Y yo quiero ser...Químico Orgánico
(Por
Francisco Javier Toledo Marante)
Escucha música mientras lees, vete al final.
Aún recuerdo
los rostros de varios premios Nobel que se reunieron en el Puerto de la Cruz
(Tenerife) en 1980 en el denominado 12th
International Symposium on the Chemistry of Natural Products que organizó
la Universidad de La Laguna (ULL) en nombre de la IUPAC [1]. Entre ellos
destacaba el profesor Barton [2], un inglés de cara rojiza y pelo frito del que
todo el mundo hablaba por tenerlo por una eminencia de la química orgánica, y
es que en 1969, Barton había sido galardonado con el premio Nobel en Química,
compartido con Odd Hassel «por sus contribuciones al desarrollo del concepto de
conformación y sus aplicaciones en química». Obsérvese en la Fig. 1 lo que hoy
entendemos por “conformación del mentol”. Ocho licenciados, recientemente
especializados en química orgánica por la mencionada ULL, allí asistíamos
escuchando a sus eminencias discursos relacionados con el bio-petróleo,
síntesis de sustancias bioactivas demandadas por la industria farmacéutica,
espectroscopía, etc. El eminente y viejo profesor D. Antonio González González
[3], organizador del evento, se esforzaba por que todo saliese bien. Entre
tanto trajín, sin embargo, encontró tiempo para sentarse conmigo, y me dijo:
¿ves a estos? - señalando para los premios Nobel y demás genios que discutían
complejas fórmulas químicas que escribían sobre el papel mientras fumaban con
sus cachimbas-, pues que sepas que para llegar a su nivel “solo tienes que
trabajar”. Tras treinta y siete años de aquel evento, he trabajado en química
orgánica como el que más, y aún no he sido galardonado con el Nobel, pero sí
creo que he aportado datos nuevos que importantes revistas relacionadas con la
química orgánica han tenido a bien publicar [4]. Dichos datos sirven hoy de
inspiración a las nuevas generaciones de estudiantes y, quizá algún día, sean
la llave para que alguien descubra algo relevante. Al igual que, para que una
catedral se acabe de construir, alguien tuvo que poner la primera piedra, del
mismo modo, la construcción del edificio del bio-conocimiento requiere humildes
obreros especialistas en química orgánica.
Fig. 1. (+)-mentol
¿Qué es la materia orgánica, qué es la química orgánica y para qué
sirve?
Toda ciencia
se caracteriza por un objeto de estudio y un método de estudio. El objeto de
estudio de la química orgánica es la materia orgánica, la cual se puede definir
como la sustancia principal de la que están hechos los organismos. El elemento
estrella que la constituye es el carbono, pero también encontramos en sus
estructuras moleculares otros átomos (H, O, N, P, S, Cl, Br, etc.). Se formó -y
se sigue formando- a través de complejas rutas biogenéticas que se enraízan en
la fotosíntesis, ya presente en los primeros microorganismos fotosintéticos.
Puestos a clasificarla por estructura, diferenciamos nombres como azúcares,
ácidos grasos, aminoácidos, terpenos, fenoles, polisacáridos, lípidos,
proteínas, etc. Estos materiales, tras cumplir su papel en el fenómeno que
denominamos “vida”, se acumulan en el medio ambiente y juegan un rol en el
movimiento de nutrientes y en la retención del agua en la superficie del
planeta.
Fig. 2. Estructuras del halimedatrial
(arriba) y del eritrolido (abajo).
En cuanto al
método de estudio, lo definiríamos como un conjunto de dogmas (como “la
valencia del carbono es siempre cuatro”) y técnicas (como la “cromatografía en
capa fina” o la “resonancia magnética nuclear”) que nos permiten llegar a
describir la estructura tridimensional de las moléculas que constituyen un
sólido, un líquido o un gas, con la profundidad de su estructura conformacional
privilegiada en condiciones particulares de pH, temperatura, disolvente, etc.
