas. En el caso de la PK, tras este proceso de duplicación y modificación  por mutaciones se han obtenido 4 isoformas distintas: PKM1, PKM2, PKR y PKL. La importancia de las isoformas recae en que a pesar de realizar la misma función que la proteína inicial, cada una presenta ligeramente distintas: propiedades cinéticas, estructurales, de regulación o de localización en la célula. Estas ligeras diferencias atienden a las necesidades metabólicas del tejido al que pertenecen. O sea, las modificaciones que sufra PKL (L hace referencia a liver, hígado en inglés) afectarán en principio al hígado dado que la estructura de la PKL ha resultado ser la más eficaz a la hora de catalizar las reacciones que precisa este órgano. A pesar de esto, existe una isoforma que destaca en su implicación en numerosas patologías inflamatorias (como la Sepsis, IBD o Arterosclerosis) o enfermedades como el Cáncer o el Alzheimer. Ésta es la PKM2. 

• PKM2 Y UN COMPENDIO DE LO QUE PUEDE SALIR MAL 

• PKM2 en el Cáncer  

Ante el desarrollo de células neoplásicas, la PKM2 tiene un comportamiento que podría clasificarse como moonlighting. Esto se debe a que en condiciones normales la PK transforma PEP en piruvato y este sigue la ruta metabólica normal hacia el ciclo de Krebs, mientras que, ante una situación de estrés, como puede ser el desarrollo de células cancerígenas, ésta altera su forma tetramérica natural y pasa a su forma dimérica. Al dimerizarse  mediante la fosforilación de su tirosina 105 la proteína deja de realizar su función natural y divierte el proceso de la glucólisis hacia la síntesis de metabolitos necesarios para la síntesis de serina. Esto se debe a que dicho aminácido regula a mTORC1 ( mammalian target of rapamacyn complex 1), que es fundamental para favorecer la proliferación celular, característica de las células cancerígenas. Otra de las modificaciones que sufre, es la acetilación de su lisina 305, junto con la oxidación de su cisteína 358 que provoca una alteración en la ruta de la glucólisis haca la PPP (pentose phosphate pathway, vía de la pentosa fosfato) que favorece la síntesis de nucleótidos para sufragar los efectos de la interrupción de la ruta glucolítica.  

Estas modificaciones de la PK se conocen como el efecto Warburg o Glucólisis Aeróbica. El efecto Warburg supone que las células cancerígenas conviertan el piruvato en lactato, disminuyendo su producción de ATP. La disminución de síntesis de ATP se soluciona mediante los procesos mencionados anteriormente, mientras que el aumento de lactato supone la aparición de un ambiente tumorigénico dado que es excretado, reduciendo así el pH extracelular (esto favorece las condiciones para la proliferación celular) y provocando inflamación. El aumento de lactato también se utiliza para acceder a un recurso de energía alternativo, como es la glutamina. Esto es posible, dado que se disminuye la entrada de piruvato en el ciclo de Krebs, por lo que comienzan a introducirse metabolitos de glutamina en su lugar y aumenta por lo tanto la síntesis de lípidos y aminoácidos. Finalmente, la PKM2 es translocada al núcleo donde se une a HIF1-α (hypoxia-inducible factor-1 alfa) promoviendo la transactivación de HIF1 que favorece la aparición de un ambiente tumorigénico y la desviación de la glucólisis hacia la vía de la pentosa fosfato.  

• PKM2 en el Alzheimer 

Debido a que el origen y funcionamiento del Alzheimer todavía no se ha esclarecido, se están explorando nuevas vías de investigación. Entre ellas, destacan factores como el estrés oxidativo, fallos en el transporte y metabolismo de la glucosa, y la inflamación. Dado que la piruvato quinasa juega un papel central en el metabolismo de la glucosa, su función se ve afectada por la enfermedad. Como consecuencia de la alteración de la ruta metabólica de la glucosa (debida a la acumulación de β-amiloides), se da la inactivación HIF1-α lo que supone que la PKM2 en dímero no puede unirse a ella, quedando inhibida. Otra forma en la que la PKM2 queda inhibida (en presencia de esta enfermedad) es mediante la inactivación o la regulación insuficiente de PPIasa (peptidil-prolil cis-trans-isomerasa) o la elevada concentración de ROS (especies reactivas de oxígeno), ya que ambas impiden la translocación de la PKM2 al núcleo, y consecuentemente esta no se une a HIF1-α, dando lugar en este caso a un desequilibrio en el metabolismo mediante una cascada de PEP. Respecto al papel de la PKM2 en la respuesta inflamatoria, la PKM2 regula la respuesta de los macrófagos, que son esenciales a la hora de retirar los amiloides para evitar la formación de placas. Esto se debe a que ante la inflamación, los macrófagos adoptan un fenotipo que favorece la síntesis de ATP y se ha observado que algunos incluso activan la Glucólisis Aeróbica (efecto Warburg), que se da cuando hay una sobreactivación de la PKM2. La Glucólisis Aeróbica mediada por PKM2 también promueve la activación de inflamasomas mediante la fosforilación de EIF2AK2 (factor 2 de iniciación de traducción de la α quinasa 2). Por otro lado, mediante la interacción con HIF1-α se promueve la transcripción de genes que activan la glucólisis en macrófagos. Finalmente, la PKM2 también es responsable de la glucólisis de la α-sinucleína que es una proteína presináptica asociada a la fisiopatología del Alzheimer. 

• PKM2 en diversas enfermedades inflamatorias 

La respuesta inflamatoria, como se ha expuesto en los dos casos anteriores, requiere de un alto consumo de energía. Células del sistema inmune, como los macrófagos, activan mecanismos similares al denominado efecto Warburg en el cáncer para aumentar la síntesis de energía y poder responder de manera eficaz. Esto está íntimamente relacionado con la glucólisis por lo que la implicación de la PK es crucial. En el caso de la Sepsis la implicación de la PKM2 en la glucólisis anaeróbica que adoptan las células bajo la patología supone un perjuicio para la supervivencia del individuo. Esto se ha observado tras inhibir su actividad comprobando que de este modo también quedaban inhibidas moléculas como el inflamasoma NLRP3 y HMGB1 (proteína de alta movilidad del grupo 1) cuya represión favorece la supervivencia del individuo. En el caso de la Arterosclerosis se ha observado que la inhibición de PKM2 en linfocitos B y T favorece la atenuación de la inflamación. Esto está unido a que parte de los productos que se sintetizan durante la glucólisis aeróbica (adoptada por las células del sistema inmune bajo condiciones de estrés) producen inflamación como se expone en la segunda imagen de la PKM2 en el cáncer. Incluso en la IBD (enfermedad inflamatoria de Bowel) la PKM2 se está valorando como posible bioindicador de la enfermedad según estudios recientes. Una vez más, la supresión de la PKM2 favoreció el control sobre la inflamación ya que en su versión nuclear dimérica contribuye a la adaptación de las necesidades metabólicas de los linfocitos. Esto significa que la presencia (en muestras) de esta proteína en estado dimérico podría ayudar a identificar la enfermedad. También cabe mencionar, que se ha observado que la PKM2 regula a Bcl-xL impidiendo la apoptosis de las células del epitelio intestinal.

• REFERENCIAS 

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Por: Aitor Gil Iglesias, Milagros González Flores y Álvaro Mellado Cuesta

1.Introducción

Seguramente todos nosotros hemos leído que el actor Chris Hemsworth, más conocido como Thor en su papel dentro de la saga de Marvel, ha decidido retirarse del cine temporalmente al haber descubierto que tiene muchas posibilidades de desarrollar Alzheimer. Este hallazgo fue conocido por el actor cuando se encontraba rodando el documental “Limitless” para National Geographic al realizarse una prueba genética por la cual trataba de estudiar cómo su físico se vería afectado con el paso de los años. Sin embargo, estos estudios, que en un primer momento trataron de analizar el estado físico del actor, acabaron revelando la posibilidad de desarrollar Alzheimer al presentar dos copias del gen ApoE4 que hace que su riesgo de padecerla sea entre 8 y 10 veces más. Ahora bien, ¿qué es el Alzheimer y por qué es tan importante este gen en su desarrollo?

2.-¿Qué es el Alzheimer?

El Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa lentamente progresiva que se caracteriza por la pérdida de memoria de manera gradual. En ella también se describen otros síntomas como demencia irreversible y afectación global del resto de las funciones cognitivas (pensar, razonar…) que conllevan a un deterioro progresivo y que afectan al funcionamiento laboral y social.

Cabe destacar que la progresión de la enfermedad a nivel cerebral es la misma en todos los pacientes. Comienza en el neocórtex basal temporal, avanza hacia el hipocampo y se extiende por todo el neocórtex. 

La mayoría de los casos aparecen a partir de los 70 años (“late onset”) , aunque puede haber una aparición temprana en menores de 60 (“early onset”). Afecta a alrededor de 50 millones de personas en el mundo y el principal factor de riesgo es la edad. 

