Las moléculas que nos han cambiado la vida

El IEC acoge una exposición sobre las moléculas que han marcado un antes y después en el desarrollo científico

Moléculas que nos han cambiado la vida

Una persona nacida en el año 1800 en Europa tenía una esperanza de vida de unos 33 años. Hoy un europeo vive, de media, 79 años. En los dos últimos siglos, las condiciones de vida de los humanos han mejorado substancialmente en parte gracias a los avances de la química. Vivimos más años: las moléculas nos han cambiado la vida y nos han permitido vivir más y mejor.

Haga clic aquí para ampliar. La evolución de la esperanza de vida de la población europea desde el siglo XVIII. Esta infografía forma parte de la exposición «Molècules que ens han canviat la vida». / bp disseny

Este es el punto de partida de la exposición «Molècules que ens han canviat la vida», que se inauguró el pasado 12 de noviembre en el IEC, coincidiendo con el inicio de la Semana de la Ciencia. La exposición se ha pensando para acercar la química a un publico general y, especialmente, para animar a los más jóvenes a iniciarse en el mundo científico. La muestra entronca con iniciativas similares impulsadas por el IEC, una de cuyas funciones es la difusión y transmisión entendedora del conocimiento. El año 2011, que fue declarado Año Internacional de la Química, la Sección de Ciencias y Tecnología del IEC hizo dos exposiciones, una sobre Marie Sklodowska-Curie, y otra sobre los elementos químicos. También en 2019, en ocasión del Año Internacional de los Elementos Químicos de la Tabla Periódica, se organizó otra: «La Tabla Periódica en el IEC».

Las moléculas son las protagonistas de la exposición actual, que podrá visitarse hasta el 1 de abril del año que viene en el claustro de la Casa de la Convalescència, sede del IEC. De los millones de moléculas que se forman a partir de los noventa elementos químicos que se hallan en la Tierra, la exposición ha seleccionado diez. A continuación se explica el porqué y los detalles de la elección. «Moléculas que nos han cambiado la vida» también reconoce a los autores de los descubrimientos, muchos de ellos auténticos gigantes del pensamiento científico.

Los imprescindibles de la higiene

Desde el punto de vista químico, los jabones y la mayor parte de los detergentes son muy similares. En todos los casos, se trata de la sal sódica de un ácido orgánico de cadena larga en que el número de átomos de carbono es generalmente par y varía entre cuatro y veintiocho. En el caso del jabón, la materia prima son las grasas animales o vegetales y, en el caso de los detergentes, son derivados del petróleo.

Originariamente, el interés por el jabón se basaba en posibles aplicaciones terapéuticas. No obstante, cuando nuestros antepasados trataban grasas con extractos de cenizas de algunas plantas, en realidad no estaban produciendo jabón, sino grasas emulsionadas que no tenían poder detergente. Hasta finales del siglo XVIII, la poca calidad y elevado precio del jabón fueron la causa de un bajo nivel de higiene y la existencia de las plagas más devastadoras.

Los descubrimientos de Nicolas Leblanc (1742-1806) y Ernest Solvay (1838-1922) hicieron posible la sustitución de la ceniza de origen vegetal por hidróxido sódico, hecho que marcó el inicio de la producción industrial del jabón. A inicios del siglo XX, la sustitución de las grasas naturales por compuestos químicos, generalmente derivados del petróleo, representó el inicio de la industria de los detergentes sintéticos, la mejora constante de sus propiedades limpiadoras y la introducción de las lavadoras.

Detalle del panel de jabones y detergentes que forma parte de la exposición, donde podemos observar las estructuras moleculares del jabón y detergente comunes. / bp disseny

De explosivo a fármaco para enfermos cardíacos

La nitroglicerina está asociada a Alfred Nobel: un potente explosivo que le permitió ampliar notablemente el negocio de producción de armamento iniciado por su padre. La inteligencia y preparación de Alfred Nobel eran claramente excepcionales. Eso explica su habilidad para convertir la gran fortuna obtenida con la venta de explosivos en los premios más valiosos de la comunidad científica. Alfred Nobel es conocido en todo el mundo por su legado en forma de los cinco premios, otorgados anualmente desde 1901, a las personas que han hecho las contribuciones más relevantes al bien de la humanidad.