Así, en la actualidad decimos que la Fig. 2 describe las estructuras
moleculares del halimedatrial y del eritrolido. El primero es un compuesto
sólido que biosintetizan y bioacumulan las algas marinas del género Halimeda para defenderse de los peces
que las depredan, y el segundo es otro sólido que fabrican los corales blandos
del género Erythropodium con el mismo
objetivo. Se trata, pues, de sustancias biológicamente activas fagorrepelentes
y, por tanto, son alomonas [5]. Así, pues, los seres vivos son productores de
compuestos con estructuras más o menos complejas, que tienen una función
ecológica/ fisiológica. Esto influye y determina aspectos tan importantes como
los paisajes terrestres y marinos que observamos cuando salimos al campo o
buceamos. Pero esto, ¿sirve para más? Veamos, si una vistosa esponja marina
como Aplysinaaerophoba aprendió a
biosintetizar y bioacumular productos químicos que la protegen de la oviposición
de organismos extraños –erizos, crustáceos, etc.-, esto es, productos químicos
que matan los huevos y las larvas de dichos animales competidores, ¿acaso no es
lógico, por extrapolación, que dichos productos químicos también van a ser
tóxicos para las células malignas que provocan enfermedades como leucemia o
cáncer? Ciertamente, dicho organismo se defiende con productos químicos como la
verongiamida (Fig. 3), tanto de los peces carnívoros de su hábitat como de los
mencionados huevos y larvas de organismos extraños. No es de extrañar que dicha
sustancia presente actividad inhibidora de las líneas celulares de leucemia
humana [6]. En concreto, presentó actividad citotóxica frente a la línea
celular HL60, matando el 50% de las células a una concentración de 10 μmoles
por litro. Por otra parte, este compuesto también presenta citotoxicidad frente
a líneas celulares de diferentes tumores, como el Ehrlichascitestumour (EAT) o el HeLatumour
[6].Todo ello convierte a este producto natural marino en un potencial fármaco
para el futuro. No es de extrañar que nuestro grupo de investigación ya esté
trabajando en el campo de la maricultura de la esponja marina en mar abierto
dentro del proyecto tractor de Desarrollo Industrial Sostenible de Canarias
(DISCan-2007) [6]. El lector desconfiado se estará preguntando ¿es esto
realista?, ¿en el futuro vamos a obtener fármacos por cultivo intensivo de
esponjas marinas?
Fig. 3. Verongiamida (también
denominada dienona por su estructura molecular). Es un producto de alto valor
añadido por su actividad biológica. Es presumible que en el futuro se cotizará
en el mercado del sector biomédico y ayude a salvar vidas o a mejorar la
calidad de vida de animales y hombres. Es un producto para la moderna “economía
azul”.
Dicen que para
muestra, con un botón basta, pues bien, mostremos el caso del taxol
(paclitaxel). Este es un fármaco que se viene utilizando desde hace tiempo en
la quimioterapia del cáncer de pulmón, ovario, mama y otros. Es un compuesto
que biosintetiza un árbol, el tejo del Pacífico, Taxusbrevifolia. Sin embargo, un tejo de 13 metros de altura y con
200 años de edad solo puede proporcionarnos medio gramo de taxol, por lo que
los químicos orgánicos diseñaron un método sintético para convertir en taxolla
10-deacetilbaccatina, un compuesto relacionado desde el punto de vista
estructural que se encuentra en varias especies no amenazadas del tipo del tejo
del Pacífico y que puede ser cultivado sin destruir el árbol, esto es, de forma
sostenible [7].
