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La situación de la química

La química es la ciencia que conecta la realidad de la materia con su composición íntima. Todo lo que nos rodea está constituido por sustancias químicas, y por lo tanto, la química se puede considerar la ciencia central y la ciencia de las cosas cotidianas.

Aunque no seamos conscientes, todos interaccionamos cada día con miles de sustancias químicas, como los componentes del aire que respiramos, los alimentos que ingerimos, el agua que utilizamos o los diversos utensilios del hogar. La inmensa mayoría de estas sustancias químicas son beneficiosas para nuestras vidas.

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Actualmente, la química beneficia nuestras vidas en los siguientes aspectos:

a) Salud humana: medicinas, materiales de diagnóstico, lentes de contacto, prótesis…

b)  Veterinaria: sustancias para cuidar la salud de nuestro ganado y animales de compañía…

c) Agricultura: protección de cosechas (pesticidas, herbicidas, insecticidas), fertilizantes, abonos, micronutrientes, análisis de la composición química del suelo…

d) Alimentación: potabilización de agua, aditivos alimentarios, métodos de análisis que controlan la calidad y seguridad de los alimentos…

e)  Energía: aplicaciones en transporte, calefacción, refrigeración, artilugios portátiles para producir energía…

f)  Protección ambiental y toxicológica: métodos para descontaminar, antídotos  contra sustancias tóxicas, procesos y productos convenientes desde el punto de vista medioambiental, procesos de generación de energía ‘limpia’…

g)  Deportes: métodos y productos para controlar y mejorar de la salud del deportista, lucha antidopaje, materiales para la práctica deportiva, instalaciones deportivas…

h)  Productos para nuestro cuidado personal: higiene, cosmética…

i)  Materiales útiles: tejidos, velcro, colorantes, celofan, tintas, piezas de vehículos, electrónica, automóviles…

j)  Soporte científico para explicar fenómenos naturales: vida, detección en planetas extrasolares…

A pesar de los evidentes y  múltiples beneficios que la química aporta al ser humano; esta ciencia es, en cierto modo, una gran desconocida; no teniendo ni el prestigio de las matemáticas o la física ni el atractivo de las ciencias biomédicas. Además, muchas veces la química es maltratada por la sociedad y, especialmente, por los medios de comunicación; usándose el adjetivo “químico/química” como sinónimo de perjudicial.

Esta percepción sobre la química es errónea e injusta. Si hay exceso de contaminación “química” no es debido a la sustancia química en cuestión, sino al abuso que los seres humanos hacemos de las sustancias químicas.

Una parte importante de esta contaminación se debe al uso excesivo de derivados del petróleo, gas natural y carbón como fuentes de energía; lo que provoca un aumento considerable en la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Todos debemos ser conscientes de este problema y debemos minimizar el consumo energético basado en fuentes no renovables.

Otra fuente de contaminación son los residuos que generamos; que puede ilustrarse con el excesivo uso de bolsas de plástico. Los ciudadanos nos quejamos mucho de que se encuentre plástico en sitios insospechados, como los mares o las cumbres de las montañas. Es evidente que un plástico no tiene patas para ir hasta allí, sino que es responsabilidad del ser humano.

Estos dos ejemplos y muchos más que se podrían citar [abuso de producto comunes en el hogar (detergentes, insecticidas, etc.) o de sustancias fitosanitarias (fertilizantes, herbicidas, etc)] son responsabilidad humana y no de la química.

Otra concepción errónea sobre la química es la habitual creencia de que todo lo natural es no químico y es beneficioso; y, al contrario, lo químico es sinónimo de artificial y perjudicial. Detrás de estos mensajes (muchas veces publicitarios) hay intereses comerciales de empresas sin escrúpulos que con la etiqueta “natural” (o análogas, como “ecológico”) cobran más caros unos productos que frecuentemente no han pasado el suficiente control de calidad. Las empresas que usan reclamos del tipo “todo natural”, como sinónimo de “ninguna química” están aprovechando una falta de cultura científica del consumidor; es imposible que algo no tenga química, pues todo es una mezcla de sustancias químicas, desde una hierba que podamos recoger en el campo más silvestre hasta el coche más sofisticado de Fórmula 1.

Por lo tanto, cuando se anuncia un pan como algo natural y se identifica con “exento de química” (como algún anuncio muy conocido) se está mintiendo; al menos en dos facetas: el pan es un producto elaborado, por lo tanto no es un producto natural (lo natural son las espigas de trigo) y no se puede decir que no tiene química, pues es una mezcla compleja de sustancias químicas.

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No creáis que los químicos despreciamos los productos naturales; al contrario, la investigación en los mismos ha sido un motor de desarrollo de la química y una fuente de inspiración para los químicos. También es conveniente que el público sepa que las sustancias más tóxicas son todas naturales. La siguiente figura muestra los nombres de los nueve compuestos químicos más tóxicos y las estructuras (conectividad entre átomos) de algunos de ellos. Cualquiera de estos compuestos son millones de veces más peligrosos que cualquier sustancia artificial. Por lo tanto, cuidado con consumir productos naturales sin el necesario control sanitario. Y una conclusión de este hecho científico es que los herbolarios no controlados son un peligro potencial para la salud pública.

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Estos compuestos químicos naturales y otros similares son una fuente de inspiración para los químicos y retos científicos tales como su obtenciónn o entender la relación que existe entre la estructura y la actividad biológica. Con modificaciones en la estructura de estas moléculas se puede conseguir cambiar el efecto tóxico por un efecto beneficioso, generando fármacos.

En definitiva, entre unas cosas y otras, la química no goza de una buena imagen social. Los propios químicos somos, en cierto modo, culpables de esta situación, pues no hemos sido capaces de difundir adecuadamente los logros de nuestra ciencia.

Notas:

1)    Este artículo es una parte (adaptada) del más amplio que con el título ¿Quieres saber lo que se ha hecho en el Año Internacional de la química en España? se publicó en el número 3 de la revista Journal of Feelsynapsis (2012, 3, 126-141, http://feelsynapsis.com/jof/003/index.html).

2)   Este post participa en la XIV edición del Carnaval de Química (http://educacionquimica.wordpress.com/2012/04/03/inauguracion-del-xiv-carnaval-de-quimica/) que aloja el blog Educación Química.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La historia del número de Avogadro y su valor numérico

El año pasado se cumplieron 200 de la hipótesis (ahora ley) de Avogadro. Si los químicos de la época hubiesen aceptado su propuesta, la química hubiese avanzado rápidamente. La hipótesis de Avogadro establece que a igual de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases contienen el mismo número de moléculas. El número de moléculas en un mol de sustancia es, por definición, el Número de Avogadro. Por supuesto, Avogadro no bautizó el número con su nombre ni determinó su valor. Ambas cosas las propuso Jean Perrin, Premio Nobel de Física en 1926. Para determinar el valor del Número de Avogadro se basó en un desarrollo teórico realizado por Albert Einstein en 1905, su año milagroso. Este artículo ha sido contado en otro post, recomendando el excelente libro Einstein, 1905. Un año milagroso. Cinco artículos que cambiaron la física.

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La hipótesis de Avogadro explicaba algún hecho aparentemente inexplicable a principios del siglo XIX, especialmente en las reacciones de gases; por ejemplo, que dos volúmenes de hidrógeno se combinen con un volumen de oxígeno para dar (sólo) dos volúmenes de vapor de agua.
De la hipótesis de Avogadro se desprende la definición de molécula, “como el agregado más pequeño de átomos, iguales o diferentes, capaces de existir independientemente y poseer las propiedades de la sustancia que se encuentra constituida por un conjunto de moléculas“. En esta definición está recogida la realidad de que los átomos individuales no existen y que incluso los elementos químicos existen como moléculas en fase gas. Analizando los resultados experimentales conocidos en la época a la luz de la hipótesis de Avogadro hubiese llevado a la conclusión de que los elementos químicos gaseosos (o fácilmente vaporizables) conocidos en la época eran moléculas diatómicas (H2 para el hidrógeno, N2 para el nitrógeno, O2 para el oxígeno, Cl2 para el cloro, Br2 para el bromo y I2 para el yodo). La excepción son los gases nobles, pero no se conocían en la época.
Sorprendentemente, esta hipótesis pasó inadvertida para la comunidad química durante casi 50 años. Si se hubiese tenido en cuenta, el trabajo de los químicos de la época hubiese sido más fácil, se hubiese podido establecer correctamente la fórmula de muchos compuestos químicos y se hubiesen podido determinar con precisión los pesos atómicos de los elementos.
¿En qué circunstancia se produjo la aceptación de la hipótesis de Avogadro? Fue consecuencia de la insistencia de un joven químico italiano, Stanislao Cannizzaro (1826-1910), en el congreso de Karlsruke, celebrado en 1860. Esta historia se ha contado en otro post y no la voy a repetir aquí.

A continuación se indican tres artículos sobre la historia del Número de Avogadro y como su valor ha cambiado a lo largo de la historia. Dos de los artículos han sido escritos por William Jensen, excelente historiador de la química.

How and When Did Avogadro’s Name Become Associated with Avogadro’s Number? W. B. Jensen, J. Chem. Educ. 2007, 84, 223. El artículo se puede descargar aquí.

Why Has the Value of Avogadro’s Constant Changed Over Time? W. B. Jensen, J. Chem. Educ. 2010, 87, 1302. El artículo se puede descargar aquí.

Actualmente, hay un artículo en prensa en Analytical Chemistry en el que han determinado con mucha precisión el peso atómico del silicio; lo que permite, a su vez, determinar el Número de Avogadro.

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El resumen del artículo (como aparece en la página web) se indica en la siguiente imagen.

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En mi libro Los Avances de la Química (Libros de la Catarata-CSIC, 2011) también cuento algunos detalles históricos del desarrollo de la química.

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Nota: Esta entrada es mi segunda participación en la XII Edición del Carnaval de Química, que aloja el blog Historias con mucha química (como todas) que administra  María Docavo, uno de los activos de futuro de la RSEQ.

Bernardo Herradón García
CSIC y RSEQ
b.herradon@csic.es

Balance de un año. Todo es química.

Hoy hace un año que se inauguró el Año Internacional de la Química en España. Este 8 de febrero también coincide (según el calendario Gregoriano) con el 178º aniversario del nacimiento de Dimitri Mendeleev; posiblemente el químico más importante que ha existido. Estas dos conmemoraciones se trataron en este blog.

2011 fue declarado Año Internacional de la Química por Naciones Unidas, que comisionó su gestión a la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) y a la UNESCO.

El año pasado fue muy importante para la química. Se organizaron numerosas actividades en todo el mundo y España no fue una excepción. Personalmente me impliqué en numerosas tareas, que se resumen en las imágenes siguientes (pulsando sobre ellas, se obtienen de mayor tamaño).