Además de ser un explosivo, la nitroglicerina también tiene aplicaciones en la construcción, en la minería y en la salud humana, como vaso dilatador potente. No es infrecuente que los elementos y compuestos químicos tengan aplicaciones muy positivas y también aplicaciones muy negativas. Todo depende de cómo se utilicen.

Cuatro científicos cuyo trabajo fue primordial en el establecimiento de la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas. Esta infografía está adaptada de uno de los paneles que forman parte de la exposición, dedicado al cloro. / bp disseny

La contribución más importante a la salud humana

El hambre, las guerras y las enfermedades infecciosas han sido las principales causas de mortalidad de la especie humana. A lo largo de los siglos, la falta general de higiene y el vertido de residuos y excrementos directamente a las aguas han dado lugar a verdaderas catástrofes demográficas.

Los trabajos de científicos como Edward Jenner (1749-1823), pionero de la inmunización, e Ignaz Semmelweis (1818-1865), pionero de la antisepsia, fueron primordiales para abrir la puerta a la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas. Esta teoría quedó definitivamente establecida gracias a Louis Pasteur (1822-1895), padre de la microbiología, y Robert Koch (1843-1910), padre de la bacteriología.

El cloro elemental (CI2) o en forma de hipoclorito o de dióxido de cloro es el desinfectante del agua más utilizado en el mundo por su efectividad, bajo coste y facilidad de uso. La primera vez de la que tenemos constancia de una desinfección de agua de suministro en Cataluña corresponde al año 1914, durante la epidemia de fiebre tifoidea en Barcelona. Lamentablemente, el cloro en su forma elemental fue utilizado como gas letal durante la Primera Guerra Mundial.

Cómo convertir el agua en pan

El amoníaco (NH3) es una molécula muy simple –tan solo un átomo de nitrógeno unido a tres átomos de hidrógeno–, pero no se encuentra fácilmente en la naturaleza ni su sintetización es sencilla. Es muy soluble en agua y a menudo se utiliza en una solución acuosa. Es fundamental para asegurar la alimentación en el mundo porque sirve para hacer fertilizantes.

No obstante, la síntesis del amoníaco no es un proceso sencillo. Fritz Haber (1868-1934) y Carl Bosch (1874-1940) son los químicos que hicieron posible este sueño. El primero halló la manera de obtener amoníaco a partir del nitrógeno del aire, en el laboratorio, y el segundo hizo posible su producción a escala industrial. Los dos fueron galardonados con el Premio Nobel.

«La producción anual de amoníaco es de 150 millones de toneladas. Es, mundialmente, el proceso de síntesis química más importante»

La producción anual de amoníaco es de 150 millones de toneladas. Es, mundialmente, el proceso de síntesis química más importante. Esta capacidad productiva podría alimentar casi a doce mil millones de habitantes (la población mundial actual es, aproximadamente, de ocho mil millones). El hambre en el mundo no es un problema técnico. Es un problema con solución.

Un paso fundamental para salvar millones de vidas

El descubrimiento y desarrollo de la penicilina tiene todos los ingredientes de una novela de intriga. La historia empieza en septiembre de 1928 cuando Alexander Fleming descubrió que la colonia de un hongo (Penicillium notatum) que había crecido espontáneamente en sus cultivos de bacterias (Staphylococcus aureus) había producido una sustancia, a la que llamó penicilina, que inhibía el crecimiento de las bacterias. Mucho menos conocido es otro hecho capital: en la década de 1930, Howard W. Florey y Ernst B. Chain realizaron los ensayos clínicos que permitirían utilizar la penicilina para combatir infecciones en seres vivos. Los tres recibieron el Premio Nobel.

«El descubrimiento y desarrollo de la penicilina tiene todos los ingredientes de una novela de intriga»

No obstante, la obtención de cantidades importantes de penicilina presentó dos grandes problemas: 1) los equipamientos científicos de la época no permitían establecer inequívocamente su estructura química, y 2) sin conocer esta, no era posible abordar su síntesis en el laboratorio. La única alternativa que quedaba, nada sencilla, era intentar optimizar el rendimiento de la biosíntesis. El año 1945, Dorothy C. Hodgkin, Premio Nobel de Química de 1964, determinó la estructura de la penicilina por difracción de rayos X. En 1957, John C. Sheehan consiguió la síntesis total en el laboratorio.

Actualmente, penicilina es el nombre genérico de una familia de antibióticos que tienen la forma molecular C9H11N2O4SR. La estructura del fragmento {C9H11N2O4S}, común para todos los miembros de la familia, determina sus propiedades bactericidas, mientras que el radical R modula sus propiedades farmacológicas.