La early onset es autosómica dominante y hereditaria y, aunque la mayoría suceden como consecuencia de mutaciones esporádicas sobre el gen de la apolipoproteína (APOE, cromosoma 19), otros casos se deben a mutaciones en los genes que codifican para la proteína precursora amiloide (APP, cromosoma 21, por ello, las personas con Síndrome de Down, trisomía del 21, son más propensos a desarrollar la enfermedad de Alzheimer), para la presenilina 1 (PSEN1, cromosoma 14) y para la presenilina 2 (PSEN2, cromosoma 1).  

No obstante, algunos otros factores de riesgo que podrían estar implicados son las enfermedades vasculares, infecciones, factores ambientales y lesiones encefálicas.

3.Etiopatología

Bioquímicamente, esta enfermedad se produce como consecuencia de dos elementos neuropatológicos: las placas seniles o placas Aβ y los ovillos neurofibrilares (NFT), esenciales para entender cómo se desarrolla el Alzheimer.

3.1.-¿Qué son las placas seniles?

Estas consisten en acumulaciones extracelulares de la proteína beta-amiloide (Aβ) anómala que en principio no es tóxica pero que se agrega con otras proteínas beta-amiloide anómalas hasta formar oligómeros tóxicos que precipitan y se depositan como placas amiloides insolubles y que son realmente tóxicas.

Su síntesis tiene lugar por medio de la proteína precursora amiloidea (APP) cuyo gen se encuentra localizado en el cromosoma 21. Esta, es una proteína transmembrana que contiene una región amino-terminal extracelular larga y una región carboxilo terminal intracelular más corta que se sintetiza en el retículo endoplasmático, se glicosila en el aparato de Golgi  y por medio de vesículas se inserta en la membrana celular. 

Una vez en la membrana celular, esta proteína puede ser procesada fisiológicamente por medio de dos vías:

1. Vía no amiloidogénica (90% de los casos): por medio de esta vía, la proteína APP es escindida por la enzima α-secretasa en un fragmento extracelular soluble neuroprotector (SAPPα, Soluble APPα) compuesto por 665 aminoácidos. Posteriormente la región no escindida que ha quedado insertada en la membrana, es procesada por la enzima γ-secretasa, quien se encarga de liberar la región C-terminal para posteriormente poder ser degradada. De esta manera, se libera al medio extracelular un péptido de 36-40 aminoácidos denominado P3, que no es neuroprotector, pero tampoco patógeno. El fragmento restante C-terminal se desprende hacia el citosol y se denomina AICD (Amyloid Intracellular Domain), que se degrada enseguida. Este proceso es constitutivo (APP tiene una vida media de 1h) y fundamental para el funcionamiento neuronal.
2. Vía amiloidogénica (10% de los casos): por medio de esta vía, la enzima β-secretasa o BACE libera un fragmento N-terminal de la proteína APP (SAPPβ) que no es neuroprotector. Posteriormente, el péptido que queda en la membrana será procesado por la enzima γ-secretasa dando lugar a diferentes péptidos que presentan diferentes solubilidades: el péptido Aβ (42 aá) y el AICD, que tiene un tiempo de vida mayor, va al núcleo y favorece la transcripción de genes como la propia APP, GSK3 (Ser/Thr kinasa), BACE, NEP (nefrilisina) y LRP1 (lipoprotein receptor-related protein 1).

Los péptidos más comúnmente formados en la vía amiloidogénica son los péptidos Aβ40, los cuales presentan una estructura en forma de hélice alfa que puede ser fácilmente degradada. Sin embargo, en situaciones patológicas predomina la síntesis del péptido Aβ42 y Aβ43, los cuales son mucho más insolubles, tienden a formar láminas β y a interaccionar entre ellos formando fibrillas que pueden acumularse y formar placas extracelulares amiloides insolubles que se diseminarán por otras estructuras como el hipocampo, la amígdala y la corteza cerebral resultando realmente dañinas.

Ahora bien, ¿por qué es tan importante Aβ? 

De manera normal, esta proteína se encarga de modular la transmisión del impulso eléctrico entre las neuronas, por lo que, un mal funcionamiento o no funcionamiento supondría la pérdida de la comunicación neuronal, es decir, una pérdida de sinapsis. Esto se debe a que puede alterar la actividad de quinasas, producir señales de estrés oxidativo, daños mitocondriales e incluso defectos en el transporte axonal que son los que finalmente conducen a una degeneración neuronal. Todo ello es lo que acabaría produciendo en estos pacientes una gran deficiencia cognitiva.

Además, Aβ en bajas concentraciones es quelante de metales, mejora la memoria y el aprendizaje, es antioxidante, interviene en el mantenimiento de la barrera hematoencefálica etc.

Esta acumulación de Aβ anómala en condiciones patológicas, en las que no solo se incluye el Alzheimer, es como consecuencia de las mutaciones en algunos genes como APP, PSEN1 (proteína que se encarga de activar el complejo de la  γ-secretasa) y PSEN2 (poco frecuentes), los cuales, afectan al catabolismo y anabolismo de Aβ y como consecuencia producen una rápida progresión de neurodegeneración. 

Concretamente, dichas mutaciones afectan al procesamiento alternativo de APP, y como consecuencia se generan fundamentalmente proteínas Aβ truncadas, Aβ42 y Aβ43. Estas presentan residuos poco polares que tienden a apilarse en paralelo induciendo a un plegamiento incorrecto de las láminas beta las cuales, son muy insolubles y al no ser reconocidas por los sistemas de degradación acaban precipitando para formar fibrillas amiloides que generan una gran neurotoxicidad.

3.2-¿Qué son los ovillos neurofibrilares (NFT)?

Son lesiones de tipo intracelular formadas por filamentos helicoidales emparejados (PHF) que se producen como consecuencia de la hiperfosforilación de las proteínas Tau y que puede deberse a la aparición de proteínas Aβ, al estrés oxidativo o a mediadores inflamatorios. La formación de estos ovillos producen muerte neuronal por apoptosis.

Estas proteínas se encuentran de manera mayoritaria en neuronas y células de la Glía y son esenciales para promover el ensamblaje de los microtúbulos neuronales así como para mantener la integridad estructural neuronal y por tanto para permitir el crecimiento de los axones y el transporte axonal. Concretamente, la proteína Tau se encarga de facilitar la polimerización de la tubulina para permitir que se formen los microtúbulos.

El gen que codifica para la proteína Tau,  localizado en el gen 17, contiene 16 exones y en el cerebro adulto sufre diferentes tipos de empalme alternativo en los exones 2, 3 y 10 originando finalmente 6 isoformas de Tau. Estas isoformas contienen entre 3-4 repeticiones peptídicas de 31-32 residuos en la región carboxilo terminal que se corresponde con el dominio de unión a los microtúbulos. Así mismo, el estado de fosforilación del gen varía durante el desarrollo y es lo que conduce a un cambio en el empalme del ARN. 

Tau en el embrión aparece fosforilada, pero en adultos está muy poco fosforilada. Se puede fosforilar por más de 80 sitios Ser/Thr y 5 de Tyr, gracias a GSK-3, PKA, la cuales son Ser/Thrk o Fyn (TyrK). En la enfermedad de Alzheimer, está hiperfosforilada.

Además, cuando Tau está fosforilada cambia de localización y, en lugar de localizarse preferentemente en los axones, se dirige hacia las dendritas y se lleva a Fyn secuestrada consigo. Fyn fosforila a receptores de glutamato (Glu) (receptores NMDA sobre todo) lo que producirá una muerte neuronal por sobreexcitación.

De esta manera, y dado la importancia de la fosforilación en este gen, se ha podido observar que en los procesos de neurodegeneración Tau sufre una fosforilación anormal irreversible que impide su función normal y su agregación. Como consecuencia, no puede unirse correctamente a los microtúbulos y todo ello junto con la formación de las fibrillas por su agregación, impiden que la neurona pueda transmitir señales eléctricas. Además todo ello favorece un mal transporte axonal de nutrientes, lo cual contribuye a la degeneración sináptica y a la muerte neuronal.

Además, parece ser que, una vez Tau está fosforilada y ha perdido su estructura, se empieza a transmitir de unas neuronas a otras, induciendo el cambio conformacional patológico en proteínas Tau normales por contacto (como los priones). Gracias a ello, la enfermedad puede propagarse y afectar a diferentes estructuras.

4.-¿Qué es la ApoE?

La ApoE es una proteína de 299 aminoácidos, que está dentro del grupo de las apolipoproteínas, las cuales están implicadas en el metabolismo de los lípidos (forman las lipoproteínas), siendo la ApoE la única que encontramos en el cerebro.

En la ApoE hay varios dominios de unión a destacar, como por ejemplo el de unión a lípidos, al receptor, a heparina o la región bisagra. Todos ellos con gran importancia en las funciones de la ApoE como veremos a continuación.

Sin embargo, el interés reciente hacia la ApoE no es por su papel en el metabolismo de los lípidos, sino por su relación con el péptido Aβ y la proteína Tau, ambos implicados en el inicio y avance de la enfermedad de Alzheimer.