Documentación diversa (copias de las charlas, entrevistas, copias del material de las exposiciones, lecciones del curso, programas de radio, artículos de divulgación y difusión en diversos medios, etc.) que recoge las diferentes actividades en las que he participado se pueden descargar en la web, especialmente en la página Los Avances de la Química , cuya portada durante 2011 estuvo dedicada al AIQ. En el menú lateral de esta web también se puede descargar material. Otros colegas en España han realizado actividades muy interesantes. En un próximo post en esta o en otra web (Los Avances de la Química, Educación Química, Grupo de Facebook de la RSEQ, Todo es Química-2012) haré un resumen de otras actividades realizadas; aunque los anuncios y algunos detalles se pueden encontrar aquí.

El principal objetivo del AIQ ha sido intentar que la sociedad cambiase la percepción que tiene sobre la química. Creo que esto se ha logrado, como lo demuestra el tratamiento que la prensa da a la química. Ya no se considera que la química es la “causante de todos los males de la humanidad” y se la empueza a tratar con justicia, dándole el merito de ser una ciencia fundamental en nuestro bienestar y con gran potencialidad futura.

Sin embargo, no podemos relajarnos. Vivimos un momento histórico en el que dependemos de la ciencia y la tecnología; sin embargo, la sociedad, aunque se beneficia de este progreso, no reconoce este papel. Esta situación es global, pero se acentúa en países con poca tradición y cultura científica como el nuestro. Carlos Elías describe muy bien este momento que vive la ciencia en su libro La razón estrangulada, de lectura recomendada. Además, la química, aunque mejor considerada que hace un año, sigue siendo una especie de Cenicienta de la Ciencia. No tenemos el glamour de las ciencias biológicas, ni el prestigio de las matemáticas o la física. Por todas estas razones, los químicos debemos seguir publicitando adecuadamente nuestra ciencia y tenemos que seguir haciendo esfuerzos para transmitir los avances de la química a la sociedad.

¡Celebremos 2012 como un año químico!

¿Hacen falta razones para celebrar que 2012 es también un año químico? Mira a tu alrededor, ¿que ves? química. ¿Que tienen de común el día de hoy, ayer, hace un mes, 5 años o dentro de 10 años? química.

Todos interaccionamos cada día con miles de sustancias químicas, desde el aire que respiramos, el alimento que ingerimos, la ropa que llevamos, la energía que gastamos,…..¡Todo es química!

Esto queda reflejado en la siguiente imagen, donde nuestro planeta está rodeado por numerosos artículos que conocemos y la mayoría usamos para nuestro beneficio. Y es que la química, literalmente, nos rodea. Todos estos materiales están hecho de sustancias químicas.

En definitiva, la química es la ciencia que contribuye a:

1) Disfrutar de una vida más larga.

2) Que la vida sea más saludable.

3) Proporcionarnos agua pura y potable.

4) Conseguir más y mejores alimentos.

5) Cuidar de nuestro ganado.

6) Suministrar energía, con la que nos calentamos, nos movemos en transportes mecánicos o refrigeramos.

7) Que nuestras ropas y sus colores sean más resistentes y atractivos; mejorar nuestro aspecto con perfumes, productos de higiene y de cosmética; contribuir en la limpieza del hogar y de nuestros utensilios; ayudar a mantener frescos nuestros alimentos; prácticamente proporcionarnos todos los artículos que usamos a diario, desde la tinta con la que escribimos o el papel en el que escribimos.

8 ) Permitirnos estar a la última en tecnología: con el ordenador más potente y ligero; con el móvil más ligero; con el sistema más moderno de iluminación; con el medio de transporte adecuado; con el material para batir marcas deportivas; y con muchas aplicaciones más.

En resumen, necesitamos la química en nuestras vidas, Y TODO ES QUÍMICA, TAMBIÉN EN 2012.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La química en la nanociencia

El futuro de la humanidad dependerá de tener instrumentos útiles en nuestro trabajo, tecnologíaa, ocio y vida cotidiana. Estos instrumentos se fabricarán con materiales adecuados. Por razones prácticas (propiedades mejoradas y modulables) y energéticas, se tenderá a minimizar el tamaño de los artilugios.

Para alcanzar estos objetivos serán fundamentales los avances científicos y tecnológicos en nanociencia, en la que la química tiene mucho que aportar en el diseño, preparación y caracterización de nanomateriales.

La nanociencia y sus aplicaciónes (nanotecnología) es un áreas de la ciencia de los materiales que aborda el estudio de objetos (una nanopartícula, NP) en escala nanométrica (orden de escala de centenares de nanometros, nm, 1 nm = 10-9). Ya existen numerosas aplicaciones industriales de los nanomateriales, con más de  1000 productos en el mercado que contienen nanopartículas (NPs), desde productos de cosmética a material deportivo. Esta es un área de negocio con un desarrollo muy amplio y unas excelentes perspectivas de futuro.

Actualmente existen muchos materiales nanoparticulados, especialmente derivados de metales de transición, como el oro, los óxidos de hierro, el dióxido de titano, el óxido de zinc o el paladio, que se están aplicando en diversas investigaciones en fase académica, tales como la catálisis, transferencia energética, materiales magnéticos, etc. Otras aplicaciones prácticas de la nanotecnología serán en el desarrollo de equipos  pequeños para monitorización (ambiental, salud, etc.) o en la fabricación de nanocápsulas para transporte de fármacos. Se podrán liberar fármacos en los órganos adecuados del paciente sin afectar a otras partes del cuerpo. Las nanocápsulas podrán dirigirse al sitio adecuado, por ejemplo usando materiales magnéticos.

Uno de los objetivos de la nanociencia es obtener NPs  con estructuras determinadas (a medida) que se puedan correlacionar con las propiedades, lo que es importante para el diseño de nanomateriales con propiedades definidas (“materiales a medida”, “tailored’). Para alcanzar este objetivo se ha intentando combinar las propiedades de NPs de diversos tipos. Se ha empleado la mezcla física de las mismas, pero el resultado no ha sido satisfactorio. Se piensa que la combinación química de NPs puede ser un método más adecuado, pues permitiría combinar diferentes NPs a voluntad, con propiedades mejoradas (efecto sinérgico), con mayor control de la estructura del material, y mayor estabilidad.

En el último número de ACS Nano (2012, volumen 6, número 1) se publica un articulo (Hamers y col, ACS Nano 2012, 6, 310-318) en el que se ha diseñado una estrategia para la obtención de NPs híbridas formadas por la combinación de óxidos de wolframio (WO3) y titanio (TiO2) a través de reacciones de [3+2] de alquinos con azidas (reacción de Huisgen) que ha sido convenientemente actualizada por Sharpless (Premio Nobel de Química en 2001 por el desarrollo de métodos de síntesis asimétrica a través de reacciones de oxidación) como uno de los métodos preferido para realizar la click chemistry; y que ha sido ampliamente usada en múltiples aplicaciones, desde la biomedicina a la ciencia de los materiales.

En esta investigación, los óxidos nanoparticulados (WO3 y TiO2)  son modificados con ligandos orgánicos con funcionalidad azida y alquino, respectivamente y se hacen reaccionar por el método desarrollado por Sharpless.

(De Hamers y col, ACS Nano 2012, 6, 310-318)

Los óxidos metálicos nanoparticulados, como el WO3 y el TiO2, son capaces de facilitar la separación y transferencia de carga promovidas por radiación lumínica. Esta propiedad hace que estos materiales sean muy atractivos para producir células fotovoltaicas, adecuados para fabricar paneles solares. Otra aplicación de estos nanomateriales es en fotocatálisis, es decir la aceleración de reacciones químicas por la radiación luminosa.

La posibilidad de mezclar varios tipos de óxidos metálicos nanoparticulados puede proporcionar mejores materiales para lograr estos objetivos. El trabajo descrito en ACS Nano describe la síntesis y caracterización de estos materiales y comprueban mejoras en las propiedades de los materiales híbridos en comparación con las NPs individuales, entre ellas, una eficaz transferencia de carga promovida por la luz y eficiente degradación fotoquímica del colorante azul de metileno.

Aunque las aplicaciones prácticas de esta investigación son evidentes, no hay que olvidar que es aún investigación básica; se están poniendo los cimientos para que en poco tiempo se puedan realizar aplicaciones tecnológicas. Otro aspecto importante de esta investigación es que se han desarrollado materiales con los que se pueden estudiar procesos básicos en ciencias físicas y químicas, como son entender procesos de transferencia electrónica e interacción de la luz con la materia.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La concentración, el efecto biológico y noticias sobre sustancias químicas.

El diario PÚBLICO ha publicado la siguiente noticia.

Empiezo este post dejando claro que la contaminación ambiental en productos de consumo (cremas solares, medicamentos, plásticos, productos fitosanitarios, detergentes, etc.) es debido a que el ciudadano abusa de estos productos de consumo. Lo que no se usa acaba en el río. Para comentarios mios sobre esto, podéis ver la siguiente imagen.

La noticia sobre los protectores solares es un claro ejemplo de INCULTURA CIENTÍFICA. Una vez más se publicita la presencia de sustancias químicas en el medio ambiente, sin hacer referencia a la concentración (un concepto fundamental en química) ni la relación entre la dosis (concentración) y el efecto biológico. Esto ya lo dijo Paracelso hace 500 años.

Actualmente la química analítica tiene herramientas poderosas que son capaces de determinar cantidades ínfimas de sustancias químicas en un medio (agua, aire, alimentos, etc.). Se puede llegar a detectar cantidades menores de partes por billón (es decir del orden de 0’000000000001). Este gran avance científico proporciona al ciudadano un dato científico sólido que, unido a la relación dosis-efecto, debería tranquilizar a la población. Este tema ha sido acertadamente descrito por Yanko Iruín en su Blog del Buho. Recomiendo la lectura de ese artículo, que podéis descargar aquí.

En la noticia  se dice que “hay que beber 100.000 litros de agua para poder sufrir daños“. Entonces, ¿hay que crear alarma o no?

Esta noticia es parecida a las similares sobre “hay 620 kg de cocaina en el rio Ebro” (y para notar los efectos hay que beberse un millón de litros) o “cocaína en el aire de Madrid” (y para notar el efecto hay que esnifar una columna de 2 km de aire). Es decir, poco valor científico.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Química y alimentos

Un alimento es toda sustancia no venenosa, comestible o bebible que consta de componentes que pueden ingerirse, absorberse y utilizarse por el organismo para su mantenimiento y desarrollo.

Desde un punto de vista químico, los alimentos tienen la siguiente composición (en tipos de compuestos químicos):

1) Hidratos de carbono o sus constituyentes.

