El monstruo subatómico (19 page)

Sin embargo, tenemos que ir más allá del simple color verde.

Si un fragmento de tejido vegetal es verde, esto sólo se debe a que algún producto químico específico dentro del tejido absorbe la luz roja, reflejando el resto, y ese producto químico específico es por sí mismo verde.

Dos químicos franceses, Pierre Joseph Pelletier (1788-1842) y Joseph Bienaimé Caventou (1795-1877) estaban particularmente interesados en aislar de las plantas, productos químicos de importancia biológica. Entre los productos químicos que se aislaron primero, entre 1818 y 1821, se encontraban alcaloides como la estricnina, la quinina y la cafeína. Pero incluso antes de eso, en 1817, habían extraído materiales que contenía la materia colorante verde de las plantas, y fueron los primeros en dar un nombre a esta sustancia. La llamaron «clorofila», que procede de las palabras griegas que significan «hoja verde».

Este adelanto fue algo importante, pero es sólo el principio. Pelletier y Caventou miraron una solución verde en un tubo de ensayo y le dieron un nombre, pero ¿qué
es
la clorofila?

En 1817 la teoría atómica sólo tenía, más o menos, una década de antigüedad, y los químicos no tenían modo de precisar la disposición de los átomos dentro de una molécula complicada. Hasta 1906 no se realizó un ataque importante a la estructura atómica de la clorofila, y lo hizo el químico alemán Richard Willstatter (1872-1942).

Fue el primero en preparar clorofila en forma razonablemente pura, y descubrió que no se trataba de uno, sino de dos productos químicos muy relacionados, a los que llamó «clorofila-a» y «clorofila-b», difiriendo ambos levemente en sus pautas de absorción de la luz. El primero era el más común, formando alrededor de las tres cuartas partes de la combinación.

Teniendo los productos químicos puros, fue capaz de estudiar los diferentes elementos que estaban presentes, con bastante seguridad de que dichos elementos demostrarían ser, en realidad, parte de las moléculas de clorofila, y no parte de cualesquiera impurezas que también pudiesen estar presentes. La clorofila contiene átomos de carbono, de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, pero eso no constituyó ninguna sorpresa. En la época de Willstatter se sabía que prácticamente todas las moléculas complejas de los organismos vivos (las llamadas moléculas orgánicas) contenían átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, y que un buen porcentaje de las mismas contenía asimismo átomos de nitrógeno.

Sin embargo, Willstatter descubrió que la clorofila contenía también átomos de magnesio. Fue la primera molécula orgánica descubierta que contenía dicho elemento.

En la actualidad, sabemos que cada molécula de clorofila-a contiene 137 átomos, mientras que cada molécula de clorofila-b contiene 136 átomos.

Hoy se sabe que una molécula de clorofila-a tiene 72 átomos de hidrógeno, 55 átomos de carbono, 5 átomos de oxígeno, 4 átomos de nitrógeno y 1 átomo de magnesio. Una molécula de clorofila-b tiene dos átomos menos de hidrógeno y un átomo más de oxígeno.

Si se conoce el número total de átomos de una molécula, y cuántos de cada variedad están presentes, esto aún significa muy poco. Lo que cuenta es la disposición de esos átomos y 136 ó 137 átomos de cinco clases diferentes pueden ordenarse en un número astronómico de maneras diferentes.

Una forma de conseguir algún indicio de la disposición consiste en descomponer las moléculas complejas, de algún modo, en fragmentos más simples que luego se pueden estudiar. Un fragmento determinado podría contener no más de aproximadamente una docena de átomos de tres clases diferentes, y podría encajar razonablemente bien en sólo dos o tres formas distintas. Incluso podría ser que la experiencia química llevara a suponer que la probabilidad de una disposición determinada de esos pocos átomos es mucho mayor que cualquier otra.

Así pues, para aclarar el asunto, los químicos podían realmente sintetizar varias moléculas que contenían el número requerido de diferentes tipos de átomos en cada una de las distintas disposiciones probables, comparándolas con el fragmento obtenido de la molécula de clorofila. Cuando aparece una identidad de propiedades, se sabe que el fragmento es equivalente al compuesto sintético con el que concuerda.

De este modo, Willstatter descubrió que, entre los fragmentos de las moléculas de clorofila, debían encontrarse pequeñas moléculas que contuviesen cuatro átomos de carbono y un átomo de nitrógeno, estando esos cinco átomos dispuestos en forma de anillo. El anillo más simple de éstos tenía un átomo de hidrógeno unido a cada uno de los cinco átomos del anillo. A este compuesto le llamó «pirrol» el químico alemán Friedlieb Ferdinand Runge (1795-1867), que fue el primero que lo aisló, en 1834. El nombre procede de una voz griega que designa un rojo vivo, puesto que cuando se trata el pirrol con ciertos ácidos, se forma una brillante sustancia roja.