4.1- Relación ApoE – péptido Aβ

La ApoE es sintetizada por astrocitos y la microglía, debido a la alta importancia de los lípidos para el desarrollo y mantenimiento de las neuronas, pero, ¿cuál es su función dentro del metabolismo de lípidos? ¿y que nexo tiene esto con el péptido Aβ y la enfermedad de Alzheimer?

FUNCIÓN DE LA ApoE

La ApoE se encuentra circulando por la matriz extracelular nerviosa, y es ahí dónde se une al colesterol, que proviene del interior de las células nerviosas (sale a través de transportadores de la familia ABC), y ambos forman lipoproteína discoidal. Esta se une a recetores celulares para lipoproteínas (LRP1 principalmente) y entra en las células por endocitosis mediada por receptor. Ya en el interior, esta lipoproteína entra en el metabolismo de los lípidos.

Sin embargo, lo más interesante de esto es que el péptido Aβ es capaz de unirse a la ApoE circulante (a su dominio de unión a heparina concretamente), formando una molécula que es capaz de entrar en las células al igual que la lipoproteína que hemos mencionado antes (endocitosis mediada por LRP1).

Una vez dentro, el endosoma donde está la molécula ApoE-péptido Aβ se fusiona con lisosomas, y esto hace que por aumento del pH y acción de proteasas lisosomales ApoE y el péptido Aβ se separen. El destino de cada uno es bien distinto:

• ApoE queda en una vesícula que se fusionará con la membrana plasmática, permitiendo que salga al exterior y se recicle.
• El péptido Aβ es sustrato para proteasas lisosomales, por lo que acaba siendo degradado.

Pero yendo más allá, lo que más ha despertado el interés científico de todo esto y lo que está relacionado con el caso concreto de Chris Hemsworth son las distintas isoformas de ApoE que aparecen en las poblaciones, cada una de ellas con un papel distinto en la predisposición a sufrir Alzheimer.

4.2- Isoformas de ApoE y su importancia en el Alzheimer

Hay 3 isoformas de la ApoE, las cuales sólo se diferencian en los residuos 112 y 158:

• ApoE2: posee cisteínas (en 112 y 158). Se la considera «protectora» frente a la enfermedad de Alzherimer. Se cree que su eliminación del péptido Aβ es más eficaz.
• ApoE3: posee cisteína (en 112) y arginina (en 158). Es la isoforma mayoritaria en la población y se considera que su papel es neutro frente a la enfermedad de Alzheimer.
• ApoE4: posee argininas (en 112 y 158). Su presencia aumenta la probabilidad de sufrir la enfermedad de Alzheimer hasta 4 veces si aparece en heterocigosis y hasta 10 veces si aparece en homocigosis.

Pero, ¿por qué ApoE4 aumenta tanto la probabilidad de desarrollar Alzheimer?, ¿en qué afecta el cambio de tan solo 2 aminoácidos a una proteína que posee 299? Ahora mismo te lo explicamos

4.3- ApoE4

Su única diferencia estructural frente a la isoforma protectora es el cambio de dos cisteínas (aminoácidos polares sin carga), por dos argininas (aminoácidos polares con carga positiva). En principio parece un cambio insignificante, pero este pequeño cambio hace que la ApoE4 tenga una conformación algo más «cerrada» que el resto de ApoE, afectando más de lo que creemos en su función.

La conformación que adopta ApoE4 hace que se una más deficientemente a sus receptores, por lo que ApoE4 se encuentra durante más tiempo circulante por la matriz extracelular. Al disminuir la endocitosis mediada por receptor, disminuye la proteólisis intracelular y para compensarlo, aumenta la proteólisis extracelular.

Esta proteólisis favorece la acumulación del péptido Aβ, su unión con otros péptidos Aβ (formando oligómeros Aβ) y el inicio y desarrollo de la formación de placas amiloides y de la enfermedad de Alzheimer. De hecho se han descubierto restos de esta ApoE en las placas amiloides.

Pero esto no es todo, ya que recientemente se ha visto que ApoE también interactúa con la proteína Tau, una proteína muy importante en el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer y cuya hiperfosforilación explica muchos de los signos clínicos de la enfermedad.

4.4- Relación ApoE – proteína Tau

Se ha visto que ApoE está relacionada con la acumulación de Tau y Tau fosforilada, especialmente ApoE4 es quien favorece en mayor medida está acumulación, la cual deriva en la formación de los ovillos neurofibrilares. Para explicar está relación de manera más detallada vamos a presentaros un experimento realizado con ratones en 2017.

En este experimento se quiso conocer más acerca del papel de ApoE en la neurodegeneración a través de Tau. Para ello se utilizaron ratones que sobreexpresaban Tau humana (ratones P301S) y las distintas isoformas de ApoE, creando distintos grupos de ratones:

• Tau-ApoE2 (TE2): expresaban Tau y ApoE2.
• Tau-ApoE3 (TE3): expresaban Tau y ApoE3.
• Tau ApoE4 (TE4): expresaban Tau y ApoE4. Es el grupo de ratones en el que mayor neurodegeración se observó a los 9 meses.
• Sin Tau y con ApoE (KI): no se observó neurodegeneración a los 9 meses. Esto confirmaba que ApoE por sí sola no ocasiona neurodegeneración.
• Con Tau y sin ApoE (TEK0): se observó neurodegeneración a los 9 meses, pero en menor nivel que en cualquiera de los grupos con Tau y las distintas formas de ApoE.

Con esto se confirmó que ApoE (especialmente ApoE4) juega un papel importante en la neurodegeneración a través de Tau. Además en este experimento se observó que ApoE4 no influye en la síntesis de Tau, sino que la acumulación de Tau se debe a que ApoE4 afecta a su degradación por autofagia.

Por último se vio que cuando había patología de Tau (hiperfosforilación y acumulación), ApoE4 provoca neuroinflamación, promoviendo la activación de la microglía y la expresión de genes A1 en astrocitos.

4.5- Genes implicados

En la prueba genética que se realizó el actor Chris Hemsworth, se analizo el gen que da lugar a la síntesis de la ya mencionada ApoE. El gen de la ApoE está formado por 4 exones y se encuentra en el cromosoma 19.

Las mutaciones de mayor interés en este gen son las que afectan a los codones que dan lugar a los aminoácidos 112 y 158, y por tanto a las distintas isoformas ya vistas (ApoE2, ApoE3 o ApoE4) y su influencia en la probabilidad de desarrollar la enfermedad de Alzheimer.

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8. Figura VIII: Duran-Aniotz, C., Moreno-Gonzalez, I., & Morales, R. Agregados amiloides: rol en desórdenes de conformación proteica. Revista médica de Chile, 141(4), 495-505. (2013)
9. Figura X: Luna-Muñoz, J., Zamudio, S., De La Cruz, F., Minjarez-Vega, B., & Mena, R. Acción protectora de la proteína tau en la enfermedad de Alzheimer. Revista Mexicana de Neurociencia, 13(3), 160-167. (2012)
10. Figura XI: Castellani, R. J., Rolston, R. K., & Smith, M. A. Alzheimer disease. Disease-a-month : DM, 56(9), 484–546 (2010)
11. Figura XIII: Fernandez, Celia & Hamby, Mary & McReynolds, Morgan & Ray, William. The Role of APOE4 in Disrupting the Homeostatic Functions of Astrocytes and Microglia in Aging and Alzheimer’s Disease. Frontiers in Aging Neuroscience. (2011) 11. 10.3389/fnagi.2019.00014
12. Figura XVII: Safieh, M., Korczyn, A. D., & Michaelson, D. M. ApoE4: an emerging therapeutic target for Alzheimer’s disease. BMC medicine, 17(1), 1-17. (2019)
13. Figura XVIII: bondio, P., Sazzini, M., Garagnani, P., Boattini, A., Monti, D., Franceschi, C., Luiselli, D., et al. The Genetic Variability of APOE in Different Human Populations and Its Implications for Longevity. Genes, 10(3), 222. (2019)

Por Lorea Ayape, 3º Biología Sanitaria. Universidad de Alcalá.

Introducción

Desde la introducción de la insulina hace casi un siglo, se han comercializado más de 80 fármacos peptídicos para el tratamiento de una amplia gama de enfermedades, como la diabetes, el cáncer, la osteoporosis, la esclerosis múltiple, la infección por VIH y el dolor crónico (Muttenthaler et al., 2021). Los grandes avances en biología molecular y química peptídica siguen haciendo progresar este campo, así como la venómica integrada, una estrategia emergente que crea nuevas vías para el descubrimiento de fármacos peptídicos (Muttenthaler et al., 2021).

A continuación, explicaremos un ejemplo de cómo los venenos, esas sustancias dañinas que presentan ciertos animales de los que muchos huimos despavoridos, pueden convertirse en nuestros aliados con ayuda de la ciencia, pues contienen determinados péptidos que podemos usar en nuestro beneficio. Para ello, le propongo al lector que visualice a nuestra protagonista: la tarántula, ese animal grande y peludo de 8 patas que tan rápido se mueve con, aparentemente, enormes ganas de morder a su víctima humana cuando nos encontramos frente a él. No obstante, las tarántulas tienen poca importancia clínica debido a que no son muy agresivas y evitan el contacto con el entorno humano (Murray, Rosenthal and Pfaller, 2021). Sin más dilación, comencemos a tratar esta curiosidad científica y, quizás, incluso les terminemos cogiendo un poquito de cariño a las arañas.