2) Grasas o sus constituyentes.

3) Proteínas o sus constituyentes.

4) Vitaminas o precursores con los que el organismo puede elaborarlas.

5) Sales minerales.

6) Agua.

Por lo tanto, todo lo que comemos es una mezcla de compuestos químicos.

Actualmente no existen problemas de producción de alimentos en el mundo; y si existe hambre en nuestro planeta es por un problema de distribución, en los que entran en juego intereses sociales, económicos, políticos, bélicos, etc.

A principios del siglo XIX, el filósofo Malthus (1766-1834)  hizo el pronóstico de que en unas décadas la humanidad iba a desaparecer por falta de alimentos. Evidentemente se equivocó.

A pesar de que la superficie de terreno cultivado es mucho menor que hace dos siglos, tenemos alimentos suficientes para alimentar a los habitantes de un problema superpoblado. La razón es que el terreno agrícola es ahora mucho más productivo, es capaz de producir mayores cosechas y estas no se pierden por  culpa de las plagas.

La química ha jugado un papel muy importante en este mayor rendimiento agrícola; proporcionando sustancias químicas que mejoran las cosechas (abonos, fertilizantes), supresores de plantas no productivas (herbicidas selectivos), protectores de plagas (plaguicidas, pesticidas) y aditivos para cosechas (quelantes de cationes).

Todas estas sustancias químicas tienen un papel beneficioso para el ser humano si se usan en la dosis adecuada (la que necesita la cosecha); si se usan en exceso, lo que no se necesita va a los distintos ecosistemas provocando problemas medioambientales.

Además, la química también ayuda a conocer las características del suelo, lo que permite una agricultura más racional. La química proporciona productos que cuidan la salud de nuestro ganado y acuicultura (nuestra principal fuente de proteínas) y purifica y potabiliza el agua.

También es importante destacar que actualmente podemos conservar los alimentos más tiempo y no dependemos, como en el pasado, de un consumo estacional y rápido. Esta situación permite racionalizar mejor la distribución de alimentos. Aunque en la antigüedad ya se conocían alguna manera de conservar alimentos (salmueras, salazones, ahumados, etc.), estos métodos modificaban su sabor y propiedades.  Actualmente disponemos de sustancias químicas más versátiles y con mejores propiedades para conservar alimentos durante más tiempo. Los conservantes son un tipo de aditivos alimentarios.

Un aditivo alimentario es una sustancias que se añade a los alimentos, sin propósito de cambiar su valor nutritivo, principalmente para alargar su periodo de conservación, para que sean más sanos, sepan mejor y tengan un aspecto más atractivo. Los aditivos se clasifican según su función en:

1) Colorantes: modifican el color.

2) Edulcorantes: modifican el sabor

3) Aromatizantes: modifican el olor.

4) Conservantes: impiden alteraciones químicas y biológicas.

5) Antioxidantes: evitan la oxidación de los componentes de alimentos.

6) Estabilizantes: mantienen la textura o confieren una estructura determinada.

7) Correctores de la acidez.

8) Potenciadores del sabor: refuerzan el sabor de otros compuestos presentes.

Los aditivos tienen un código formado por la letra E seguida de tres cifras (E-_ _ _). Aunque a veces se ha especulado que este sistema es oscuro para despistar al consumidor; su objetivo es el opuesto, pues sirve para que sepamos que aditivos tienen los alimentos que consumimos, independientemente del idioma en el que esté escrita la etiqueta o prospecto. La lista de aditivos alimentarios, y sus códigos corerspondientes, se puede descargar aquí.

Sobre el efecto para la salud de los aditivos alimentarios se podría hablar largo y tendido (quizás para futuros artículos en el blog); pero lo que es cierto es que todos los autorizados han tendido que pasar los registros de sanidad y/o consumo correspondientes en los distintos países. Otro asunto es que el uso y la producción masiva y/o descontrolada de algunos de ellos (por ejemplo, los colorantes) pueda ser perjudicial para la salud; pero para tener la certeza de la peligrosidad y/o inocuidad, habrá que seguir investigando; y los científicos del área de la ciencia de alimentos están dedicando muchos esfuerzos a esta tarea.

Más información.

Bernardo Herradón-G y Yolanda Pérez

CSIC y Universidad Rey Juan Carlos

herradon@iqog.csic.es

yolanda.cortes@urjc.es

Comentarios sobre las reacciones de Heck, Negishi y Suzuki. Premio Nobel de Química 2010.

La Real Academia Sueca de Ciencias ha anunciado la concesión del Premio Nobel de Química a Richard F. Heck (1931, Profesor Emérito de la Universidad de Delaware), Ei-ichi Negishi (1935, Universidad de Purdue) y Akira Suzuki (1930, Profesor Emérito de la Universidad de Hokkaido). La concesión del premio se ha hecho por su contribución al desarrollo de métodos sintéticos catalizados por complejos de paladio, que han permitido la preparación de miles de compuestos orgánicos de estructuras variadas, útiles en todas las áreas en las que influye la Química: salud, alimentación, agricultura, tecnología, materiales, energía, etc…

Las reacciones de formacion de enlaces C-C catalizadas por paladio ocupan una posicion predominante en Química orgánica. La reacción descubierta de manera independiente por Mirozoki y Heck a comienzo de los años 1970s, que posteriormenete desarrolló Heck, fue pionera y abrió el camino a posteriores desarrollos. La reacción de Heck es el acoplamiento entre una olefina ( nucleófilo) y un electrófilo (generalmente un haluro poco reactivo en reacciones de sustitución nucleófila). Reacciones similares a esta son la de Stille, Sonogashira y Negishi que implican el uso de organoestannanos, alquinos terminales, y organozincicos, respectivamente. Otra reacción útil desde el punto de vista sintético es la sustitucion nucleofila catalizada por paladio de compuestos alilicos, conocida como la reaccion de Tsuji-Trost. Un proceso análogo es la reaccion de Buchwald-Hartwig, que en su variante mas comun consiste en el acoplamiento de aminas secundarias con haluros de arilo. Muchas otras reacciones similares (Kumada, Hiyama, Ito, etc.) se han descrito en la bibliografía, pero no son tan versátiles como estas. Esquemas generales de estas reacciones se indican a continuación.

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Otro proceso fundamental catalizado por paladio es el conocido como reaccion de Suzuki, la cual consiste en la formacion de enlaces carbono-carbono catalizada por paladio mediante el uso de organoboranos. La aplicacion mas extendida de esta reaccion consiste en la preparacion de biarilos y estructuras analogas las cuales son de gran importancia en areas como la preparacion de moleculas biologicamente activas o materiales conjugados con aplicaciones tecnologicas. Desde que fuera descrita por primera vez en el año 1979 por Suzuki esta reaccion ha estado sometida a un constante proceso de mejora enfocado a conseguir condiciones de reaccion cada vez mas suaves y tolerantes con el mayor numero de sustratos posibles. Estas mejoras se han centrado principalmente en el desrrollo de aditivos diseñados para actuar como ligandos y entre los que destacan los basados en fosfinas y mas recientemente carbenos heterociclicos. Asi, hoy en dia es posible llevar a cabo esta reaccion a temperatura ambiente incluso empleando los poco reactivos pero economicamente mas asequibles cloruros de arilo como electrofilos. En la figura siguiente se muestra la reacción general y algunas aplicaciones sintéticas.

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Bibliografía

1) Classics in Total Synthesis. II.  More Targets, Strategies, Methods. Nicolaou y Snyder, 2003.

2) Classics in Total Synthesis. Targets, Strategies, Methods. Nicolaou y Sorensen. 1996.

3) Portal de reacciones en Química Orgánica

4) Elements of Synthesis Planning. Hoffmann. 2009.

5) Synthesis of Biaryls. Cepanec. 2004.

Enrique Mann (mann@iqog.csic.es) y Bernardo Herradón (herradon@iqog.csic.es)

IQOG-CSIC

Cinética y dinámica química

Una parte importante de la química física es el estudio de los mecanismos de reacción; lo que implica conocer el “camino” por el que los sustratos (materiales de partida, reactivos, reactantes) se convierten en los productos en una reacción química. Tiene tres aspectos relacionados a considerar:

1) La velocidad de reacción. Es decir, cómo de rápido los sustratos se convierten en productos. Normalmente, la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de los materiales de partida. La constante de proporcionalidad, denominada constante de velocidad o constante cinética (k), es la característica importante de una reacción química. El área de la química física que determina velocidades de reacción (experimentalmente) es la cinética química.

2) Energía. Conocer un mecanismo detallado de reacción implica conocer el contenido energético de cada una de las especies químicas. Muy pocas reacciones químicas transcurren en una única etapa y lo habitual es que los sustratos se conviertan en productos a través de varias especies químicas, denominadas intermedios de reacción, que normalmente suelen tener más energía (es decir, termodinámicamente menos estable) que los sustratos o productos. Cada conversión de sustrato en intermedio o de estos en productos transcurre a través de un máximo energético, que es el estado de transición de cada etapa elemental; la diferencia de energía entre cada intermedio y el máximo energético es la energía de activación (Ea) de la etapa elemental. La energía de activación de la reacción global es igual a la mayor energía de activación de las etapas elementales. Con las diversas etapas elementales e intermedios de reacción, el perfil de una reacción (la representación de la energía frente al progreso de la reacción) es un conjunto de montes y valles como se representa en la imagen siguiente.

Perfil_energia

Del sitio web.

La Ea es el parámetro termodinámico fundamental para determinar lo fácil o difícil que puede ser una reacción química. Arrenhius postuló que k depende exponencialmente del valor negativo de la energía de activación (Ea), dando lugar a la ecuación de Arrhenius, que ha sido suficientemente probada experimentalmente. Debido a la dependencia inversamente exponencial entre k y Ea, cuanto mayor es Ea, menor es la velocidad de reacción.

Ecuacion_Arrhenius

A partir de datos cinéticos a diversas temperaturas se puede determinar la energía de activación de una reacción química. Por métodos espectroscópicos o por cualquier medio indirecto (por ejemplo, “atrapándolos” en reacciones secundarias) se pueden identificar algunos intermedios (cuanto más estable, más fácil se detecta); pero es difícil determinar experimentalmente la existencia de todos los intermedios sintéticos de una reacción. En los últimos tiempos, la investigación de mecanismos de reacción ha recibido un impulso considerable de la química computacional, dónde no existe el “inconveniente” de la inestabilidad de una especie química para proceder a su estudio. En  esta aproximación, se postulan posibles intermedios sintéticos y estados de transición de las etapas elementales; y se determinan computacionalmente sus energías y estructuras (geometrías: conectividades, distancias de enlace, ángulos de enlace y ángulos diedros). La metodología computacional permite decidir si la estructura propuesta como estado de transición es realmente un estado de transición y, además, se corresponde con la transformación propuesta.

