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Curiosidades científicas de la vida cotidiana

El veneno está en la dosis: botulismo y botox.
En ocasiones vemos latas, tetrabricks de zumos y otros productos hinchados. Se desaconseja tajantemente consumirlos ya que podrían contener una bacteria llamada Clostridium botulinum. Esta bacteria sintetiza una toxina que actúa sobre el sistema nervioso dando lugar a la enfermedad conocida como botulismo a través de la ingesta de productos en los que ha crecido la bacteria, dando lugar a desenlaces fatales. Curiosamente, tras investigar el modo de acción de esta neurotoxina, se ha empleado en menor dosis para usos médicos y estéticos: el botox. Debido a la capacidad para bloquear la liberación de la acetilcolina, se bloquea la transmisión del impulso nervioso, y actualmente se emplea como tratamiento estético para evitar la aparición de arrugas en el rostro. Otro de los usos que se le da, es para el tratamiento de la hiperhidrosis, personas que sufren de sudor excesivo en manos y otras zonas del cuerpo que les impide llevar una vida normal.

Mr. Bean y el medio de cultivo.
En el episodio “Do it yourself”, se observa a Mr. Bean sazonando unos trozos de ramas de árbol con el clásico inglés Marmite. El Marmite es en realidad un preparado de extracto de levadura. En el laboratorio, se emplea este mismo material en polvo para elaborar medio de cultivo (LB, Ψ Broth, entre otros) para que las bacterias de uso biotecnológico como Escherichia coli crezcan. Se trata de un medio rico en nutrientes necesarios para ellas.

Los ingredientes para preparar un litro de medio LB (Luria Bertani) son:
10g de triptona
10g de NaCl
5g de extracto de levadura

Naranja langostino, naranja zanahoria.
¿Por qué cambian de color al cocerlos?
Los crustáceos sintetizan una biomolécula perteneciente al grupo de los carotenoides. Estas moléculas se pueden encontrar en distintos alimentos anaranjados y rojizos como las zanahorias (beta-caroteno) y los tomates (licopeno), aportando así su color característico y apetitoso. En los crustáceos, el carotenoide se encuentra asociado a una proteína que provoca un cambio en las propiedades ópticas y de esta forma puede camuflarse con el medio. Al elevar la temperatura, la proteína se desnaturaliza y el carotenoide se libera, recupera sus propiedades ópticas y da lugar a la aparición del característico color.

Los plátanos y sus semillas abortadas.
Esos pequeños puntos que vemos al comer un plátano o una banana, en realidad son los restos de los “abortos” de las semillas y no semillas en sí. El fruto de estas plantas no podría ser comestible de no ser por su distribución no equitativa de los cromosomas. Se trata de un cruzamiento de un organismo diploide o 2n (con un par de cromosomas, como los humanos) con uno tetraploide o 4n (dos pares de cromosomas), al “juntarse”, tendríamos tres pares de cromosomas 6n que al sufrir meiosis, darán lugar a un organismo triploide o 3n. Al ser triploide (tres juegos de cromosomas), no producirá semillas fértiles al no poder distribuir equitativamente los cromosomas porque 3/2 no da un número entero. Estas plantas se propagan por clonación y una de las variedades más populares es la Cavendish.

Al igual que los plátanos, otras variedades de frutos sin semillas pueden obtenerse por el mismo método como las sandías sin pepitas (erróneamente la gente las considera como transgénicas).

Bioquímica 7: cinética enzimática

En la entrada anterior, se habló sobre los distintos tipos de catálisis que podemos encontrar en las enzimas. Para seguir la actividad de una enzima y poder desarrollar inhibidores eficaces, ver cuál es la temperatura, el pH y otras variables físicoquímicas que determinan el ambiente óptimo para su máxima funcionalidad; los bioquímicos empleamos una serie de ecuaciones y representaciones de la cinética de la reacción.
Estas representaciones miden la velocidad (no en parámentros termodinámicos) de la reacción en presencia o ausencia de inhibidores, variando las distintas condiciones del medio.

Propongamos los siguientes supuestos:

  1. [S]>>[E] Esto quiere decir que la concentración de sustrato es mucho mayor que la de enzima.
    Mediremos la concentración de los intermediarios de reacción (complejo enzima-sustrato), a lo largo del tiempo disminuirá la concentración de enzima libre al haber exceso de sustrato. Entonces aparecerá el complejo enzima-sustrato ES.
  2. Estado estacionario: Llegamos al punto en que la concentración ES permanece constante, aunque la velocidad de aparición del producto sea lineal con el tiempo.
    A medida que pasa el tiempo, existe la posibilidad que el complejo enzima-producto EP sufra la reacción inversa en dirección al complejo ES.
    Este momento estacionario, en el que el que la concentración ES permanece constante es muy interesante para determinar cuál es la velocidad de la reacción, sirve para analizar con qué rapidez aparece el producto y la velocidad de formación del complejo ES es la misma que la de su desaparición al obtenerse el producto.
  3. Velocidad inicial: Es a la cual aparecen los primeros productos.