Necesidad de un nuevo analgésico

Recientemente, se han descubierto determinados componentes del veneno de tarántulas capaces de bloquear la ruta por la que se envían las señales de dolor al cerebro.

El estudio de Klint et al. ha sido realizado debido a la gran necesidad clínica que tenemos de crear analgésicos eficaces para tratar el dolor crónico, puesto que la mayoría de los fármacos disponibles actualmente tienen una eficacia limitada y efectos secundarios que limitan la dosis (Klint et al., 2015). Por su parte, el dolor crónico es un importante problema de salud en todo el mundo que afecta a una media del 15% de las personas adultas (Gaskin and Richard, 2012). Además, tan solo en Estados Unidos, la carga económica anual que supone el dolor crónico es de unos 600.000 millones de dólares, lo que supera el coste económico en conjunto del cáncer, la diabetes y los accidentes cerebrovasculares (Gaskin and Richard, 2012).

En definitiva, la prevención en dolor crónico es muy importante al ser un problema muy extendido, producir una inestimable cantidad de sufrimiento y constituir un coste económico enorme (Rodríguez-Marín, Bernabeu and Hofstadt, 2021).

Fisiología de los canales de sodio dependientes de voltaje

La comunicación celular en el sistema nervioso se basa en fenómenos de señalización eléctrica y química mediados por canales iónicos (Boron, 2017). En las células con dicha propiedad es posible desencadenar un impulso eléctrico denominado potencial de acción, que actúa como una señal capaz de propagarse a grandes distancias a lo largo de las fibras nerviosas o musculares. La conducción de los potenciales de acción permite que se pueda transmitir información a través de nervios desde los órganos hacia el cerebro (Boron, 2017). En el ejemplo que tratamos, las señales que se envían al cerebro viajan mediante la vía del dolor.

Por otro lado, debemos conocer los canales de sodio dependientes de voltaje (Na_V), unas proteínas situadas en la membrana de estas células especiales que permiten el paso de los iones sodio a su través. Si no hay canales de sodio, no se producen potenciales de acción y, por tanto, tampoco se transmiten las señales.

En concreto, el hNa_V1.7 es un canal de sodio presente en las neuronas nociceptivas. Estudios anteriores ya han demostrado que las mutaciones de pérdida de función en el gen que da lugar al hNa_V1.7 generan una insensibilidad a todas las formas del dolor (Cox et al., 2006).

Estos hallazgos sugieren que el hNa_V1.7 podría ser una buena diana en la investigación de nuevos fármacos para el tratamiento del dolor (Boron, 2017). Es por todo ello que Klint et al. se han centrado en los canales de sodio, específicamente en el hNa_V1.7.

Relación entre las arañas y los analgésicos

Las arañas son el grupo que más animales venenosos alberga. A su vez, existe un total de 9 millones de péptidos de veneno de araña, de los cuales solo se ha explorado un 0,01% (Klint et al., 2015); por lo tanto, estos venenos suponen una gran fuente para buscar nuevos moduladores del canal hNa_V1.7.

En total se analizaron los venenos de 206 especies de arañas, de los cuales un 40% presentaban algún compuesto capaz de bloquear al canal hNa_V1.7 (Klint et al., 2015). Finalmente, la estructura del Hd1a (un péptido de la araña Haplopelma doriae) demostró que se trataba del mejor candidato a posible analgésico, puesto que presenta una gran estabilidad química, térmica y biológica (Klint et al., 2015). Además, inhibió el hNa_V1.7 con un alto nivel de selectividad sobre todos los demás subtipos, excepto el hNa_V1.1 (Klint et al., 2015).

Otros canales de sodio como diana de analgésicos

A partir de una serie de venenos que activan neuronas sensoriales de ratón, Osteen et al. aislaron dos péptidos (Hm1a y Hm1b) del veneno de la tarántula Heteroscodra maculata que activaban tan sólo a unas pocas neuronas sensoriales (Osteen et al., 2016). Después comprobaron que el efecto de dichos péptidos era bloqueado mediante la tetrodotoxina (TTX), la cual actúa inhibiendo a los canales de sodio activados por voltaje (Na_V) (Osteen et al., 2016). Esto llevó al descubrimiento de que los péptidos aislados son agonistas de los canales Na_V1.1 y, a su vez, de que éstos están implicados en la señalización del dolor, lo cual se desconocía hasta entonces (Osteen et al., 2016).

También se demostró que el Na_V1.1 regula la excitabilidad de unas fibras nerviosas que transmiten señales de dolor a la médula espinal, con lo que este canal iónico también se convirtió en una posible diana analgésica (Osteen et al., 2016). De hecho, se ha comprobado que los inhibidores del Na_V1.1 reducen la hipersensibilidad mecánica en varios modelos de dolor visceral crónico (Salvatierra et al., 2018).

Es decir, en este caso los péptidos de araña mencionadas no se usarían como analgésico contra Na_V1.1 (como veíamos en el caso anterior), puesto que realmente contribuyen a que dichos canales produzcan su efecto. No obstante, Hm1a y Hm1b permitieron descubrir que el Na_V1.1 está relacionado con la señalización del dolor, posicionándolo así como un objetivo más contra el que aplicar analgésicos.

Conclusiones

El proceso de elaboración de un nuevo fármaco requiere muchísimos años, no solo por las fases que debe superar dicho medicamento hasta aparecer en las farmacias, sino también por el trabajo previo que implica detectar la diana correcta y el compuesto capaz de dirigirse hasta ella afectándola específicamente, como hemos podido comprobar.

Por su parte, todavía quedan millones de péptidos de veneno sin ser explorados, debido a la lentitud del método tradicional de descubrimiento, en el que las fracciones crudas de veneno se analizan frente a dianas conocidas, seguidas de purificación y secuenciación para dilucidar la secuencia de una diana (Muttenthaler et al., 2021).

En esta entrada del blog nos hemos centrado en algunos estudios con péptidos de arañas, pero los escorpiones y los caracoles cono también proporcionan una de las más ricas diversidades químicas (Muttenthaler et al., 2021). Afortunadamente, los nuevos avances tecnológicos están sentando las bases de un potente enfoque denominado «venómica integrada» (Muttenthaler et al., 2021).

Referencias

1. Bonica, J. J. (1976) ‘Organization and function of a multidisciplinary pain clinic’, in Pain. Springer, pp. 11–20.
2. Boron, W. F. (2017) ‘Excitabilidad eléctrica y potenciales de acción’, in Fisiología médica. third, pp. 172–189.
3. Cox, J. J. et al. (2006) ‘An SCN9A channelopathy causes congenital inability to experience pain’, Nature, 444, pp. 894–898.
4. Drenth, J. P. H. and Waxman, S. G. (2007) ‘Mutations in sodium-channel gene SCN9A cause a spectrum of human genetic pain disorders’, Journal of Clinical Investigation, 117(12), pp. 3603–3609. doi: 10.1172/JCI33297.
5. Gaskin, D. J. and Richard, P. (2012) ‘The economic costs of pain in the United States’, Journal of Pain, 13(8), pp. 715–724. doi: 10.1016/j.jpain.2012.03.009.
6. Herzig, V. et al. (2020) ‘Animal toxins — Nature’s evolutionary-refined toolkit for basic research and drug discovery’, Biochemical Pharmacology, 181(May), p. 114096. doi: 10.1016/j.bcp.2020.114096.
7. Klint, J. K. et al. (2015) ‘Seven novel modulators of the analgesic target NaV1.7 uncovered using a high-throughput venom-based discovery approach’, British Journal of Pharmacology, 172(10), pp. 2445–2458. doi: 10.1111/bph.13081.
8. Li, T. and Chen, J. (2018) ‘Voltage-Gated Sodium Channels in Drug Discovery’, Ion Channels in Health and Sickness. doi: 10.5772/intechopen.78256.
9. Murray, P. R. ., Rosenthal, K. S. . and Pfaller, M. A. (2021) ‘Artrópodos’, in Elsevier (ed.) Microbiología médica. ninth, pp. 791–807.
10. Muttenthaler, M. et al. (2021) ‘Trends in peptide drug discovery’, Nature Reviews Drug Discovery, 20(4), pp. 309–325. doi: 10.1038/s41573-020-00135-8.
11. Osteen, J. D. et al. (2016) ‘Selective spider toxins reveal a role for the Nav1.1 channel in mechanical pain’, Nature, 534(7608), pp. 494–499. doi: 10.1038/nature17976.
12. Rodríguez-Marín, J., Bernabeu, P. and Hofstadt, C. J. van-der (2021) ‘Dolor crónico, enfermedades crónicas y enfermedades terminales’, in Psicología médica. second, pp. 391–412.
13. Salvatierra, J. et al. (2018) ‘NaV1.1 inhibition can reduce visceral hypersensitivity.’, JCI insight, 3(11). doi: 10.1172/jci.insight.121000.