3) Movimientos de los componentes del átomo.  Para conocer el mecanismo de reacción detallado, es decir a nivel atómico, es necesario conocer el movimiento de los núcleos y de los electrones. Este era un reto considerado imposible de alcanzar experimentalmente, aunque el proceso se puede modelizar por métodos computacionales. Un avance considerable se consiguió cuando se usaron pulsos láser de duración ultracorta.

Cinética química experimental. El objetivo es determinar la variación de la concentración de sustratos o productos con el tiempo y ajustar los datos a alguna de las ecuaciones teóricas de la cinética química.

Muchas reacciones importantes, por ejemplo la reducción de nitrógeno a amoniaco ocurren muy lentamente, siendo necesaria la presencia de un catalizador; que es una especie química que no se consume en una reacción, pero que aumenta la velocidad de la misma. Por supuesto, aunque el catalizador no se consume en la reacción, sí participa en el mecanismo de la misma, generando intermedios de reacción que evolucionan regenerando el catalizador, que vuelve a comenzar el ciclo catalítico. Las cinéticas de estas reacciones “lentas” se pueden seguir con un cronómetro.

Con el objetivo de obtener datos de las etapas elementales de un mecanismo de reacción (o determinar la velocidad de una reacción muy rápida), dónde hay que determinar la variación de concentración de intermedios  (que están presente en muy pequeñas concentraciones y con tiempos de vida, generalmente, muy cortos), fue necesario desarrollar métodos experimentales adecuados. Manfred Eigen (Premio Nobel en 1967) desarrolló métodos adecuados para medir la velocidad de reacciones en la escala de tiempo de los microsegundos (un microsegundo = 10-6 segundos). El método de relajación desarrollado por Eigen consiste en alterar un estado de equilibrio de una reacción química (suministrando energía de alguna manera) y midiendo el tiempo que tarda el sistema en volver a alcanzar el equilibrio.

Más recientemente, Ahmed Zewail (Premio Nobel en 1999) encontró que se podía usar un pulso láser de femtosegundos (un femtosegundo = 10-15 segundos) de duración para estudiar experimentalmente detalles y velocidades de reacciones a nivel atómico, siendo una técnica poderosa para seguir el movimiento de los núcleos en una molécula durante una reacción química.

Zewail anticipó que un pulso láser de duración de atosegundos (un atosegundo = 10-18 segundos) permitiría monitorizar el movimiento de los electrones durante una reacción química. Esto se ha conseguido recientemente. Los autores del artículo (Nature, 2010, 465, 763), estudiando la reacciones de fotoionización de las moléculas de hidrógeno (H2) y de deuterio (D2), un isótopo del hidrógeno. Los resultados experimentales han sido completados con extensos cálculos mecano-cuánticos para resolver la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo (la ecuación que describe el estado de un sistema cuántico, por ejemplo, un electrón), que ha llevado el uso de un superordenador durante muchos miles de hora, pues aunque el sistema solo tenga dos electrones, la resolución de dicha ecuación no es analítica debido al efecto de correlación electrónica (la interacción entre los dos electrones del sistema).

Ionizacion_H2

Este tipo de estudios supone un avance considerable en el estudio de las reacciones químicas, constituyendo un área de la química física, denominada dinámica química.

Sobre las publicaciones científicas

En la edición de The Scientist del 14 de junio de 2010, se ha publicado el artículo Is Peer Review Broken?, dónde se analiza el hecho del gran número de artículos rechazados por las revistas punteras (del área de Biología, pero extrapolable a otras Ciencias), y lo que esto significa y provoca.

En ese artículo se ctan una declaraciones muy interesantes de Peter Lawrence. Lawrence es un biólogo del desarrollo de gran y merecido pretigio y curriculm espectacular (premio Prínipe de Asturias en 2007). Lawrence comenta que sus, aproximadamente, primeros 70 artículos se publicaron en las revistas a las que se enviaron originalmente. De pronto, esto cambió.

Como el redactor de la revista lo explica mejor que yo, reproduzco a continuación el párrafo en el que Lawrence cuenta que pasó después:

Lawrence, based at the MRC Laboratory of Molecular Biology at Cambridge, UK, says his earlier papers were always published because he and his colleagues first submitted them to the journals they believed were most appropriate for the work. Now, because of the intense pressure to get into a handful of top journals, instead of sending less-than-groundbreaking work to second- or third-tier journals, more scientists are first sending their work to elite publications, where they often clearly don’t belong

Los que seguís este blog, sabéis que soy un poco ingenuo en ciertas apreciaciones relacionadas con la Ciencia y lo que la rodean (ver por ejemplo, mi artículo sobre las revistas científicas y su impacto).

Una de mis ingenuidades es la creencia de que había que publicar nuestra investigación para que les lleguen a nuestros colegas con intereses parecidos al nuestro (si trabajas en Química orgánica, publica en las revistas de más difusión del área o en revistas de Química general, pues son las que leerán tus colegas). Sin embargo, hoy en día todo el mundo intenta publicar en revistas del mayor índice de impacto, IF, (cuando a veces no se sabe lo que significa realmente este índice); y hay áreas dónde la dispersión de valores en los índices de impacto es ridícula y coyuntural (¿recordamos el ejemplo del Journal of Electroanalytical Chemistry y la fusión fría? ¿o los casos de revistas con alto índices de impacto debido a que publican revisiones junto a artículos originales?).

¿Por qué está ocurriendo esto? La respuesta es sencilla: asumimos que nadie lee nada y sólo se suma el índice de impacto de la revista en la que se ha publicado (esto sirve para conseguir contratos o proyectos). Esto es muy triste cuando todo el mundo desde su casa y un ADSL puede disponer de casi todos los artículos científicos del mundo a un toque de teclado; y puede leer y valorar un artículo científico. Estamos creando una burbuja científica; “estamos confundiendo valor y precio“, y como dijo Machado, esto es de necios.

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

herradon@iqog.csic.es

El “auge” de la divulgación científica

Estos días se está celebrando la Feria del libro de Madrid, que aparte de su indudable transfondo comercial, también se aprovecha para organizar algún acto cultural. En este contexto, se han organizado actividades relacionadas con la cultura científica.

El pasado 31 de mayo, el CSIC y la editorial La Catarata presentaron las últimas novedades de la colección ¿Qué sabemos de?, que tratan de diversos temas: “Titán”, “Los neandertales”, “El calamar gigante” y “Los peligros de INTERNET”.

Esta colección de libros es una iniciativa muy interesante de editar libros de divulgación escritos por investigadores españoles sobre una variedad de temas. Los libros son muy baratos y escritos en un estilo muy ameno. ¡Altamente recomendable!

El pasado sábado 5 de mayo, la editorial Hélice organizó un acto en el que, con motivo de la presentación de algunas novedades bibliográficas, se estableció un debate sobre Cultura Científica. El acto tuvo la participación de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM) que presentó su web, que tiene numeroso material educativo y divulgativo, y que  recomiendo que visitéis.

El coloquio, moderado por Manuel Seara Valero, contó con la participación de la periodista Lorena Cabeza; los investigadores, profesores y autores de libros de divulgación José Antonio López-Guerreo (UAM), Gemma Rodríguez-Tarduchy (Instituto de Investigaciones Biomédicas-CSIC-UAM), José María Valpuesta (Centro Nacional de Biotecnología); y los investigadores y miembros del comité de Divulgación de la SEBBM, Isabel Varela-Nieto (IIB-CSIC-UAM) y Álvaro Martínez del Pozo (UCM). Se plantearon asuntos interesantes; algunos de ellos habituales en este tipo de reuniones, dónde la mayoría de los presentes estamos de acuerdo con la necesidad de divulgar . Así, discutimos sobre:

a) ¿Es necesaria la divulgación científica?

b) ¿Quién debe divulgar?

c) ¿Están bien valoradas las actividades de Cultura Científica?

Aunque la mayoría de los allí presentes estamos convencidos de la necesidad y utilidad de esta actividad,  personas del público, alejadas del mundo científico, hicieron  comentarios sobre los que merece la pena reflexionar. Por un lado, nos acusaban (en mi opinión con bastante razón) de vivir en una torre de marfil y que los ciudadanos no se enteran de qué hacen los científicos. Otra intervención también muy acertada fue que si se considera que la cultura y la divulgación científica son necesarias, ¿por qué no hay asignaturas de la materia en las carreras científicas?

Este tipo de actividades son siempre interesantes y agradezco al CSIC, a la SEBBM, y  a las editoriales Hélice y La Catarata por promoverlas. Lo triste es que no parecen tener suficiente capacidad de convocatoria entre científicos y personas ajenas a la Ciencia. El papel de los científicos es fundamental en estas actividades. Cuando hablas con los científicos todos le dan valor, pero la realidad es que hay pocos científicos españoles que quieran divulgar o, ni siquiera, explicar su trabajo. Seguramente, que tienen razón (no voy a ser yo quién se la quite) al no dedicar esfuerzos y tiempo a una actividad que no está reconocida; POR ESO PIDO, POR FAVOR, A LOS CIENTÍFICOS QUE PIENSAN QUE NO HAY QUE DIVULGAR , QUE TAMBIÉN ASISTAN A ESTAS REUNIONES Y DEN SU OPINIÓN.

Aparentemente, la divulgación científica interesa a la población. Un artículo del 4 de junio en El Cultural indicaba que las ventas de los libros de divulgación científica han aumentado un 20% en el último año. Por otro lado, revistas de divulgación como Quo y Muy Interesante tienen ventas altísimas, al nivel de los diarios deportivos Marca y As. Esta situación tendría que hacernos sentir optimistas a los científicos implicados en actividdaes de cultura científica. Sin embargo, quiero hacer algunas reflexiones/preguntas:

1) ¿Están los libros de paraciencia (por ejemplo, Iker Jiménez, entre otros) incluidos en las ventas de libros de divulgación?

2) ¿Comprar libros equivale a leerlos?

3) Los periódicos deportivos Marca y As se leen mucho en España y, en consecuencia, cada español es un seleccionador de fútbol en potencia o se cree capaz de analizar la final Lakers-Celtics de la NBA. Haciendo el símil, si Quo y Muy Interesante se leen tanto como Marca y As, entonces (casi) todos los españoles deberíamos ser capaces de entender y hablar de transgénicos, energía nuclear, contaminación ambiental, nuevos medicamentos, evolución, teoría de la relatividad, segunda ley de la termodinámica, entre otros temas. ¿Podemos?

Dejo las preguntas en el aire.