Por lo tanto, parecía lógico suponer que la clorofila consistía en anillos de pirrol dispuestos de tal forma que producía una pauta aún más complicada. En 1912, un químico llamado William Kúster propuso que cuatro anillos de pirrol podían formar un anillo más grande, estando conectado cada par de pirroles por un puente consistente en un sólo átomo de carbono.

Un compuesto constituido por un anillo así de anillos de pirrol se denomina «porfirina», un término empleado por primera vez por el bioquímico alemán Félix Hoppe-Seyler (1825-1895), hacia el año 1860. Porfirina deriva de una voz griega para designar «púrpura», dado que muchas porfirinas son de este color.

Así, pues en la época en que se realizó el trabajo de Willstatter, parecía del todo seguro que la clorofila poseía una molécula que tenía un anillo de porfirina en el centro, pero quedaban aún muchos detalles que tenían que ser dilucidados.

El anillo de anillos de porfirina posee muchas simetrías en la disposición de los átomos, y dichas simetrías contribuyen a la estabilidad de la molécula. (El químico estadounidense Linus Pauling (n. 1901) demostró este tipo de cosas en su revolucionaria aplicación de la mecánica de los cuantos a la estructura molecular, hace cincuenta años.) Por consiguiente, la estructura de la porfirina, con su esqueleto de anillo compuesto por 20 átomos de carbono y 4 átomos de nitrógeno, se encuentra comúnmente en la vida y está incluida en diversos componentes esenciales, tanto de las plantas como de los animales, y no sólo en la clorofila.

Así, en muchos animales (incluyendo a los seres humanos) existe una porfirina púrpura, el «heme». Este heme, cuando se une a una proteína adecuada, forma hemoglobina, la sustancia roja que absorbe oxígeno en los pulmones, o branquias, y lo pasa a las células del tejido. En combinación con otras proteínas, el heme forma enzimas implicadas en el manejo del oxígeno por las células, y éstas se encuentran universalmente en todas las células que usan oxigeno, tanto en las plantas como en los animales.

Constituye un ejemplo de la economía de la Naturaleza el que el mismo anillo de anillos estable pueda, con leves modificaciones, producir la clorofila verde, tan esencial para las plantas, y el heme, tan útil para los animales. (Mientras que en la clorofila el color verde es algo esencial, en el heme el color púrpura es un mero resultado secundario y no desempeña ningún papel en su funcionamiento.)

Pero ¿cómo se modifica el anillo de porfirina para formar éste o aquél compuesto?

Los cuatro anillos de pirrol están dispuestos con los átomos de nitrógeno señalando hacia el centro. Los dos átomos de carbono que están al lado del átomo de nitrógeno en cada anillo de pirrol intervienen en la formación del anillo grande (estos átomos de carbono son aquellos con los que los anillos de pirrol «se dan la mano»).

Esto deja libres a los dos átomos de carbono en el extremo más alejado del anillo de pirrol. Estos ocho átomos de carbono (dos en cada uno de los anillos de pirrol) pueden estar unidos a una cadena lateral de uno o más átomos de carbono a la cual, a su vez, pueden estar unidos aún otros átomos. Así pues, ¿qué cadenas laterales concretas se hallan implicadas, y dónde enlaza cada cadena lateral en el anillo de porfirina?

El problema fue abordado por el químico alemán Hans Fischer

(1881-1945) en los años veinte. Trabajó con heme y, tras separar las cadenas laterales, estudió y analizó la mezcla resultante. Demostró que cada molécula de heme posee cuatro cadenas laterales formadas por 1 átomo de carbono y 3 átomos de hidrógeno (un «grupo metilo»); otras dos se hallaban formadas por 2 átomos de carbono y 3 átomos de hidrógeno (un «grupo vinilo»), y dos cadenas laterales que consistían en 3 átomos de carbono, 5 átomos de hidrógeno y 2 átomos de oxígeno (un «grupo de ácido propiónico»).

Esos ocho grupos de tres variedades diferentes pueden ordenarse de quince formas distintas en el esqueleto del anillo de porfirina. ¿Y qué forma es la correcta?

Fischer había desarrollado métodos para sintetizar moléculas de porfirina completas con las cadenas laterales, y por tanto adoptó una estrategia de asalto en masa. Pidió a cada uno de quince estudiantes graduados que sintetizasen una molécula diferente de porfirina con las cadenas laterales dispuestas de una manera concreta, para que pudiesen producirse las quince. En 1929 mostró que una en particular de las quince era la correcta. La disposición de la cadena lateral, al dar la vuelta al anillo de porfirina, resultó ser metilo, vinilo, metilo, vinilo, metilo, ácido propiónico, ácido propiónico, metilo.

A continuación, Fischer se ocupó de la clorofila. Obviamente tenían que existir diferencias, siendo la más importante de ellas que el heme poseía un átomo de hierro en el centro del anillo de porfirina, mientras que la clorofila tenía un átomo de magnesio. Sin embargo, si se separaba el átomo de hierro del primero y el átomo de magnesio del segundo, lo que quedaba en ambos casos tampoco era idéntico. Había también otras diferencias.