C. Menor-Salván. UAH. Actualizado Octubre 2023

El concepto de entropía y su relación con la Bioquímica es uno de los más complicados de entender por parte de los estudiantes. En este artículo, vamos a tratar, sin entrar en formalismos matemáticos, de aclarar el concepto de entropía, el significado del Segundo Principio de la Termodinámica y la relación con la vida y el metabolismo.

Introducción: Entropía NO es desorden

El concepto de entropía, una de las funciones de estado termodinámicas (es decir, una función que describe las características térmicas y energéticas de un sistema), es uno de los que más dificultades presenta para su comprensión. En mi enfoque de la enseñanza de la Bioquímica, la entropía tiene un papel esencial, pues es una de las claves que explican la propia vida y sus estructuras. La entropía es esencial para entender el funcionamiento de las enzimas y para entender por qué el metabolismo no es una colección de reacciones diseñada para fastidiar a los estudiantes, sino que tiene una lógica comprensible.

Una de las razones por las que los estudiantes tienen dificultades con el concepto de entropía es debido a una simplificación confusa que se transmite constantemente en la enseñanza: que la entropía es una medida del desorden. Mayor desorden=mayor entropía. En un texto de 2º de Bachillerato he podido leer:

La entropía S es una magnitud que mide el grado de desorden de un sistema físico o químico

Esta definición es errónea. Además suele acompañarse con imágenes como esta:

¿cómo puedo explicar a los estudiantes que la entropía es generadora de orden, y que el orden o estructura biológica es resultado del incremento de entropía, si previamente les hemos engañado con una simplificación errónea?.

Tratando de hacerlo lo más simple y conceptual posible y sin entrar en las matemáticas de la Termodinámica formal, vamos a buscar alternativas que nos permitan acercarnos al significado de la entropía y a entender por qué la entropía genera el orden biológico. Ello es necesario para entender, a su vez, por qué el metabolismo es tal como es.

Dados y estados: buscando otras analogías para entender la entropía

¿sabes por qué el 7 es considerado un número de suerte?. ¿si lanzas DOS dados, crees que hay la misma probabilidad de que salga cualquiera de los resultados posibles (la suma de lo que sale en cada dado)?. Hagamos el experimento: si lanzamos dos dados, el resultado puede ser desde 2 hasta 12. Si los lanzamos muchas veces (he estado una tarde de sábado haciéndolo), obtendremos una distribución como esta:

Según esta distribución, el 7 es el número mas probable. La razón de la preferencia por el 7 en el lanzamiento de dos dados es, en realidad, bastante obvia. Podemos usarla como una analogía del concepto de entropía: la probabilidad de obtener el número 7 es la mayor, por lo que el número 7 es el estado de mayor entropía. 2 y 12 representan los estados de mínima entropía, razón por la cual son las apuestas mas arriesgadas. Antes de explicar por qué es así, vamos a dejarnos enseñar por el físico aleman Arnold Sommerfeld.

La definición (algo más) formal de entropía.

Sommerfeld explicaba en 1938 lo siguiente:

¿por qué encendemos una estufa en invierno [igual este invierno lo vamos a tener difícil…]. Una persona común dirá: para que la habitación esté mas caliente; un físico se expresará hablando de suministrar energía. En este caso, tendrá razón el profano y no el físico

Según Sommerfeld, este ejemplo lo proponía el físico suizo Robert Emden. El caso es que, en efecto, encendemos la estufa para que la habitación esté caliente. Este calor se disipa constantemente a través de las ventanas y las paredes; por ello si apagamos la estufa, la temperatura comienza a disminuir. Aquí no os estoy descubriendo nada nuevo.

Como la habitación es mayoritariamente aire, sabemos que la energía contenida va a depender de la temperatura. Esto se expresa a través de esta ecuación:

Esta ecuación nos dice que la energía U contenida en la habitación es proporcional al número de átomos que hay en la habitación, N, y a la temperatura de la habitación, T. Parece lógico: cuanta más temperatura, más energía.

También sabemos que, si calentamos un gas, va a sufrir o un aumento de presión o una expansión. Como en la habitación la presión va a ser constante, mantener la temperatura constante implica que vamos a mantener constante la energía contenida en la habitación. Pero, mientras la estamos calentando, el aire se va a expandir, saliendo por las rendijas e intercambiándose con el exterior.

¿qué ocurriría si la habitación estuviera perfectamente aislada? Lógicamente, al no poder expandirse, aumentaría la presión y la temperatura. Pero, una habitación normal es un sistema abierto, es decir, puede intercambiar energía con el exterior, y también materia, pues hay intercambio de aire a través de rendijas. Por lo que el aislamiento perfecto no va a existir.

Rudolf Clausius nos explicó que la variación de entropía de un sistema es el cociente entre el calor suministrado dividido entre la temperatura. Es decir, la entropía no es una medida de desorden, sino una medida de la relación entre energía suministrada y temperatura.

Como queremos mantener nuestra habitación a temperatura y presión constante (no queremos morir, y hay rendijas, por lo que el aire puede expandirse), hemos deducido, a partir de la ecuación anterior y de las propiedades de los gases, que a presión constante, la variación de entropía en nuestra habitación es:

Es decir, que la variación de entropía que tenemos en la habitación es proporcional al incremento de la temperatura desde A a B, y al incremento de volumen del aire desde A a B. Si aumentamos la temperatura, entonces, aumentamos la entropía. n es el número de moles de aire, y cv es el calor específico. Idealmente, una vez que hemos alcanzado una temperatura constante, ya no hay aumento de entropía. Y por tanto, no sería necesario suministrar más calor. Observad que no hablo de orden. El incremento de entropía va asociado al incremento de temperatura y/o volumen. Las moléculas del aire ¿están igual de ordenadas o más ordenadas?. No lo se. Pero si sabemos que, si aumentamos el volumen, por ejemplo, al calentar, les estamos dando a nuestras moléculas más libertad para moverse. Vamos a volver a esta idea de ‘libertad’ más adelante.

Pero, en nuestra habitación ocurre un proceso irreversible: el calor se disipa al exterior de dos formas: irradiándose a través de los materiales y las ventanas, y mediante intercambio de aire caliente del interior con aire frío del exterior.

El intercambio de materia y energía de la habitación (nuestro sistema) con sus alrededores, implica que tenemos que descomponer la entropía en dos términos: Δ_iS es la entropía generada en el interior de la habitación, que es siempre cero o positiva; Δ_eS es la entropía del proceso de intercambio con el exterior y puede ser negativa, cero o positiva. Como la entropía es el cociente entre calor y temperatura, y queremos mantener la temperatura y presión constante en la habitación, entonces:

La temperatura del exterior de la habitación Te es menor que la temperatura del interior Ti. Por tanto, si perdemos todo el calor, o sea, Qi=Qe, entonces el término de entropía de intercambio con el exterior es mayor en valor absoluto. Como el intercambio con el exterior está sacando calor de la habitación, entonces, el término es negativo. Por tanto, la variación global ΔS=Δ_iS–Δ_eS<0. Hemos visto antes que la entropía depende de la temperatura, por lo que si sacamos el mismo calor que metemos, la habitación se enfría hasta que Ti=Te. Esto es lo que ocurre en una habitación cualquiera: en el momento que apagamos la calefacción, la habitación se enfría. Al final, Qi se igualará con Qe. La clave para mantener la habitación caliente es suministrar energía constantemente y llegar a un estado estacionario en el que Qi>Qe durante un lapso de tiempo.

Total, que para mantener la temperatura constante, y, por tanto, ΔS=0, necesitamos que Qi>Qe, es decir, suministramos más energía de la que perdemos durante el tiempo que queremos estar calientes. Lógico, ¿no?. Por ello nos interesa minimizar Q_e, utilizando aislamientos, de modo que podamos minimizar Q_i, y reducir la factura de la luz. Aquí voy a añadir una nota: estamos simplificando mucho la discusión, pues nos estamos centrando en el aire, un gas, y además lo consideramos un gas ideal. Cuando hablemos de reacciones químicas, cambios de fase, etc. la discusión se complica, y hablaremos de energía libre, entalpía y entropía.

El término Δ_eS negativo lo denominó Schrödinger entropía negativa o neguentropía: la entropía asociada al proceso de disipación. Es decir, estamos neutralizando la acumulación de entropía en la habitación al calentarla, sacándola fuera y aumentando la entropía del exterior.

Esto es lo que define el SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA: la entropía total del universo (nuestra habitación + el exterior) siempre aumenta. Por ello, para poder mantener la entropía de la habitación constante (que mantenga su temperatura y presión constantes) necesitamos estar constantemente generando calor en ella y aumentar la entropía del universo.