Para muchas
otras cosas sirve la química orgánica. Así, algunos laboratorios se esfuerzan
por sintetizar drogas complejas, como la morfina, que conserven sus propiedades
útiles (la analgesia) pero no las indeseables (adicción). Los estereoisómeros,
ordenamientos tridimensionales diferentes con la misma fórmula molecular,
pueden tener efectos terapéuticos muy diferentes. Un caso es el par quinina/
quinidina. El primero sirve para tratar la malaria mientras que el segundo se
aplica para tratar arritmias cardiacas. Por otra parte, disciplinas cercanas,
como la bioquímica o la nutraceutica, utilizan el “lenguaje” de la química
orgánica para justificar, basándose en la estructura de las biomoléculas, su
comportamiento. Así, entendemos que la estructura de doble hélice del DNA se
forma gracias a los enlaces de hidrógeno entre las bases. También razonamos,
basados en que la mayoría de las vitaminas tienen átomos con carga, el que sean
hidrosolubles, o sea, el que se eliminen fácilmente y no sean tóxicas. Sin
embargo, las vitaminas A y D, por ser no polares, se acumulan en el tejido
graso del cuerpo, lo que las hace potencialmente tóxicas en altas dosis.
¿Y cómo podemos ver la estructura de la materia orgánica? ¿Hay
instrumentos que nos permiten elucidar incluso la organización tridimensional
de las moléculas?
Las moléculas
que constituyen la materia orgánica solo se pueden “ver” por su manera de
interaccionar con la radiación electromagnética en sofisticados instrumentos
(espectrofotómetros) o su manera de romperse en un espectrómetro de masas.
Dicha interacción se suele representar en forma de gráfico - espectro. La
información contenida en dicho espectro permite deducir grupos estructurales
típicos. Así, en la Fig. 4 puede observarse un espectro de resonancia magnética
nuclear (1H-RMN) que corresponde a un líquido comercial, el
metilimidazol. La posición relativa de los picos sobre el espectro, su
intensidad y forma desvelan tres hidrógenos en una subestructura de imidazol.
La información contenida en otros espectros debe de ser consistente con la
estructura deducida, al igual que las diferentes piezas de un puzle deben de encajar
en el mismo. Solo cuando esto ocurre, el químico orgánico se atreve a proclamar
la estructura química en una publicación científica.
Fig. 4. Espectro de 1H-RMN
del metilimidazol (protones aromáticos) obtenido en la Universidad de Las
Palmas de Gran Canaria.
A modo de conclusión
La química
orgánica es una de las partes de la química más necesarias para interpretar y
desarrollar el mundo actual. Tanto el análisis cualitativo, cuantitativo y
estructural de los componentes orgánicos que constituyen la materia como su
síntesis configura una actividad científica que se desarrollada
vertiginosamente en la actualidad.
El sector
económico que más dinero mueve en nuestra sociedad, el denominado “Calidad de
Vida de los Ciudadanos”, necesita tanto de fármacos, cosméticos y nutracéuticos
como de biodiesel y bioproductos, los cuales, es presumible que nos ayudarán a
construir un mundo más limpio, saludable y sostenible. Muchos retos, como el
descubrir esa molécula que acabe definitivamente con el Cáncer siguen abiertos
e inspiran nuestro trabajo cotidiano. ¡Súmate!
Referencias:
[1]
Web de la IUPAC.
[5]
Francisco Javier Toledo Marante (2017). Marine Environmental Metabolomics. In:
Prasain JK (Ed.) Metabolomics, Fundamentals and Applications. Intech, USA.
[6]
Pere Ferriol, Francisco J. Toledo, Miquel Brunet, María J. Mediavilla,
Francisco J. Estévez, Christian C. Toledo (2013). Production of sponge
cytotoxic factors by mariculture of Verongiaaerophoba.
XIV International Symposiumon Marine Natural Products (MaNaPro-2013). Isla de
La Toja - Galicia, España Póster 178. Pág. 243.
Francisco Javier Toledo Marante
Doctor
en Ciencias Químicas –Especialidad Química Orgánica-.
Profesor Titular, Instituto
Universitario de Medio Ambiente y Recursos Naturales (IUNAT) Universidad de Las
Palmas de Gran Canaria (ULPGC)
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