En cualquier caso, visitando las casetas de la feria del libro o repasando los estantes de las librerías, encontramos muchos títulos de buenos libros de divulgación científica, muchos de ellos traducciones de obras de autores extranjeros, pero recientemente se han empezado a publicar libros de españoles.

En los libros de divulgación científica hay dos áreas que destacan: la biología y todas sus ramificaciones (desde la biomedicina a la evolución) y las matemáticas. El éxito de la divulgación en biología está relacionado porque trata un tema fundamental (la vida) y porque está de moda (¿tratamiento esn series de televisión y medios de comunicación?).

Llama la atención el “éxito” de los libros de divulgación en matemáticas. Hay libros excelentes (que comentaré en un próximo artículo). Quizás este auge de la divulgación matemática le debe mucho a Martin Gardner,  que falleció el pasado 22 de mayo a los 95 años de edad. Aunque Gardner no era matemático de formación (licenciatura en filosofía y periodista), en 1956 comenzó una sección en Scientific American sobre acertijos matemáticos que se mantuvo durante casi 30 años, que llegó a ser legendaria y despertó la curiosidad matamática de generaciones de personas. Estos pasatiempos matemáticos, con detalladas explicaciones divulgativas y didácticas, se ha publicado en diversos libros, muchos de ellos traducidos al castellano. Descanse en paz este gran divulgador científico.

Independientemente del modo, casi simepre es positivo que se hable de ciencia.

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

herradon@iqog.csic.es

Comentarios sobre la situación actual de la Química

El pasado viernes, 28 de mayo, Manuel Seara Valero y José Antonio López Guerrero me entrevistaron en el programa “A Hombros de Gigantes” de RNE-Radio 5 para hablar de Química en sus diversos aspectos.

En sitios de interés de esta página web, figura el enlace a la página web del programa, dentro de los sitios recomendados en Divulgación Científica. Os recomiendo escuchar este programa, se emite los viernes de 22:00 a 23:00 en Radio 5 (RNE) y si no podéis escuchar el programa en directo, lo podéis hacer a través de su podcast. Ojalá haya más espacios en radio y televisión que se preocupen tanto por la Divulgación Científica com “A Hombros de Gigantes”.

La entrevista dió para mucho y, aunque no pudimos tratar ningún tema en profundidad, hablamos de  numerosos aspectos de la situación de la Química, entre ellos:

a) La percepción social de la Química y del trabajo del químico.

b) La identidad histórica (entre la Física y la Biología)  de la Química a la actual (entre la Biomedicina y la Ciencia de los Materiales).

c) Aspectos medioambientales.

d) Producción de energía.

e) Venter, DNA y proteínas.

f) La Química y las Matemáticas.

g) La Química y las Ciencias jurídicas.

h) Generación y tratamiento de residuos en laboratorios académicos e industriales. Química verde y Química sostenible.

i) La Química y la Cultura Científica.

j) Año Internacional de la Química.

k) Aspectos educativos.

El audio de la entrevista lo podéis descargar aquí.

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

herradon@iqog.csic.es

Bienvenido copernicio (elemento químico con número atómico 112).

La IUPAC (International Union of Pure and Aplied Chemistry) ha aprobado oficialmente el nombre copernicium (¿copernicio en castellano?) para el elemento de número atómico 112, en honor de Nicolás Copérnico. La prioridad del descubrimiento ha sido para el grupo liderado por Sigurd Hofmann en el Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) (Centro de investigación en iones pesados) en Darmstadt; y han sido necesarios muchos años de controversias hasta llegar a esta confirmación.

La preparación del elemento 112 fue descrita por primera vez en 1996 (Z. Phys. A 1996, 354, 229). El isótopo sintetizado fue el 277 con 112 protones y 165 neutrones y se preparó por el bombardeo de núcleos de 208Pb con núcleos de 70Zn acelerados a 344 MeV.


208Pb + 70Zn 277Cn + 1n


El isótopo tiene una vida media de 240 microsegundos, desintegrándose por emisión de partículas alfa (núcleo de helio). La configuración electrónica es [Rn]5f146d107s2. Está en el séptimo periodo debajo del mercurio y, aparentemente, sus propiedades químicas son similares a la de éste, como se ha descrito para el isótopo 283 (se produjeron dos átomos, ver Nature 2007, 447, 72).

La IUPAC hizo el anuncio ayer día 20 de febrero, un día después de la conmemoración del 137º aniversario del nacimiento de Copérnico. El símbolo asignado es Cn. En un principio, los descubridores habían propuesto el simbolo Cp, pero este ya se había usado antes de 1949 para el elemento lutecio (número atómico 71) que previamente había tenido el nombre de cassiopeium. También se podría haber creado confusión con los símbolos del ligando ciclopentadienilo y de la capacidad calorífica a presión constante.

Nicolás Copérnico (1473-1543) ha sido una de las figuras claves en la historia, contribuyendo decisivamente a la “apertura mental” de la humanidad durante el Renacimiento y uno de los responsable del establecimiento del Método Científico. Con la propuesta del nombre, se ha querido rendir un homenaje al gran científico y se quiere recordar que el modelo atómico de Rutherford-Bohr es similar al modelo del sistema solar propuesto por Copérnico; y como ha indicado Hofmann, sirve de unión entre la astronomía y la química nuclear.

Es muy probable que esta propuesta de la IUPAC se acompañe en unos meses de la confirmación del elemento número 114, que fue propuesto por investigadores rusos en 1998 y cuya existencia ha sido confirmada por investigadores de la universidad de Berkeley. Por cierto, el isótopo 287 del elemento 114 (generado por reacción de fusión de 48Ca y 242Pu) es el precursor del isótopo 283 del copernicium a través de la emisión de una partícula alfa.

Con la preparación de estos elementos, se está más cerca de la isla de estabilidad propuesta de Seaborg (1912-1999, Premio Nobel de Química en 1951) como una representación alegórica dónde la estabilidad de elementos superpesados está rodeada de un mar de inestabilidad. Un libro interesante, aunque técnico, sobre este tema es el siguiente.


Super heavy elements

Finalmente, me gustaría recordar a Henry Moseley (1887-1915) que falleció prematuramente durante la primera guerra mundial. Este gran y joven físico realizó aportaciones fundamentales para entender el sistema periódico en base al número atómico (la propiedad fundamental que define un elemento químico), estableciendo su determinación experimental. Espero que pronto un elemento sea bautizado en su honor.

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

herradon@iqog.csic.es

La rapamicina y los avances científicos del año 2009

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General (CSIC)

herradon@iqog.csic.es

En diciembre solemos hacer balance de lo que ha sido el año. Las revistas científicas más prestigiosas hacen una selección de los avances científicos más relevantes con titulares muy significativos. La revista Science ha publicado The Breakthroughs of 2009 (edición del 18 de diciembre).

La lista de la selección se indica más adelante y, como es habitual en los últimos años, la lista está dominada por descubrimientos en biomedicina, ciencia de materiales, astrofísica y paleontología. Ocultas en estas áreas siempre hay importantes aportaciones de la química. Este año se incluyen: la existencia de agua (¿la molécula másimportante?) en la luna, aplicaciones tecnológicas del grafeno (una macromolécula aromática relacionada con el grafito, formada por una monocapa de carbono puro), estudio del receptor del ácido abscísico (un sesquiterpeno con actividad hormonal en planta), la creación de monopolos magnéticos de titanato de lantánido, y una nueva actividad biológica de rapamicina (rapamycin); de la que tratará este artículo.

La rapamicina es un producto natural aislado de un microorganismo del suelo de la Isla de Pascua (“Rapa Nui”, de ahí su nombre). La rapamicina, junto al FK506 y la ciclosporina, fue una de las moléculas de moda de los años 1980s-1990s y que contribuyeron a crear el área de la biología química (Chemical Biology). La estructura delos tres compuestos se indica en la siguiente figura.

productos naturale inmunosupresores

Desde tiempo inmemorial, los cirujanos han pensado en la posibilidad de trasplantar órganos en seres humanos. Durante muchos años, todos los ensayos realizados con animalesc ondujeron al fracaso lo que llevó a pensar que había un factor biológico responsable del rechazo del órgano por el organismo huésped. Alexis Carrell (Premio Nobel de Medicina en 1912) propuso estudiar la relación biológica entre los tejidos del organismo. Se consiguieron grandes avances a través de las investigaciones de Peter B. Medawar y de Frank M. Burnet (Premios Nobel de Medicina en 1960) que, junto a otros investigadores, descubrieron que los anticuerpos y los linfocitos destruyen las células del órgano trasplantado. Estas investigaciones fueron fundamentales en el desarrollo de la inmunología, identificándose dos sistemas defensivos en el organismo: el humoral, basado en la relación antígeno-anticuerpo, y el celular, basado en los linfocitos. A partir de estos estudios y los de Joseph E. Murray y E. Donnall Thomas (Premios Nobel de Medicina en 1990) se empezó a plantear la posibilidad de que el rechazo en los trasplantes podría ser evitado usando fármacos con actividad inmunosupresora. Hasta comienzo de la década de 1970s no había ningún compuesto con esta actividad específica; por lo que basándose en la teoría del antimetabolito (¡una gran idea con una base química sólida!, propuesta y desarrollada por Hitchings y Ellion, Premios Nobel de Medicina en 1988), Thomas empezó a usar antimetabolitos con actividades citostáticas, como azathioprino y metotrexato, como fármacos para evitar el rechazo en trasplantes.

En 1971, investigadores de Sandoz (actualmente una parte de Novartis) aislaron laciclosporina A de un cultivo del microorganismo Trichoderma polysporum (LINK ex PERS.) Rifai (publicado en Helv. Chim. Acta 1976, 59,1075). En principio, los investigadores de Sandoz buscaban compuestos con actividad antibacteriana, pero la ciclosporina A no la tenía. En vez de abandonar el proyecto, se continuó investigando este producto natural (posiblemente atraídos por su interesante y, en aquel momento, novedosa estructura química, ver imagen) y se encontró que tenía actividad inmunosupresora. En 1978 se ensayó como medicamento en trasplante de riñón y en 1983 se empezó a comercializar, abriendo una nueva era en el área de los trasplantes de órgano. Sin embargo, la ciclosporina presenta ciertos inconvenientes (toxicidad, la administración y dosificación tienen que estar estrictamente controladas y aumenta el riesgo de desarrollar cáncer), por lo que la búsqueda de mejores agentes inmunosupresores debía continuar.

En 1987 se aisló el FK506 (por investigadores de Fujisawa Pharmaceutical) de un cultivo de Streptomyces tsukubaensis (J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5031). En 1989 se realizaron los ensayos clínicos con resultados espectaculares: era mucho más potente que la ciclosporina A y aunque también podía producir cáncer, este efecto indeseado era mucho menor que en ciclosporina. Este compuesto mereció los calificativos de medicamento “maravilloso” o “milagroso”.