Con esto hemos explicado físicamente lo que todos sabemos por experiencia: que si apago el radiador, la habitación se enfría. Por este principio, los ingenieros han hecho enormes esfuerzos en reducir los procesos irreversibles en máquinas y edificios, tales como reducir la disipación de calor mediante aislamiento, disminuir el rozamiento y desgaste en los motores, etc. En la vida real, como vamos a tener procesos irreversibles, siempre tenemos que consumir energía para ‘pagar’ esta especie de impuesto entrópico. Esta es la razón por la que no existe el móvil perpetuo y por la que, hagamos lo que hagamos, siempre se va a enfriar la casa al apagar la calefacción.

Aplicación en la bioquímica

La discusión anterior se puede aplicar exactamente igual a un organismo vivo, ya sea una célula o un animal.

En 1992 se publicó un interesante experimento: los investigadores midieron, usando un calorímetro, la producción de entropía de cerditos en una granja y observaron que la producción de entropía iba creciendo durante el periodo infantil, hasta alcanzar un máximo. Cuando el cerdito entraba en edad adulta y cesaba su desarrollo, la producción de entropía disminuía, e iba disminuyendo gradualmente hasta la vejez.

Es decir, mientras estaba en proceso de morfogénesis activa, generando estructura biológica, la disipación de entropía crecía. En la edad adulta entra en estado estacionario.

La ecuación que vimos antes:

la podemos expresar así:

En la que la velocidad o la variación de la producción de entropía es el balance entre la producción de entropía interna del sistema (es decir, debida al metabolismo y procesos vivos del cerdito) y la disipación de energía al entorno en forma de calor (Q) que es una función que varía con el tiempo (estamos en un sistema dinámico), en relación con la temperatura del sistema. Aquí, el calor Q no hay que confundirlo con temperatura. El calor engloba la irradiación de energía y la disipación de energía transportada por moléculas, como el agua, CO₂ y otras moléculas emitidas por el organismo, que ‘esparcen’ o ‘dispersan’ la energía. En estado estacionario, ambos términos se igualan.

Por el contrario, si la tasa de producción interna de entropía es menor que la disipación de calor, la variación de entropía es negativa. Tenemos la ‘neguentropía’ y, en el proceso, es cuando se produce la auto-organización de las estructuras de los organismos vivos.

Ilya Prigogine entra en escena: explicando la vida con el teorema de mínima entropía, sistemas no lineales y estructuras disipativas.

Resulta que estamos disminuyendo la entropía de nuestro sistema, mediante la disipación de energía y el aumento de entropía del exterior del sistema. Hay varios tipos de este sistema peculiar que, espontáneamente, se ha alejado del equilibrio.

Uno de estos sistemas es el metabolismo.

El metabolismo es un conjunto conectado y coordinado de reacciones químicas que permite, según el teorema de mínima entropía de Prigogine, minimizar la entropía producida durante la disipación de energía libre, maximizando la negentropía. Ello lleva a la reducción de entropía interna del sistema y la aparición de estructuras emergentes. Este tipo de sistemas se denominan estructuras disipativas (mas adelante volveremos a este concepto).

El metabolismo permite que los organismos vivos se ‘alimenten de entropía negativa‘ (como expresó Schrödinger). Este concepto aún está en discusión y también se ha sugerido que la evolución marca un camino hacia la maximización de la producción de entropía, provocando un aumento de complejidad que aumente la neguentropía para mantener la estabilidad dinámica. En fin, aquí entramos en un área muy compleja. Tanto que lo llamamos la Ciencia de la Complejidad. Pero como sumario, podemos decir que hay una diferencia fundamental entre un sistema vivo y una máquina: en las máquinas, los ingenieros quieren reducir los procesos irreversibles para aumentar su eficiencia disminuyendo la entropía. En la vida, en cambio, DEPENDE de los procesos irreversibles y la producción de entropía es la que hace que funcione. ¿por qué depende de ellos? porque la vida surge a costa de alejarse del equilibrio y de aumentar la disipación de entropía (el segundo término en la última ecuación)

Un ejemplo relativamente simple de estructura disipativa, muy similar al metabolismo, es la reaccion de Belousov-Zhabotinsky:

La aparición espontánea de patrones durante la reacción, como los de la imagen, que son zonas con diferentes parámetros físicos y químicos, es resultado de la disminución de entropía, mediante la transformación de la energía contenida en el ‘combustible’ de la reacción y el aumento de entropía del exterior. Es una estructura disipativa que depende del aumento de entropía del exterior. Por ello, una estructura disipativa, tal como el metabolismo, sólo puede producirse en un sistema abierto. En un sistema cerrado en el que no pueda intercambiar materia y energía con el exterior, el sistema ‘muere’ rápidamente.

¿qué tienen en común la reacción de Belousov con el metabolismo? Para que un sistema químico tenga estas propiedades, deben establecerse una serie de ciclos y reacciones encadenadas, en los que se alternen reacciones químicas reversibles e irreversibles y se produzca un fenómeno de autocatálisis o de catálisis recíproca. Aquí ya entramos en una complejidad excesiva (alguien pillará el chiste), por lo que lo dejamos en éste punto. Pero, la idea es que para que se de la vida tal como la conocemos, el metabolismo tiene que ser tal como es, y debe contener un sistema de reacciones como la glucólisis, que hacen posible que la disipación de entropía permita formar las estructuras biológicas.

Alguien podría preguntar: entonces, termodinámicamente, ¿la reacción de Belousov es vida?. No. La diferencia fundamental es que un organismo vivo es capaz de regular internamente su comportamiento estructural. La estructura en la reacción de Belousov es resultado de los cambios e influencia de su entorno, sin control interno. Este control estructural y regulación interno, que está relacionado con la información biológica, es lo que llamamos biología molecular. Así, podemos establecer un criterio de demarcación entre la biología molecular y la bioquímica, si queremos.

Reacción de Belousov-Zhabotinsky: un modelo del metabolismo.

Vamos a ver de nuevo el ejemplo de la reacción de Belousov:

Belousov descubrió, en 1951, su famosa reacción tratando de encontrar un modelo de laboratorio para el metabolismo central (glucolisis+ciclo de Krebs). Lo que encontró fué fascinante: una reacción que no era ni un equilibrio ni irreversible, sino que oscilaba entre el estado inicial y el final. Si la reacción se lleva a cabo sin agitación y en una capa fina, tiene lugar la formación de bellas estructuras llamadas patrones de Turing.

Belousov estudió exhaustivamente la reacción y propuso un esbozo de su mecanismo (que tardaría décadas en resolverse); envió sus resultados y los detalles experimentales para ser publicados en una importante revista científica, en 1951. Los revisores recomendaron contra su publicación y el editor respondió a Belousov que su “supuesto descubrimiento” era “imposible”. Seguramente, la idea de que una mezcla química se comportase como un péndulo, o que en un líquido homogéneo surgieran estructuras de composición química diferenciada, violando en apariencia el Segundo Principio de la Termodinámica, pesaba más que el repetir la simple receta de la reacción y verlo con sus propios ojos. El editor dijo a Belousov que tenía que aportar más pruebas. Boris entonces volvió al laboratorio y tras otros seis años de trabajo (la Ciencia requiere tiempo…), envió un nuevo artículo, más elaborado y con un estudio profundo del mecanismo. La respuesta que recibió fue de rechazo y un escepticismo aún mayor. Ni los revisores ni los editores se molestaron en repetir por ellos mismos una reacción extremadamente sencilla de reproducir. Simplemente se dejaron llevar por sus prejuicios. Belousov, que ya tenía 64 años, estaba tan enfurecido y decepcionado que decidió no volver a publicar ningún artículo jamás ni relacionarse con otros científicos. Publicó su receta de la reacción en un simposium, quedando solo un oscuro resumen en ruso en el fondo de algunas bibliotecas.

Cuando Zhabotinsky tomó el testigo, la receta de la reacción de Belousov era conocida en diversos centros en la URSS, aunque se desconocía su autor y origen. Zhabotinsky comenzó, como tema de tesis, a estudiar esa curiosa reacción que circulaba por ahí. En los años 60, ya había realizado un extenso estudio y había descubierto al autor de la reacción original: Boris Belousov. Informó a éste de su trabajo y
progresos y Boris le remitió, muy agradecido por recuperar su vieja receta, su manuscrito rechazado original y otro material. Cuando la reacción empezó a ser conocida fuera de la URSS, a finales de los 60 y principios de los 70, aún era conocida como la “reacción de Zhabotinsky”, aunque por el
esfuerzo de éste, el crédito para Belousov fué finalmente reconocido. Zhabotinsky mantenía informado de sus progresos a Belousov, pero éste siempre rechazó un encuentro personal, así como asistir al simposio sobre reacciones oscilantes que se había organizado en Praga en 1968. Así, Zhabotinsky y Belousov nunca se conocieron personalmente. Belousov murió en 1970, sin llegar a conocer las implicaciones que tendría su trabajo ni disfrutar del reconocimiento que actualmente se le brinda.