Pilar González-Duarte, miembro del IEC i comisaria de la exposición. / IEC

Un metal que cura el cáncer

Recogemos bajo la palabra cáncer un gran nombre de enfermedades caracterizadas por el desarrollo anormal de las células, las cuales se dividen de manera incontrolada y tienen la capacidad de infiltrarse y destruir tejidos sanos del cuerpo. Se considera que aproximadamente un millón y medio de europeos morirán de cáncer este 2021.

A mediados de la década de 1960, Barnett Rosenberg estudió los efectos de la corriente eléctrica en la división celular. Al aplicar una corriente eléctrica a un cultivo bacteriano a través de electrodos de platino, observó que las células se alteraban sustancialmente a causa del complejo cis-[PtCl2(NH3)2] que se había formado en la solución. Después de hacer estudios in vivo, el cisplatino pasó a la fase ensayos clínicos y el año 1978 fue aprobado en los Estados Unidos para tratar el cáncer testicular y el de ovario. También se ha administrado para otros tipos de cáncer en combinación con más fármacos.

Hoy se sabe que el cisplatino interacciona con las bases del ADN y causa alteraciones estructurales que impiden su replicación y, en consecuencia, producen la muerte celular. Ahora bien, el hecho de que el cisplatino, como la mayoría de agentes quimioterapéuticos, no diferencie las células cancerosas de las sanas, provoca efectos no deseables. A fin de evitarlos se están ensayando nuevos procedimientos, como la terapia dirigida, la radioterapia de elevada precisión y la inmunoterapia o terapia biológica.

La sala de operaciones: uno de los lugares donde mejor se duerme

La palabra anestesia significa etimológicamente “insensibilidad”. La finalidad principal de cualquier anestesia es evitar el dolor. La búsqueda de remedios contra el dolor ya está documentada en civilizaciones como la de los babilonios, los griegos (que utilizaban la planta del opio o la mandrágora) o los chinos (que empleaban la acupuntura).

En 1800 Humphry Davy propuso el uso del óxido nitroso (N2O) para disminuir el dolor en las intervenciones quirúrgicas. El óxido nitroso se conoce como el gas hilarante porque produce estados de euforia. Fue el primer indicio de que los sentimientos podían ser susceptibles a la química.

Desde mediados del siglo XIX, compuestos volátiles, como el éter dietílico y el cloroformo, se utilizan como anestésicos en odontología y en obstetricia. El éter se continuó usando hasta mediados del siglo XX, cuando se descubrieron agentes inhalatorios más potentes, más fáciles de manejar y con menos efectos secundarios, como el halotano, que es un haluro de alquilo.

«La posibilidad de hacer un bloqueo temporal y reversible del sistema nervioso ha sido fundamental para el desarrollo de todas las especialidades quirúrgicas»

Paralelamente, se desarrollaron anestésicos intravenosos y se descubrieron los barbitúricos a principios del siglo XX (como el barbital, el fenobarbital…) En 1934 apareció el barbitúrico tiopental o pentotal sódico, que se utilizó hasta que en 1973 fue sustituido por propofol, que es el agente intravenoso más utilizado actualmente. El doctor John B. Glen, galardonado en 2018 con el Premio Lasker-DeBakey por el descubrimiento del propofol, también ha desarrollado máquinas hoy presentes en todas las salas de operaciones, para mantener a los pacientes anestesiados y totalmente monitorizados.

Los anestésicos generales y locales, con mecanismos diferentes, impiden la conexión entre neuronas. La posibilidad de hacer un bloqueo temporal y reversible del sistema nervioso ha sido fundamental para el desarrollo de todas las especialidades quirúrgicas y para la aplicación de las tecnologías de la imagen con finalidades diagnósticas.

La importancia de la nutrición en la salud humana

El escorbuto afectaba gravemente a las tripulaciones de los viajes oceánicos de larga duración. En el siglo XVIII, Gran Bretaña tenía una flota demasiado importante para no intentar encontrar remedio a la enfermedad. El 20 de mayo de 1747, James Lind, médico de la Marina Real Británica, condujo el primer ensayo clínico de la historia. Y concluyó que el escorbuto se curaba con una dieta que incluyera cítricos. Tuvieron que pasar casi 150 años para que se empezara a estudiar la relación entre determinadas enfermedades y la dieta alimentaria.