El FK506 es un producto natural con alta complejidad estructural (ver imagen). El trabajo realizado en Fujisawa es un buen ejemplo de investigación moderna en química de productos naturales, dónde el aislamiento de compuestos está guiado por ensayos de bioactividad. En este caso, se estaba buscando actividad inmunosupresora y se dio en la diana. Se aisló un producto natural de estructura compleja con actividad biológica potente, interesante y necesaria para el avance de la humanidad. Con este compuesto (y muchos análogos que se prepararon) se profundizó en diversas áreas entre la química y la biología celular (dando lugar al nacimiento de la biología química moderna, como indicado anteriormente). Se consiguieron avances en:

a) Síntesis orgánica.

b) Química supramolecular, especialmente en el área de las interacciones no covalentes entre ligandos y proteínas.

c) Mecanismo de acción y bioquímica de productos naturales.

d) Identificación de los eventos moleculares responsables de la respuesta inmunológica (inmunología molecular).

e) Identificación de dianas terapéuticas en el área de la inmunología.

f) Diseño y síntesis de fármacos con actividad inmunomoduladora.

g) Profundización en el mecanismo molecular de transducción de señales; un aspecto importantísimo de la biología celular y de organismos, pero poco estudiado a nivel molecular.

Todos estos avances fueron debido a que los químicos y biólogos disponían de una amplia variedad de moléculas para estudiar su efecto biológico y es un ejemplo de una de las grandes aportaciones (casi siempre ignorada o minusvalorada) de la química al desarrollo de la biología: aportamos la herramienta para el estudiode los procesos biológicos. Entre los investigadores responsables de estosavances, hay que destacar principalmente al profesor Stuart L. Schreiber (Harvard University).


La rapamicina, “avance científico en 2009”, fue aislada y caracterizada en 1975 por investigadores de Ayerst Laboratories (actualmente Wyeth) de un cultivo de Streptomyces hygroscopicus (J. Antibiotics 1975, 28, 721, 727). Los ensayos biológicos iniciales indicaban que tenía actividades antifúngicas y antibacterianas débiles (buscado en aquel momento); lo que, en principio, descartaba su utilidad terapéutica. Sin embargo, el aislamiento y actividad biológica de FK506 (12 años después) hizo que se retomase el estudio de la rapamicina como posible agente inmunosupresor debido a la alta similitud estructural entre las dos moléculas (ver imagen). Es interesante observar (búsqueda bibliográfica a través del ISI-WoK, ver la siguiente imagen) que hasta 1991 las publicaciones sobre rapamicina fueron muy escasas, pero ya había alguna publicación sobre la actividad inmunosupresora potencial en 1977 (Can. J Phys. Pharmacol. 1977, 55, 48). En investigaciones posteriores a 1990, se encontró que, efectivamente, la rapamicina es inmunosupresora con muy alta actividad y, además, tiene una gran actividad antiproliferativa lo que le convierte enagente anticancerígeno y, por lo tanto, con mejor perfil terapéutico que elFK506. La rapamicina fue aprobada como medicamento en USA (1999) y en Europa(2000).


citas_isiwok_rapamicina

De esta manera, los químicos y biólogos tenían tres moléculas (ciclosporina A, FK506 y rapamicina) que son herramientas útiles para estudiar procesos biológicos. Cuando se profundizó en el mecanismo de acción de estos tres compuestos se encontraron bastantes similitudes, pero también diferencias sutiles y, en cierto modo, inesperadas. Estas moléculas se unen, dentro de la célula, a  proteínas receptoras, denominadas conjuntamente como inmunofilinas. El FK506 y la rapamicina se unen a la misma proteína, la FKBP12 (FK-binding proteína) y la ciclosporina A se une a una proteína similar, la ciclofilina. Estas dos proteínas tienen actividad de rotamasa, es decir, son capaces de catalizar la isomerizacióncis-trans de un enlace peptídico de prolina; aunque esta actividad no es la responsable de la actividad inmunosupresora. El complejo inmunosupresor-inmunofilina es el responsablede la actividad biológica.


Una vez formado el complejo, se encontró que el de FK506 y el de ciclosporina A prácticamente comparten el mismo mecanismo molecular de inmunosupresión, inhibiendo la calcineurina, que es una proteína señalizadora necesaria para promover una respuesta inmunológica a través de la activación transcripcional del gen de lainterleuquina-2 (interleukin-2, IL-2).

Por otro lado, el complejo rapamicina-FKB12 actúa por un mecanismo distinto, interaccionando con la proteína mTOR (mammalian target of rapamycin). mTOR interviene en una ruta distinta de transducción de señales, la cual es necesaria para la evolución de la fase G(1) a S del ciclo celular de las células T estimuladas por IL-2.

Lo sorprendente de estos resultados es que dos compuestos muy distintos estructuralmente comparten mecanismo y los dos más parecidos (rapamicina y FK506) actúan por mecanismos muy distintos; lo que es un reflejo de la complejidad y sutileza de los mecanismos de los procesos biológicos, que comienzan con un proceso de reconocimiento molecular entre el anfitrión (una biomacromolécula) y el huésped (una molécula pequeña o una macromolécula).

La lección que se aprende de este tipo de resultados es que aún tenemos que hacer mucha investigación básica para entender la naturaleza.

La rapamicina y la prolongación de la vida.

Uno de los artículo científicos relevantes del año 2009 fue el hallazgo de que la inhibición de la ruta de señalización de señales promovida por TOR extiende lavida en mamíferos (Nature 2009, 460, 392), lo que ya era conocido en invertebrados. En dicho artículo se usa rapamicina como herramienta de trabajo para probar esta hipótesis, realizándose experimentos con ratones; encontrándose un aumento de edad de vida del 14% entre el género femenino y del 9% en el masculino. Se propone que rapamicina puede extender la vida por varios posibles mecanismos, bien evitando la muerte por cáncer o retrasando el envejecimiento o ambos. Con estas investigaciones se abren vías interesantes de investigación sobre el envejecimiento, dónde las moléculas (y la química) deberían jugar un papel fundamental.

Esta noticia publicada en una revista de máximo prestigio debería ser tema de conversación entre la población con interés en vivir más tiempo (¿se acuerdan de la multitud de noticias que generó el Revidox hace unos meses? Se anunció como un producto que retrasaba el envejecimiento y supuso su venta masiva durante semanas, agotándose en todas las farmacias, aunque es un producto de parafarmacia). Es importante recordar que la rapamicina es un agente inmunosupresor, por lo que su administraciónn hace que el organismo sea mucho más susceptible a infecciones.



Lecturas recomendadas.

Natural products as probes of cellular function: Studies of immunophilins. M. K. Rosen y S. L. Schreiber. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 32, 384.

The TOR pathway: A target for cancer therapy. M.-A. Bjornsti y P. J. Houghton. Nature Rev. Cancer 2004,4, 335.

Capítulo dedicado a los inmunosupresores del libro Molecules that Changed the World (Nicolaou y Montagnon, 2008).

Avances científicos más relevantes del año 2009 según la revista Science.

1)   Homínido más antiguo (Ardipithecus ramidus), conocido como Ardi.

2)   Detección de púlsares de rayos gamma.

3)   Receptores del ácido abscisico en plantas.

4)   Creación de monopolos dentro de cristales magnéticos (de titanato de holmio o de titanato de disprosio).

5)   La rapamicina es capaz de prolongar la vida de mamíferos (ratones) adultos.

6)   Agua helada en la Luna.

7)   Diversos avances en terapia génica.

8)   Transistores de grafeno.

9)   Reparación del telescopio espacial Hubble.

10)  Láser de rayos X (lo que puede ser muy útil para estudiar la dinámica de las reacciones químicas).

Selección de la revista Nature.

La revista Nature (24 de diciembre de 2009) también ha hecho su selección de lo mejor del año (ResearchHighlights), dónde, excepto por Ardi, no hay coincidencia con la elección de Science. Uno de los artículos elegidos (J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2159) es de química, sobre la preparación de compuestos organometálicos capaces de formar estructuras porosas con alta capacidad de absorción de hidrógeno, que serán la base de materiales útiles en la futura economía basada en el hidrógeno. La revista Nature también destaca que la presencia de ciertas bases nucleicas modificadas (derivadas de timinao de citosina) pueden regular la actividad génica (publicado en Science 2009, 324, 930).

Ciencia y crisis

Ciencia y crisis

Bernardo Herradón

(herradon@iqog.csic.es)

En el último número de la revista de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM) se han publicado una serie de artículos reflexionando sobre la ciencia en época de crisis económica. Todos los artículos son muy interesantes;  pero para el tema de esta página web, recomiendo especialmente el escrito por el profesor Cossío, dónde se citan tres ejemplos de avances de la química que impactaron en la sociedad (investigaciones de Lavoisier, de Pasteur y de Fawcett y Gibson) y que se produjeron en épocas de crisis económicas, sociales y políticas muy severas.

Los artículos y autores son:

Ciencia y crisis: ¿déjà vu o jamais vu? (Javier López Facal).

Estrategia, en crisis, del desarrollo científico y tecnológico español (Uxío Labarta).

Crisis y ciencia: algunas reflexiones desde el pasado y el presente (Fernando P. Cossío).

Ciencia para una buena crisis (Xavier Obradors).

La escasa incidencia de la I+D pública en la innovación de las empresas españolas (Ignacio Fernández de Lucio).

Consideraciones sobre los recursos destinados a I+D+i en el proyecto de PGE 2010 desde la perspectiva de la comunidad científica (José Molero y otros).

Una de las reflexiones que surgen de estos artículos es si seremos capaces de cambiar nuestro modelo científico durante esta crisis económica. A lo que añadiría: ¿Seremos capaces de cambiar la mentalidad de los ciudadanos, políticos y empresarios de este país y convencerles de que el cambio del modelo económico y la mejor salida de la crisis será apoyando la ciencia? ¿Podremos?…….

¿Innovación sin investigación?

¿Se puede innovar científicamente o tecnológicamente sin base científica? Valiendo la redundancia, la ciencia básica proporciona la base científica. ¿Aún perdura la dicotomía ciencia básica/ciencia aplicada? ¿Existe esta distinción? Cualquier persona con un mínimo de cultura científica estará de acuerdo con la frase de Louis Pasteur (1822-1895): “No existe una categoría de ciencia a la que podamos dar el nombre de ciencia aplicada. Hay ciencia y las aplicaciones de la ciencia, unidas como el fruto a su árbol”.