Desde el punto de vista de la termodinámica, podemos usar la reacción de Belousov para entender cómo funciona un sistema metabólico:

En primer lugar no es una sola reacción, sino que se genera un sistema multicomponente, abierto y genera una red o ciclos de reacciones. Uno de estos ciclos es un ciclo autocatalítico en el que los productos son, a su vez, reactivos. Estas características las comparten tanto un sistema metabólico como la reacción de Belousov.

Los patrones de Turing son impredecibles, jamás son exactamente iguales y su estructura depende de pequeñas diferencias en las condiciones iniciales. Son el resultado del acoplamiento entre las reacciones químicas y los procesos de difusión. Esta relación es no lineal y da lugar a múltiples estados estacionarios, igualmente probables. La formación de las estructuras, que manifiestan los estados estacionarios, depende de las fluctuaciones microscópicas. Prigogine lo llamaba «orden a través de la fluctuación». En un sistema biológico, las fluctuaciones son cambios ambientales, epigenética o variaciones genéticas, y las estructuras son el fenotipo.

El sistema (ya sea la reacción de Belousov o el metabolismo) alcanza un estado alejado del equilibrio, en el que maximiza la disipación de energía libre de los reactivos, minimiza la producción de entropía y maximiza la disipación de entropía fuera del sistema, de modo que el sistema se sostiene con la neguentropía y, aunque la entropía global aumenta, dentro del sistema se produce una reducción temporal de entropía. En el vídeo podéis ver uno de los modos de disipación de entropía: las burbujas de CO2, el residuo que produce la reacción, y que se eliminan. Este es el principio de mínima producción de entropía de Prigogine. El sistema evoluciona reduciendo su producción interna de entropía y maximizando la disipación. Pero, la reacción de Belousov no es un buen sistema abierto, y termina acumulando demasiada entropía y «muriendo»

Otro modelo, el modelo de máxima disipación de entropía, sugiere el sistema tenderá al estado estacionario en el que la producción de entropía sea máxima. Es decir, la evolución tiende a maximizar el aumento de entropía del entorno, lo cual puede hacerse mediante el balance entre la producción interna de entropía (que siempre aumenta) y el intercambio con el exterior.

La reacción de Belousov o la vida misma no son más que disipadores de energía libre y generadores de entropía. Esto permite la evolución compleja de estructuras durante el proceso de disipación de la energía libre (nutrientes) hacia los resíduos (CO2). Prigogine las llamó estructuras disipativas.

Esto nos lleva al concepto de línea del tiempo: el proceso no se puede revertir. Percibimos el tiempo en cuanto partimos de un estado inicial de baja entropía y/o alta energía libre, para terminar en un estado que ha maximizado la entropía y ha disipado la energía libre en forma de calor. Esta es la razón por la que no se puede viajar al pasado, pues ello violaría el segundo principio de la Termodinámica; viajar al pasado implicaría moverse hacia una reducción de entropía del universo.

La vida surge, como una perturbación temporal, en el proceso de disipación de la energía y del aumento de la entropía del universo. Por ello, la vida y estructuras complejas no surgen en los estados de mínima entropía o de máxima entropía, sino de modo dinámico durante el proceso de disipación de energía y aumento de la entropía del universo.

Otro aspecto interesante de estos sistemas es la adaptación y auto-reparación. Las estructuras disipativas son estables a perturbaciones y pueden absorber éstas y ‘auto-sanarse’. La capacidad de autoreparación se puede observar en la reacción de Belousov si se introducen perturbaciones:

Vida y disipación de entropía en el planeta Tierra

Hay una idea interesante al considerar la vida globalmente: la vida surge en la Tierra como una consecuencia del teorema de la maximización de la entropía. La Tierra recibe energía del Sol y debe disiparla. Si no se disipase, el planeta se habría calentado hasta fundirse. En el proceso de disipación, surge la vida como una estructura que contribuye a mejorar esa disipación (es decir, el segundo término de la última ecuación que escribimos).

La Tierra, globalmente, constituye una gran estructura disipativa en la que:

donde T1 es la temperatura de la superficie del Sol (aproximadamente 6000 K) y T2 es la temperatura de equilibrio del planeta, que es a grosso modo la temperatura a la que la Tierra irradia energía, y que es aproximadamente 300 K. Dado que la energía no se acumula en la Tierra (si así fuera, el planeta se calentaría gradualmente), el segundo término de la ecuación es aproximadamente 3×10²⁴/300 cal/grad g

La Tierra recibe mucha energía y poca entropía, es decir, energía de alta ‘calidad’, y se disipa al espacio con un flujo de entropía mucho más elevado. Ello es lo que asegura que se sostenga la vida en la Tierra. Sin embargo, esta cuenta global no es suficiente para entender cómo surgió y cómo funciona la autoorganización molecular que da la vida.

Pero, en términos globales, la biosfera funciona como ciclos de Morowitz (ver más adelante) en los que los organismos fotosintéticos capturan energía solar, la convierten en hidrógeno y genera un gradiente de potencial, que se disipa, impulsando la generación de biomasa. La energía del hidrógeno se almacena y transporta en forma de azúcares, que son utilizados por otros organismos para reconvertirlos en hidrógeno y generar un gradiente, que impulsa a su vez la generación de biomasa o la producción de entropía en estado estacionario. En cada paso, la energía solar se ‘degrada’, o se ‘esparce’, creando un eficiente flujo de entropía hacia el exterior.

La vida en el planeta no es más que otra estructura asociada al principio de máxima producción de entropía. En un planeta como la Tierra, los flujos de fluidos y energía (Sol, calor interno del planeta) han provocado la autoorganización de estructuras (incluyendo la vida) que maximizan el flujo de entropía. Esto no ocurre en todos los planetas. En el Sistema Solar, el principio de máxima producción de entropía se aplica además en Marte, Titán, Europa o Encelado. Por ello, son lugares de interés astrobiológico.

Ludwig Boltzmann, probabilidad y distribución de energía.

Obsérvese que en ningún momento hemos relacionado la entropía con una medida del orden a pesar de haber estado un rato hablando de entropía. Hemos hablado de la aparición de estructuras (como es la estructura celular), y del macroestado, es decir, el balance global de calor y la temperatura de la habitación, pero no hemos hablado de ‘orden’. Ahora ha llegado el momento de volver a los dados de nuestro juego.

Si lanzamos dos dados, la apuesta más segura es el 7. ¿Por que?. Podemos considerar el resultado de la tirada como el macroestado del sistema, que es el resultado de una serie de microestados, que definimos como el resultado de cada dado en particular (es decir, el estado termodinámico de cada componente del sistema). Al final, el estado global del sistema es el resultado de los estados particulares de cada uno de sus componentes. Por ello, en la primera ecuación hablábamos que la energía del sistema (macroestado) dependía de N, el número de átomos, cada uno de ellos en un ‘microestado’ determinado.

Cuantos más microestados posibles tenga un macroestado, más probabilidad tenemos de tener el macroestado resultante. Esto se llama probabilidad termodinamica. En el caso del número 7, es el macroestado resultante de seis microestados posibles. Y, lo que nos descubrió Boltzmann es que la mayor entropía tiene lugar en el macroestado al cual conducen el mayor número posible de microestados.

La ecuación de Boltzmann dice que la entropía es igual al producto de una constante (la constante de Boltzmann, determinada por Planck) por el logaritmo de la probabilidad de ese estado. El principio de Boltzmann nos dice entonces que el aumento de entropía en un proceso es la consecuencia de la transición del sistema del estado menos probable al más probable. En nuestro juego de dados, el estado más probable, el de mayor entropía, es el número 7, y por ello el sistema de dos dados tiene la máxima frecuencia en 7 en su distribución de estados.

Veamos otro ejemplo para ilustrar el principio de Boltzmann:

Si pregunto a los estudiantes, a los que se ha engañado con la idea intuitiva de que la entropía mide el grado de desorden, la mayoría responden que la imagen de la derecha se corresponde con el estado de mayor entropía. Pero NO. La probabilidad de que en una distribución de puntos en la cuadrícula (es decir los microestados) no haya ningún punto al lado de otro es MÍNIMA, y, de hecho, esta distribución no se ha generado al azar. Si distrubimos puntos al azar, siempre va a haber alguno pegado a otro.

El estado de la imagen de la izquierda es, por tanto, más probable, no importa cómo estén ordenados los puntos. Y es más probable, porque por azar resultan mas combinaciones de puntos (microestados) con el mismo número de contactos de unos puntos con otros. Por tanto, la imagen de la izquierda sería el estado de mayor entropía.

Entropía: una medida de la ‘utilidad’ de la energía y la burocracia como análogo

En todo proceso, hay un intercambio energético. Esta energía se invierte en hacer ‘algo’, como mover un motor, o hacer una transformación química. Esta energía que invertimos e intercambiamos la llamamos energía libre.

Pero claro, para que se produzca el proceso, hay que pagar una especie de impuesto: No toda la energía se invierte en hacer algo útil (como mover el motor o transformar moléculas), sino que una parte se «disipa» sin que haga nada de utilidad. Es el término entrópico de la energía libre.

Esta idea de ‘utilidad’ de la energía la podemos ilustrar con una analogía con la burocracia.