En términos matemáticos, en el estado estacionario la diferencia de la concentración ES en función del tiempo es igual a 0. Por lo tanto, se determina que [ES] es constante.

ec 1La velocidad de formación del complejo es la misma que la de desaparición.
Velocidad de formación V

ec 2

ec 3

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Bioquímica 6: tipos de catálisis

En el tema anterior, se habló sobre las enzimas. En este se tratará sobre el tipo de catálisis que llevan a cabo.

Los mecanismos de catálisis son fundamentalmente cuatro:

  1. Catálisis por aproximación: mediante el establecimiento de interacciones E-S. Reduce la entropía para que la reacción sea más favorable gracias a los efectos de proximidad y orientación.
  2. Catálisis ácido-base
  3. Catálisis covalente
  4. Catálisis por distorsión

CATÁLISIS POR APROXIMACIÓN:
Ocurre en todas las enzimas. Como su nombre indica, aproxima los sustratos (reactantes) y hace que la probabilidad de encuentro entre ellos sea mayor. La reacción puede ser uni o bimolecular.

CATÁLISIS ÁCIDO-BASE:
La enzima favorece la reacción actuando como ácido o como base. Se trata de un tipo de catálisis bastante frecuente en las enzimas. Los residuos de las enzimas favorecen la reacción actuando como ácido o como base (o ambos) mediante la transferencia de protones al activar la molécula de agua haciéndolo más reactivo.
La base desprotonada puede captar un protón del agua, dando lugar a un radical hidroxilo que puede formar un enlace con otro átomo.

Tema06-cat-basica
Ejemplo de catálisis básica, donde E = enzima y B = residuo básico.

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Bioquímica 5: enzimas, funcionalidad de las proteínas.

Una versión avanzada de este tema se puede leer en el apartado Enzimología.

En el tema anterior, se habló sobre las características del plegamiento proteico. Cuestión de vital importancia que otorga la funcionalidad a las proteínas.

Como hemos visto en temas anteriores, las proteínas pueden clasificarse de diversas formas y otro criterio es clasificarlas como proteínas simples, compuestas por una única cadena polipeptídica o proteínas conjugadas que tienen una parte proteica y otra no proteica. Si ese conjugado es del tipo proteico, se le llamaría apoproteína; de lo contrario, se trataría de cofactores que al unirse a la proteína, forman la entidad biológica funcional.

Muchas proteínas necesitan un ligando (una molécula unida a ellas) para poder funcionar. Las enzimas son proteínas con función catalítica, aunque también existen RNAs que al desempeñar funciones catalíticas se denominan ribozimas.

Una enzima se unirá a su sustrato (S) para dar un producto (P), formando intermediariamente los complejos ES (enzima-sustrato) y EP (enzima-producto), siguiendo una relación tal que: E+S libres → ES→ EP→ E+P libres.
Las enzimas variarán la velocidad de las reacciones al influir en su cinética, pero no en su naturaleza termodinámica. Para acelerar la reacción, deben adquirir un estado de máxima inestabilidad denominado estado de transición (transition state‡) para posteriormente evolucionar a un estado más estable. Esto ocurre mediante un reajuste electrónico y la cantidad de energía necesaria para llegar al estado de transición se denomina energía de activación ΔG. La velocidad de la reacción también dependerá del número de colisiones efectivas entre las moléculas E y S (se puede aumentar el número de colisiones  modificando las concentraciones de enzima y sustrato; también al subir la temperatura, aumentará la energía cinética de E y S y por tanto, las colisiones); cuanto más estable sea el estado de transición, las colisiones tendrán mayor efectividad y la reacción será más veloz. A menor diferencia de energía de activación, mayor velocidad.

Tema5-enzimas
Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

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Cromatografía

logosemanaciencia_altaLa cromatografía es una técnica de separación de moléculas ampliamente utilizada en los laboratorios. El término fue acuñado en 1906 por el botánico ruso Mikhail Tswett, donde se pueden identificar las palabras chromas (color) y graphos (escritura). Él separó los pigmentos (las clorofilas) que obtenía de sus extractos vegetales haciéndolos pasar por una columna rellena de un material sólido poroso. En la acualidad, este término se aplica a una metodología consistente en la separación de los componentes de una mezcla que se encuentren disueltos en una fase móvil y que por sus características físicoquímicas, conseguirán desplazarse a distinta velocidad a través de una fase estacionaria. De aquí podríamos decir que el principio predominante es la retención selectiva.

A continuación, haré una clasificación bastante simplificada sobre los tipos de cromatografía.