Por eso resulta sorprendente que el Sr. Rodríguez-Ibarra, una persona a la que se le supone formada e informada por su experiencia, pueda escribir de manera tan ignorante sobre ciencia básica e innovación. En un artículo del pasado 26 de octubre en el diario EL PAIS, el Sr. Rodríguez-Ibarra aplaude la decisión de la Ministra de Ciencia e Innovación de reducir la financiación básica y aumentar la de la aplicada. En dicho artículo el Sr. Rodríguez-Ibarra indica que “la investigación universitaria tiene un componente de básica que no puede seguir subvencionándose en tiempos de crisis”, desprecia el investigar “algunos fenómenos cuyo conocimiento nos puede hacer más cultos, pero que si no se investigan hoy se podrán demostrar mañana…..” , y propone “invertir en innovación, es decir, en gente que arriesgue y se proponga hacer cosas distintas que puedan ser convertidas en un proyecto empresarial”.

Cuando mi hijo (17 años) leyó el artículo comentó con su ironía habitual: “Qué inteligente es este señor, sólo se quiere centrar en el producto final sin gastar dinero ni energía en el camino”. Es decir, el Sr. Rodríguez-Ibarra propone una especie de teletransporte (por cierto, un fenómeno cuántico actualmente solo ciencia básica, pero que dará sus frutos en innovación) pasando del casi cero (la situación actual de la ciencia española) a las aplicaciones tecnológicas. Puesto que la finalidad de este blog es hablar de química, pondré dos ejemplos de lo que propone en Sr. Rodríguez-Ibarra en innovación química.

Una de ellas podría ser fabricar un medicamento que cure alguna enfermedad sin tratamiento actual (por ejemplo Chagas, Alzheimer, malaria, entre otras) sin conocer las causas que la provocan, sin diseñar moléculas para el tratamiento, sin sintetizar las moléculas, sin hacer ensayos biológicos in vitro, sin determinar las propiedades farmacológicas, sin hacer ensayos clínicos.

Otro ejemplo. Es conocido que el tamaño y la eficacia de los microprocesadores de ordenadores (que el Sr. Rodríguez-Ibarra habrá usado al escribir su artículo y que su construcción se basa en mucha investigación fundamental) está cercano a su límite basado en la tecnología del silicio. El futuro (aún no cercano) está en la computación molecular y cuántica. Estos últimos aún están en su desarrollo teórico por parte de los físicos (Ignacio Cirac es uno de los líderes en el campo) y se prevé que puedan fabricarse en 30-50 años. En los ordenadores moleculares, las expectativas están algo más cercana, pero no mucho. Bueno, pues el Sr. Rodríguez Ibarra, en su artículo sobre innovación sin investigación, propone construir ordenadores moleculares sin pensar en las características moleculares del material a usar, sin preparar los compuestos químicos, sin estudiar interacciones no-covalentes y reconocimiento molecular, y sin hacer los experimentos que prueben los conceptos.

Me gustaría contar una anécdota del gran Michael Faraday (1791-1867), que aunque no sea cierta parece adecuada para el asunto de este artículo (se non è vero, è ben trovato). Estaba enseñando sus experimentos sobre inducción electromagnética a un ministro, y éste le preguntó qué para que servía “eso”; a lo que Faraday contestó: “Aún no lo sé, pero seguro que en poco tiempo, estaremos pagando impuestos por ello”. Ni que decir tiene, que estos experimentos de ciencia básica fueron el origen de la producción industrial de electricidad. Con el planteamiento del Sr. Rodríguez-Ibarra aún estaríamos iluminándonos con lámparas de gas.

En ciencia y sus aplicaciones no hay atajos. A menos que el Sr. Rodríguez-Ibarra se refiera a “innovación” a copiar patentes extranjeras y esperar que no nos pillen, o construir ladrillos dodecahédricos, o bandejas de camarero con formas trapezoidales; que serán muy útiles para los dos pilares de nuestra “economía de pies de barro”: la construcción y el turismo.

La trilogía I+D+i se lee de izquierda a derecha. No hay desarrollo sin investigación y no hay innovación sin I+D. Sólo los países con ciencia básica fuerte y con tradición (medible por el número de sus Premios Nobel en ciencias) generan beneficios a través de la innovación. Por eso en los países más avanzados, el presupuesto en ciencia básica para el año 2010 ha aumentado respecto a 2009. Como ejemplo sirve el presupuesto de Estados Unidos, dónde las dos principales agencias de financiación de la investigación básica (NIH y NSF) han aumentado sus presupuestos; lo que está de acuerdo con las palabras pronunciadas por el Presidente Obama en un discurso en la USA Nacional Academy of Science: “Hay quien considera que en estos duros momentos de crisis económica invertir en ciencia es un lujo. Discrepo totalmente. La ciencia es ahora más esencial para nuestra prosperidad, seguridad, salud, medioambiente y calidad de vida, de lo que nunca antes ha sido”.

La frase sobre “hacernos más cultos” es especialmente frustrante para personas como el autor de este artículo (y de muchos compañeros de este Weblog) que estamos dedicando esfuerzos y tiempo a la Cultura Científica (véase mi artículo en este blog o esta página web). Creo que una de las principales obligaciones de un dirigente político es la de aumentar la cultura de sus conciudadanos; como la cultura científica española es muy baja, esta tarea es especialmente necesaria en España.

Con propuestas como las que el Sr. Rodríguez-Ibarra hace en su artículo, ya entiendo por qué mi querida Extremadura no está a la cabeza de la Ciencia e Innovación mundial (ni española).

Quizás la clave esté en el párrafo final del artículo: “Ahora, cuando el proyecto y el líder pasan por dificultades, es el momento de decir que los de la última fila sabemos y queremos arrimar el hombro a cambio de nada”. ¿Se está postulando el Sr. Rodríguez-Ibarra como ministro o asesor? Por el bien de España espero que su oferta sea desestimada por trasnochada.

La relación entre la Química y otras disciplinas científicas

Originalmente solo existía una Ciencia Natural. Con la adquisición de nuevos conocimientos, ésta se dividió en diversas ramas, dando lugar a las cuatro ciencias naturales clásicas: Física, Química, Biología y Geología. Desarrollos posteriores de las Ciencias Naturales clásicas dieron lugar a nuevas especialidades [Bioquímica, Biofísica, Geoquímica, Geofísica, Físicoquímica (o Química-física), Paleontología] como híbridos de las anteriores. Desde hace unos años, la especialización se está acentuando llegando a lo que considero tercera y cuarta generaciones de Ciencias naturales.

Los científicos de la naturaleza estudian la materia y la energía, así como la interacción entre las mismas. Dependiendo del objeto de su estudio y la metodología empleada, las Ciencias Naturales se dividieron en Geología, Física, Química y Biología. Por encima de estas Ciencias Naturales y proporcionando sus bases teóricas están las Matemáticas, que muchas veces se ha calificado como “La Reina de las Ciencias”. Posteriormente, con el desarrollo de estas cuatro Ciencias Naturales, se fueron estableciendo puentes entre ellas, creándose especialidades híbridas: Química Física, Bioquímica, Biofísica, Geoquímica y Geofísica. Recientemente ha surgido una tercera generación de disciplinas científicas derivadas de algunas de las citadas anteriormente. Entre ellas se pueden incluir Biología Molecular, Astrofísica, Ciencias Medioambientales, Toxicología, Ciencia de los Materiales, Nanociencia, etc. Actualmente la especialización de cada ciencia es muy grande y el objeto de su estudio se está convirtiendo en cada vez más restringido. Por eso, cualquier científico que investigue en una de ellas y necesite “desplazarse” un poco de su ámbito científico, ya está haciendo investigación multidisciplinar (o interdisciplinar). Pero, ¿realmente existe esta multidisciplinaridad ¿ ¿Se llegará (en una especie de “Big-Bang” científico) a una investigación (más) generalista que la actual?

La frase que a veces mencionamos los químicos: “Todo lo que nos rodea, todo lo que usamos cada día, incluso nosotros mismos, es Química”, lleva implícito la cotidianeidad de nuestra vida diaria; y uno de los objetivos de los artículos de esta página web es que la Sociedad sea consciente de que la química aporta muchos beneficios a nuestras vidas.

Hay muchas cosas que están fuera del ámbito de la Química (al menos en una primera aproximación). Antes he comentado que la energía y sus interacciones son el objeto de estudio de los científicos. Para explicar la naturaleza, los científicos [principalmente los físicos, a partir de las geniales investigaciones de Faraday (también químico por sus investigaciones y uno de los más grandes científicos experimentales) y de Maxwell (sentando las bases teóricas-matemáticas)] usamos la Teoría de Campos, que proporciona la base teórica para entender la energía, las fuerzas y las interacciones. Hasta que se consiga unificar todos los campos de fuerza en una única teoría, las interacciones existentes en el Universo se clasifican dentro de uno de estos cuatro tipos: gravitatoria, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. Cada una de estas interacciones actúa en determinadas circunstancias y son responsables de ciertos fenómenos naturales. Por ejemplo, la interacción fuerte es la responsable de que los protones y neutrones se mantengan en el núcleo y la interacción débil es la responsable de la radiactividad β y de iniciar las reacciones termonucleares. Estas dos interacciones son de muy corto alcance y tienen (relativamente) poco tienen que ver con la Química (¡excepto que se considere que el núcleo atómico no es tema de la Química o que la violación de la paridad por parte de la interacción débil, que posiblemente es el origen de la quiralidad de los compuestos químicos no es un asunto de la Química!,  esto se discutirá más adelante).

La interacción gravitatoria [la primera fuerza en describirse (Newton)] fue, durante mucho tiempo, una gran desconocida. Einstein, con la Teoría General de la Relatividad, dio una explicación del origen de esta interacción (aunque aún queda mucho por investigar en este campo). Esta interacción actúa a todas las distancias y es la responsable de que los objetos celestes estén dónde están y se muevan como se mueven, lo que nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra y la responsable de las mareas (la atracción de la Luna sobre los océanos, ¡que son grandes disoluciones acuosas!). La interacción gravitatoria es directamente proporcional a la masa de los objetos (es decir, la cantidad de materia, dependiente del número y del peso de las moléculas) y no es importante en Química debido a que es una interacción mucho más débil que la interacción electromagnética.

La interacción electromagnética es la más estudiada y la que mejor se comprende. Se debe a la interacción de partículas cargadas o neutras con un momento magnético, es decir toda la materia “habitual”. La interacción electromagnética es la responsable de que exista materia, pues es la responsable de la formación de los enlaces entre los átomos y de las interacciones no enlazantes. Realmente es la responsable de que la materia no se deforme o rompa por la acción de la gravedad (se ha escrito, aunque no sé si es rigurosamente cierto, que “de no existir la cohesión entre las partículas del globo terráqueo, las fuerzas que originan las mareas lo romperían”). Esta interacción es la que interviene en la Química, como ya ha apuntado algún lector en el “post” anterior.