Todos odiamos la burocracia. En mi trabajo como profesor, la burocracia requiere una cantidad considerable de esfuerzo y dedicación. Podríamos definir la burocracia como el trabajo que no se invierte en nada productivo, pero se disipa para mantener la estructura. Como veis, volvemos a la idea de entropía como generadora de orden.

La burocracia es entropía que se genera y se disipa. En la disipación de esta entropía reside el mantenimiento de toda una estructura organizativa. Es decir, cuanto más grande y compleja es una organización, más estructura requiere mantener y más burocracia, es decir, disipación de entropía requiere. ¿como aplicamos aquí el principio de mínima producción de entropía de Prigogine?. Muy sencillo: intentamos minimizar el tiempo que dedicamos a la burocracia, maximizando la disipación de ésta. Un sistema biológico funciona de modo parecido, manteniendo así su estructura. El problema es que un sistema disipativo, ya sea un organismo, una estructura o un estado, va a depender de este proceso de generación y disipación de entropía. Ello lleva a que la complejidad vaya aumentando hasta que el sistema no es capaz de disipar más entropía de la que produce, teniendo lugar el envejecimiento y degradación de la organización.

En un estado o empresa es igual: si los requerimientos burocráticos aumentan en exceso, el sistema pierde eficiencia en la disipación de entropía que se acumula, dando lugar a la degradación de la estructura y su muerte. Todos conocemos este proceso cuando estamos sometidos a burocracia paralizante, que hace que sea muy dificil llevar a cabo tareas útiles y todas las estructuras se degradan.

La entropía: una medida de la ‘degradación’ y ‘dispersión’ de la energía

Podemos ilustrar esta idea de degradación de la energía usando una analogía: billetes y moneda fraccionaria

Si tomo un billete de 20 euros y lo cambio en 40 monedas de 50 céntimos, voy a tener el mismo valor monetario (es decir, la energía se conserva). Sin embargo, estoy «esparciendo» o «dispersando» ese valor: he aumentado la entropía (Δ_iS>0). Si yo ahora doy una moneda a cada persona que pasa por la calle, ese valor (esa energía) la he «esparcido» y la he expulsado del sistema: he aumentado la entropía del entorno, y he reducido la entropía de mi sistema (Δ_eS<0), pero a costa de pagar 20 euros. Cada persona que se ha llevado 50 céntimos, realmente poco puede hacer con ellos. Habría hecho más con los 20 euros, ¿verdad?. Es decir, con el aumento de entropía, al repartir y «esparcir» la energía, ésta se ‘degrada’.

Este proceso, en el que, globalmente, me he quedado igual que antes, pero con 20 euros menos, es un proceso cercano al equilibrio. Ahora imaginad que yo hago lo mismo, pero le pido a cada persona a la que doy una moneda que me suba una cosa que he comprado en el súper y la coloque correctamente en la cocina. Estoy estableciendo unos ciclos y la disipación de los 20 euros lleva a que surja una estructura ordenada en mi sistema. Entonces estaríamos hablando de una estructura disipativa: El empleo de energía y la disipación de entropía, generan la estructura. Imaginad que cada moneda es el CO2 que expulso en cada ‘ciclo’ metabólico, y que el billete original era la glucosa que he consumido en el proceso y tendremos una analogía para relacionar la entropía con el metabolismo. Como con las monedas, el CO2 tiene escaso valor (es una molécula muy estable y con un sobrepotencial muy elevado, que la hace poco reactiva, de ahí la dificultad para convertirla en otros materiales), comparado con la glucosa original, de la que se puede extraer bastante energía. Ahora necesitamos un sistema que recopile las monedas y las convierta de nuevo en billetes de 20 euros. Este sistema son los organismos autótrofos, que, utilizando la luz o la energía química de los minerales, fijan el CO2, convirtiéndolo de nuevo en ‘billetes’ de alto valor: los azúcares, que a su vez se transforman en otros muchos productos.

Esta idea de los ciclos la expresó Harold Morowitz en su Teorema de los Ciclos de Morowitz:

Esto nos permite definir la entropía de un modo intuitivo: es una medida de la dispersión de la energía: cuanto más dispersa, es decir, cuantas más formas tengamos de distribuir la energía entre los componentes del sistema, mayor es la entropía. Lógicamente, si en los productos de la reacción tengo mucho CO2, tengo muchas formas de distribuir la energía entre cada una de las moléculas de CO2; por tanto, tengo más microestados que se manifiestan como el macroestado, y eso aumenta la probabilidad y la entropía.

También decimos que al aumentr la entropía, aumentamos los grados de libertad del sistema. Cuantos más grados de libertad, mayor entropía. Veámoslo con un ejemplo clásico de Lehninger:

¿cual de los tres casos, a, b o c, tiene mayor entropía?. ¿puedes definirlo según el concepto de «estado ordenado» que te contaron? En el caso (a) tenemos dos reactivos separados. Podemos distribuir energía entre las dos moléculas y todas las posibles vibraciones entre sus enlaces. Tened en cuenta que, en la molécula, la energía se distribuye haciendo vibrar y rotar los enlaces, y en el caso (a) hay muchas más formas de hacerlo que en los otros (tenemos más microestados). En el caso (b) tenemos una sóla molécula, pero esta molécula tiene tres enlaces capaces de rotar completamente, con lo que tenemos más grados de libertad, es decir, más formas de distribuir la energía, es decir, más microestados, que en caso (c), en el que tenemos una molécula rígida, por lo que las posibilidades de rotaciones y vibraciones disminuyen. Así, el caso (c) es el de menor entropía y el caso (a) el de máxima entropía. Esto hace que la reacción (a) sea mas lenta que la (c). Mucho más lenta. Y aquí entramos en cómo la entropía gobierna la velocidad de las reacciones y la acción de las enzimas, lo cual es contenido para otro tema.

Intuitivamente, podemos expresar que en el caso (a), podemos ‘esparcir’ la energía mucho mejor que en el caso (c). Entonces, una habitación desordenada no tiene por qué ser el estado más probable, y por tanto, el de mayor entropía. Depende de cómo se distribuya la energía entre sus componentes y del número de microestados que den lugar a ese estado desordenado. Jaque mate, amigos que usais la entropía como excusa para no ordenar la habitación.

Veamos otro ejemplo intuitivo, el de una tostada con mantequilla:

Mientras la temperatura se mantenga baja y no proporcionemos calor, estaremos en un estado de baja entropía y el trozo de mantequilla se mantendrá sólido sobre la tostada. Al calentar, ¿qué es lo más probable? que la mantequilla se ‘esparza’ por la tostada. Este será un estado de mayor entropía: las moléculas de la mantequilla se separan (tiene mas ‘libertad’) y distribuyen por la tostada y la energía se reparte, ‘esparciéndose’. Aquí no hay sorpresas: tenemos un proceso irreversible (una vez esparcida la mantequilla, no podemos revertir el proceso), que se mueve, tal como nos decía Boltzmann, hacia su estado de mayor probabilidad. La mantequilla no se ‘desordena’, eso es nuestra percepción de orden y desorden, ya que antes de calentar la mantequilla no estaba formando una estructura cristalina, por ejemplo. Solo era más viscosa, dando la apariencia de ser sólida. Simplemente, la energía se ‘reparte’ siguiendo el camino más probable, aumentando los grados de libertad moleculares, o aumentando el número de microestados. Como la mantequilla es un fluido no compresible, entonces la variación de entropía sólo depende de la temperatura. Al calentarla de A a B, la entropía se incrementa según:

En la ecuación, n es el número de moles y Cp el calor específico. En la tostada siempre estamos cerca del equilibrio termodinámico, por lo que aquí no vamos a tener un fenómeno de estructura disipativa, que resulta de la combinación de reacciones reversibles e irreversibles interconectadas.

Estos conceptos intuitivos que relacionan la entropía no con el orden, sino con la probabilidad y con la distribución de la energía entre componentes del sistema e intercambio con el exterior, son útiles para entender la relación entre entropía, orden biólogico o para entender cómo funcionan las enzimas o la ribozima esencial que da vida a todos los organismos vivos de la Tierra: la peptidil transferasa.

Así, finalmente, la vida, como una estructura ordenada, depende de la generación de entropía y del aumento de entropía del entorno. Consumimos moléculas de alta energía para mantener nuestra estructura y, la entropía del entorno es el precio que hay que pagar por la estructura. Como dijo Schrödinger:

Cuanto más suntuoso es un palacio, mayor es el montón de basura que genera

La emisión de CO2, orina y desechos es esencial para ‘dispersar’ o ‘esparcir’ energía, aumentando la entropía del exterior. Por ello, toda organización basada en el consumo de energía siempre, por definición, es un orden temporal, cambiante y destinado a desaparecer, altamente dependiente de cual es el mecanismo por el que disipa la energía de sus fuentes de energía y del balance entre producción y disipación de entropía. Ya sea una célula, un organismo vivo o una sociedad, todas son estructuras disipativas, temporales y dependientes de la producción de entropía. Debemos estar preparados para ello.

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