  1. Cromatografía plana: la fase estacionaria puede estar en una placa plana o en un papel. Como ejemplos están la cromatogragía en capa fina y la cromatografía en papel. Suele tener fines analíticos (para analizar cómo está compuesta la mezcla) ya que es más complicado y menos práctico recuperar los elementos separados para emplearlos en experimentos posteriores.
  2. Cromatografía en columna: la fase estacionaria está contenida dentro de una columna. En los laboratorios de Bioquímica donde he trabajado, esta ha sido la técnica de separación por excelencia y puede aplicarse de igual forma para fines analíticos y preparativos ya que las moléculas separadas se pueden recuperar con mayor facilidad para emplearlas en experimentos posteriores.
    Aquí podríamos identificar la cromatografía de gases y la cromatografía líquida.

Como he comentado antes, esta es una clasificación simple y dependiendo del criterio, podemos hacer distintas listas y clasificar las posibles combinaciones de técnicas y agruparlas en diferentes clases como el tipo de soporte, la clase de interacción, cómo es la fase estacionaria, etc.

En este apartado me concentraré en la cromatografía líquida.
Podemos separar las moléculas en función de:

  1. Su carga: si nos interesa una molécula con carga negativa, pondremos en la fase estacionaria una “resina” (un polímero de síntesis, los dextranos, las celulosas y la agarosa no son resinas) que tenga cargas negativas para que por interacción electrostática se repelan. Tras añadir la mezcla, las moléculas con carga de signo contrario quedarán más retenidas y variando la fuerza iónica (el tampón) podemos hacer que las moléculas que estaban unidas cambien de carga y se separen de la fase estacionaria formado por ese gradiente.
  2. Polaridad: si se mantiene una fase estacionaria altamente polar como puede ser una matriz que atrapa en sus intersticios muchas moléculas de agua, las moléculas que sean más afines por el agua, quedarán más retenidas que las moléculas apolares. En la cromatografía de reparto, la fase móvil suele ser un disolvente orgánico que arrastrará las moléculas a separar según su polaridad.
  3. Afinidad: la cromatografía de afinidad emplea el principio de la funcionalidad biológica, como cuando una hormona se une a un receptor, una proteína a su ligando o un antígeno al anticuerpo. Es extremadamente específica y la molécula que queremos separar del resto es la que tiene que quedarse retenida en la fase estacionaria. El asunto ahora consiste en cómo separar esa molécula de la fase estacionaria, hay diversos métodos y en ocasiones basta con cambiar la carga neta de la molécula para que se separe de su ligando.
  4. Tamaño: cromatografía de exclusión o penetrabilidad. Es la más simple, conceptualmente hablando. La fase estacionaria será un entramado normalmente compuesto por esferas de gel porosas, las moléculas se separarán según su tamaño físico y las más voluminosas prácticamente no interaccionarán con las esferas, saldrían junto con el volumen inicial aplicado; por otra parte, las moléculas de tamaño medio, parasán rodeando las esferas de gel y quedarán retardadas. Como comenté antes, siguiendo el mismo empuje, se tardará menos tiempo en atravesar una columna si se sigue una línea recta que si hay que ir rodeando esfera tras esfera. Las moléculas más pequeñas aún, entrarán en los intersticios de las esferas y todavía estarán más retardadas que las anteriores que sólo tenían que rodearlas. Al final, saldrán primero con el volumen inicial (o el volumen que ocupan los intersticios entre las esferas) las moléculas de mayor tamaño, posteriormente saldrán las de tamaño intermedio, y con el volumen total del líquido contenido en el lecho cromatográfico saldrá la molécula más pequeña.

Durante las actividades de la Semana de la Ciencia en Madrid, solemos poner un ejemplo práctico y muy vistoso sobre esta última descripción. Colocamos una mezcla de moléculas de azul de dextrano, la proteína verde fluorescente y el ferricianuro potásico. ¿Cuál saldrá con el volumen de exclusión? ¿Cuál saldrá en el volumen de elución (volumen intermedio)? ¿Cuál saldrá en el volumen total?
Para saber la respuesta, bastará con conocer el tamaño de cada una de estas moléculas y comprobarlo en la práctica.

Pistas: el azul de dextrano es un polímero de azúcares que forma cadenas largas y grandes, es de tamaño superior al ferricianuro potásico. La proteína verde fluorescente también es de mayor tamaño que el ferricianuro potásico.

Os animo a poner vuestras respuestas en la sección de comentarios… nos vemos en la Semana de la Ciencia.

Bibliografía:
J.M. García-Segura, J. G. Gavilanes, A. Martínez del Pozo, F. Montero, M. Oñaderra, F. Vivanco. Técnicas Instrumentales de Análisis en Bioquímica. 2007. Ed. Síntesis.