Para empezar, los cuatro grupos metilo se encuentran en el mismo lugar en la clorofila-porfirina y en el heme-porfirina. Lo mismo ocurre con los dos grupos vinilo, excepto que en el segundo hay dos átomos adicionales de hidrógeno para formar un «grupo etilo». Los grupos de ácido propiónico están en el mismo lugar que en el heme, pero considerablemente modificados. Uno de los grupos de ácido propiónico se enrosca para combinarse con el anillo de pirrol adyacente para formar un quinto anillo, y se añade un átomo adicional de carbono. En el caso del otro, queda libre, pero lleva unida a él una larga cadena de veinte carbonos (el «grupo fitilo»)

Al menos esto es la clorofila-a. En la clorofila-b, una de las cadenas laterales de metilo se convierte en un «grupo aldehído», compuesto por un átomo de carbono, uno de hidrógeno y uno de oxigeno.

Esta descripción de la estructura de la clorofila fue deducida de los análisis de fragmentos de Fischer, pero la confirmación final no podía lograrse hasta que se construyera una estructura de clorofila en el laboratorio, que encajase con la estructura sugerida. Si se demostraba que la molécula sintética era idéntica en todas las propiedades a la natural, la estructura quedaría demostrada sin lugar a dudas.

La clorofila tiene una estructura más complicada que el heme, no obstante, y Fischer no logró su síntesis. No se consiguió con éxito hasta 1960, cuando el químico estadounidense Robert Burns Woodward (1917-1979) llevó a cabo la tarea, y se confirmó la estructura.

Una vez tenemos la clorofila, e incluso podemos sintetizarla, ¿existe la posibilidad de que podamos cortocircuitar el mundo de las plantas? Tal vez pudiésemos aislar la clorofila y hacerla funcionar en grandes instalaciones químicas. Aplicando luz sobre ella y proporcionándole condiciones favorables, ¿podríamos lograr convertir anhídrido carbónico y agua en sustancias alimenticias con gran eficacia y sin precisar su esfuerzo para satisfacer las necesidades de la estructura y funcionamiento de la planta?

¡No! Si ponemos clorofila en un tubo de ensayo y la exponemos a la luz, no fotosintetiza. Aunque se extraigan otros compuestos también presentes en las células de las plantas y se añadan a la clorofila, no tendrá lugar la fotosíntesis. Al parecer, dentro de las células de la planta, la clorofila constituye una parte de un intrincado y bien organizado sistema que actúa como un todo, que trabaja con suavidad, para desarrollar el proceso de fotosíntesis que incluye muchos pasos. La clorofila hace posible el paso clave, y sin ella no puede suceder nada, pero ese paso clave no es por si mismo suficiente.

Un organismo está compuesto por células, pero cada célula no es una gota de protoplasma desorganizada. Más bien, dentro de cada célula existen estructuras aún más pequeñas denominadas organelas, estando cada una de ellas altamente organizada. Como ejemplo, un tipo importante de organelas presente prácticamente en todas las células son los cromosomas, que contienen la maquinaria genética que hace posible la reproducción. Otro ejemplo lo constituyen los mitocondrios, que son las centrales eléctricas de la célula y que contienen un complejo sistema de enzimas tan organizado, que hace posible el combinar alimentos y oxígeno de manera que se produzca energía de una forma controlada y útil.

En el interior de las células de las plantas, la clorofila resulta que está también confinada en ciertas organelas. Esto fue demostrado por primera vez en 1865, por el fisiólogo botánico alemán Julius von Sachs (1832-1897). Esas organelas recibieron el nombre de cloroplastos.

Los cloroplastos son organelas grandes dos o tres veces más grandes y más gruesas que las mitocondrias, por ejemplo, y no resulta sorprendente que la estructura de los cloroplastos sea, en consecuencia, el más complejo de los dos.

El interior del cloroplasto está compuesto por numerosas membranas delgadas que se extienden en todo lo ancho de la organela. Son las lamelas. En la mayoría de tipos de cloroplastos, esas lamelas se hacen más gruesas y se oscurecen en ciertos lugares para formar condensaciones llamadas grana. Las moléculas de clorofila se encuentran en los grana.

Si los grana se estudian bajo el microscopio electrónico, a su vez parecen estar formados por diminutas unidades, apenas visibles, que tienen el aspecto de las baldosas bien puestas del suelo de un cuarto de baño. Cada uno de esos objetos puede ser una unidad fotosintetizadora que contiene de 250 a 300 moléculas de clorofila.

Los cloroplastos son mucho más difíciles de manejar que las mitocondrias, ya que a su mayor complejidad estructural, al parecer, se añade una mayor fragilidad. Cuando las células se descomponen, por ejemplo, los mitocondrios pueden ser aislados, intactos, con relativa facilidad, e incluso puede hacerse que sigan llevando a cabo su función.