Realmente, ¿cual es el “sitio” de la Química?

La Química entre la Física y la Biología”. Así comienza el “Libro de la Química Moderna” y el prefacio al mismo (por Manfred Eigen, Premio Nobel en 1967) y tiene dos connotaciones. Por un lado, da idea de la centralidad de la Química como Ciencia y por otro lado, intentamos ponernos a la altura de la Biología y de la Física, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el Universo. En el resto del artículo usaré esta frase para reflexionar sobre los límites y fronteras de la Química, que espero desarrollar en posteriores artículos.

Sin duda alguna, el objeto de estudio (la vida) de la Biología es apasionante, lo que tiene connotaciones materiales y espirituales para el ser humano. Por otro lado, la Física intenta descifrar las leyes que rigen el Universo, desde el conjunto de galaxias hasta los componentes más pequeños de la materia. El objeto de su estudio abarca dimensiones desde 1026 m (tamaño aproximado del universo) hasta 10-16 m (tamaño de un quark, una partícula subnuclear). La Física intenta explicar la Naturaleza estableciendo leyes que se ajustan a los principios de las interacciones de los cuatro campos físicos: gravitatorio, electromagnético, nuclear fuerte y nuclear débil. Uno de los retos de la Física es la unificación de todos los campos, estableciendo una teoría única de campos.

Por otro lado, en comparación con la Física y la Biología, la Química, aparentemente, tiene objetos de estudio y objetivos más modestos. El objeto de estudio de la Química son las moléculas, sus constituyentes (los átomos), sus interacciones y propiedades. Aunque los objetivos de la Química son modestos en comparación con los de la Física o la Biología, es la ciencia que proporciona todas las comodidades de nuestra vida diaria.

¿Cuáles son los límites de la Química? Puesto que el objeto de su estudio son las moléculas y todo está hecho de moléculas, podemos pensar que la Química estudia todo (con las excepciones comentadas al inicio del artículo; es decir, lo que está influido por los campos gravitatorios y los nucleares). Sin embargo, tradicionalmente, los límites de la Química los marca las Ciencias clásicas con las que hace frontera: la Física y la Química.

Se ha dicho (yo, a veces, también lo he explicado así) que la Química empieza en la última capa electrónica y que el resto del átomo es “cosa” de los físicos. Es cierto que los electrones de la capa más externa (electrones de valencia) son los que participan en las reacciones químicas, en la formación de enlaces y en las interacciones no covalentes; y muchas veces se ha dejado de lado el papel del núcleo y los electrones de las capas internas en el comportamiento químico. Sin embargo, los electrones de las capas más internas y (especialmente) los núcleos no son inocuos en Química. El ejemplo más importante es el de una especie sin electrones, que es fundamental en Química; es el catión del átomo de hidrógeno, el protón [aunque debido a su gran reactividad (acidez y electrofilia), generalmente se encuentra coordinado a otras especies]. Por otro lado, la posición de los núcleos, su carga y masas determinan las posiciones más estables de los electrones en los átomos (la región del espacio dónde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón) y en las moléculas determinan los mínimos en las superficies de energía potencial (las configuraciones más estables de las moléculas). Además, la posición y masa de los núcleos influyen en propiedades físico-químicas importantes como las frecuencias de vibración y rotación de las moléculas [con las aplicaciones en espectroscopia infrarroja (IR), Raman y de microondas]. También es importante el núcleo en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), que es una herramienta fundamental en el estudio estructural, especialmente de moléculas orgánicas; y que es debida al acoplamiento energético de un núcleo con momento magnético (los que tienen un número impar de neutrones o de protones) con un campo magnético externo. Los núcleos tienen importancia en cinética química, pues influyen en los efectos isotópicos cinéticos (KIE, de sus siglas en inglés, Kinetic Isotope Effect). El KIE es una herramienta valiosa en la investigación de mecanismos de reacción (estudiar en detalle como los reactivos se convierten en productos de una reacción química). Se ha encontrado que la velocidad de una reacción química depende del isótopo (átomos de un mismo elemento químico con distinto número de neutrones) del elemento que participa en la etapa limitante de la velocidad de la reacción. Cuanto mayor sea la proporción entre las masas de los dos isótopos, mayor es el efecto isotópico; por eso, el KIE más importantes se producen en las reacciones en las están implicados átomos de hidrógeno/deuterio. Un tema de interés actual en Química es como los efectos relativistas influyen en las propiedades químicas y químico-físicas de los átomos y moléculas; este hecho tiene especial importancia en los elementos pesados (y superpesados) del sistema periódico, dónde la velocidad de los electrones de las capas internas es muy alta (cercana a la de la luz) y hay que tener en cuenta las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad (teoría de Dirac de la mecánica cúantica relativista). Finalmente, esta discusión sobre la importancia del núcleo en Química no puede acabar sin mencionar la Química Nuclear. Aunque se ha apuntado que las interacciones nucleares son las responsables de la estabilidad/inestabilidad de los núcleos atómico y que estas son tema de la Física, también es cierto que la Química Nuclear es una parte importante de la Química, dónde investigan muchos químicos. De hecho, Otto Hahn (1879-1968), el “padre” de la fisión nuclear (Lise Meitner (1878-1968) sería la “madre”, injustamente olvidada por los Premios Nobel], premio Nobel de Química (1946) era químico de formación.

Estos últimos comentarios (la Química Nuclear se explica por la teorías de campo nuclear fuerte y débil y el comportamiento de los elementos pesados se explica por la teoría cuántica-relativista), junto al hecho de que el comportamiento de los electrones se explica por la teoría electromagnética, puede llevar a la conclusión de que la Química puede ser explicadas por la Física en un planteamiento reduccionista, que no comparto, y que será objeto de discusión de próximos artículos en esta página web.

La otra frontera “clásica” de la Química está con la Biología. El descubrimiento de que los compuestos orgánicos no estaban ligados a ninguna fuerza vital y que se podían preparar en el laboratorio [Wöhler (1800-1882), síntesis de la urea en 1828] fue una revolución en Química. A partir de ese momento, algunos químicos se interesaron por la síntesis orgánica (es decir, el arte y la técnica de preparar moléculas, naturales o artificiales; basándose en los conocimientos sobre la reactividad de los compuestos orgánicos) y en la Química Orgánica estructural (posiblemente la teoría estructural de la Química Orgánica es una de las mayores aportaciones intelectuales de los científicos, a la que no se le ha dado el valor que merece). Otros químicos empezaron a interesarse por las reacciones químicas en los organismos vivos, siendo el origen de la Química Biológica o Bioquímica. Esta disciplina científica se puede definir como la explicación química de los procesos de la vida y se puede clasificar tanto como una parte de la Química como de la Biología. Más recientemente ha surgido una nueva disciplina, la Biología Química (Chemical Biology), que, en mi opinión, veo como un invento y en la que no aprecio diferencias con la Bioquímica (o la Química Biológica, denominación más antigua) o con la Química Bioorgánica (la parte de la Química Orgánica interesada en las moléculas de interés biológico). A partir de la mitad del siglo XX, tras los experimentos de Avery (1877-1951) sobre la identificación del ADN como portador de la información genética, y la publicación del libro What is life? de Schrödinger (1887-1961, Premio Nobel de Física en 1933) nació una nueva ciencia, la Biología Molecular; que relacionada con la Bioquímica, se centra en el estudio de las moléculas responsables de la transmisión de la información genética. Por su componente “molecular”, esta ciencia debería ser frontera entre la Química y la Biología, pero los métodos y técnicas usadas por los biólogos moleculares son, aparentemente, muy distintos de los de los químicos. A partir del “éxito” de la Biología Molecular han surgido muchas subdisciplinas de la Biología que llevan el adjetivo “molecular” [en el catálogo de revistas electrónicas del CSIC (http://bibliotecas.csic.es/revelectronicas/erevistas_busquedas.html) hay un centenar de títulos con este término], que es un ejemplo de lo indicado al principio de este artículo sobre la alta especialización de las disciplinas científicas. Puesto que la Química es la Ciencia de las moléculas, la Química también debería tener relación con estas “nuevas” especialidades científicas (¿o es que los químicos nos hemos dejado robar la palabra “molecular”?).

Está claro que los límites de cada Ciencia (especialmente la Física, la Biología y la Química) son difusos (realmente siempre lo han sido) y cada vez lo serán más, debido a la mayor interdisciplinaridad de estas tres Ciencias.

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General

CSIC

herradon@iqog.csic.es

Premio Nobel de Química 2009

El Premio Nobel de Química 2009 se ha concedido a los investigadores Venkatraman Ramakrishnan (doctor en física; nacido en la India, nacionalidad estadounidense, trabajando en el MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Reino Unido), Thomas A. Steitz (doctor en biología molecular y bioquímica estadounidense profesor de biofísica molecular y bioquímica e investigador del Howard Hughes Medical Institute de la Yale University, Estados Unidos) y Ada E. Yonath (nacionalidad israelita, doctora en cristalografía de rayos-X e investigadora del Weizmann Institute of Science, Israel).

La investigación por la que han sido galardonados por el estudio de la estructura y función del ribosoma. El dogma central de la biología molecular, propuesto por Francis Crack, afirma que el DNA codifica (transcribe) el RNA mensajero y este la proteína (traducción). Aunque hay excepciones a este planteamiento (retrovirus, ribozimas, etc.), este es el mecanismo de expresión genética más frecuente y el producto final de la misma es una proteína que son la biomoléculas responsables de que las células (y la vida funcionen). La biosíntesis de proteínas se realiza en los ribosomas. Por lo tanto, el trabajo realizado por los tres investigadores galardonados es fundamental en entender las química a nivel molecular.

Sin embargo, por formación, por su posición profesional y por las áreas en las que publican, no podemos considerar que investiguen en química. En los últimos años el Premio Nobel de química se ha concedido frecuentemente a investigadores que no se pueden considerar que hagan investigación química (sólo por citar los más recientes: año 2008, proteínas fluorescentes; 2006, transcripción; 2004, degradación de proteínas; 2003, canales en membranas celulares; 1997, estudios sobre el ATP)

¿Es esto bueno o malo? Se puede ver desde las dos vertientes. La optimista: la química es una ciencia central que interacciona con otras disciplinas, extendiéndose hacia estas (según el comité Nobel hacia la biología). La pesimista: la química está perdiendo interés e influencia. En fin, puede haber opiniones para todos los gustos…

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General

CSIC

herradon@iqog.csic.es