«James Lind concluyó que el escorbuto se curaba con una dieta que incluyera cítricos»

El concepto de vitamina fue introducido en 1912 por el bioquímico polaco Casimir Funk, que aisló la tiamina (vitamina B1). La primera mitad del siglo XX fue la edad de oro del mundo de las vitaminas. Médicos y bioquímicos trabajaban intensamente para encontrar la relación de determinadas enfermedades con la dieta. Los descubrimientos científicos en el campo de las vitaminas fueron merecedores de diez premios Nobel.

Las vitaminas son substancias orgánicas necesarias en pequeñas cantidades para el buen funcionamiento de las funciones vitales. Los humanos no tienen capacidad para sintetizarlas y, por tanto, se han de obtener a partir de una dieta variada. Para cada vitamina es necesario una concentración determinada: ni defecto ni exceso.

El polímero más simple

Con la palabra plásticos se designa un conjunto de materiales sintéticos de naturaleza polimérica, formados por macromoléculas orgánicas en que el carbono es el elemento químico protagonista. Se caracterizan por ser fácilmente modelables mediante calor y presión.

El descubrimiento del polietileno1, en 1933, fue accidental y se mantuvo en secreto durante unos cuantos años por motivos militares. El polietileno es el plástico más común en uso actualmente y está producido por el hombre a partir del etileno. Es el más simple de todos los polímeros, además de ser el plástico más barato y ser químicamente inerte, físicamente tenaz, flexible, resistente y buen aislante eléctrico. A partir de 2017, cada año se producen más de cien millones de toneladas, que representan el 34 % del mercado total de plásticos (las condiciones de fabricación determinan su estructura).

No se puede negar el efecto positivo de los plásticos, pero es necesario usarlos de forma responsable y sostenible. Para evitar los problemas de contaminación, es necesario eliminar el consumo de plásticos de un solo uso, sustituir los plásticos tradicionales por plásticos biodegradables y reutilizar los materiales plásticos, transformando productos viejos en otros nuevos.

La comisaria de la exposición, Pilar González Duarte, con un grupo de estudiantes de visita a «Molècules que ens han canviat la vida». / IEC

De la edad de piedra a la revolución digital

El silicio2, a pesar de su abundancia en la Tierra (27 % en masa) no se halla nunca como elemento puro, sino que siempre está combinado con el oxígeno formando dióxido de silicio (SiO2) o silicatos. Desde la década de los años cincuenta del siglo XX, el silicio es el protagonista de la revolución tecnológica más importante de la historia, ya que es el elemento semiconductor esencial en la microelectrónica.

El nacimiento de la microelectrónica se sitúa en 1947, cuando William B. Shockley, John Bardeen y Walter H. Brattain, trabajando en los ATT Bell Laboratories, inventaron el transistor, un dispositivo que permite amplificar, controlar o generar señales eléctricos. Los transistores son los componentes clave de toda electrónica moderna. Su parte activa está formada por un material semiconductor, que en general es el silicio. En 1956, Shockley, Bardeen y Brattain fueron galardonados con el Premio Nobel.

La obtención de silicio ultrapuro es un proceso difícil y costoso que implica la formación de un monocristal cilíndrico (mediante el método de Czochralski), a partir del que se obtenían las obleas que hoy llegan a ser de 25 cm de diámetro. En estas obleas se fabrican los chips, que incluyen dispositivos electrónicos miniaturizados y sus interconnexiones.

Además del silicio, para que funcionen los ordenadores, las tabletas y los teléfonos móviles se necesita tántalo, estaño, tungsteno y oro, que se obtienen de los llamados minerales de sangre, porque son causa de conflictos bélicos. Si las extracciones de estos minerales en el Congo, no habría móviles, pero los dispositivos que nos rodean ya han causado cinco millones de muertos.


Para conocer más detalles de la exposición, podéis visitar su web, o leer esta entrevista a Pilar González Duarte, comisaria de la exposición.

1. Por su naturaleza polimérica, el polietileno no responde estrictamente a la definición química de molécula.

2. El dióxido de silicio, por su naturaleza polimérica, no responde estrictamente a la definición química de molécula.

 

© Mètode 2021
Doctora en Ciencias Químicas y catedrática emérita de Química Inorgánica de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Miembro del Instituto de Estudis Catalans.