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Intoxicación por ricina #QuímicaDeBreakingBad1

Breaking Bad - Veneno Mortal

 

*Esta entrada NO CONTIENE spoilers de la serie Breaking Bad, NINGUNA de las referencias explícitas a la serie o sus personajes desvela parte o totalidad de la trama.

 

Todos los seriéfilos conocen de la habilidad del Dr. Walter White para sintetizar compuestos químicos altamente puros que sobrepasa la realidad. Bajo un conocimiento tremendamente amplio en química inorgánica y una técnica impecable, al protagonista de Breaking Bad lo mismo le da trabajar hasta tarde para producir metanfetamina en una caravana que en obtener  un explosivo o tóxico para salir de alguno de sus típicos apuros.

 

En varios capítulos, el Dr White propone a su compañero de fechorías – el narcotraficante Jesse Pinkman – envenenar a algún capo de la droga con ricina. ¿Cómo? Muy fácil, aunque se trate de dos moléculas completamente distintas, los polvos de ricina y los de metanfetamina son indiferenciables a simple vista. Así pues, algo tan común o usual como la distribución de droga entre la competencia puede acabar con un fatal desenlace si se mezclan ambas sustancias.

En esta entrada vamos a ver que es la ricina, su fabricación y su efecto. También nombraremos algunos de los usos o potencialidades que tiene.

 

La ricina es una proteína extraída de las semillas de la planta de Ricino – Ricinus communis -. Aunque su proceso de extracción tiene una patente, el método es muy parecido al de de otras proteínas, por ejemplo la de la planta de soja. El producto final es un polvo fino de color blanco, inodoro e insípido. Como podréis comprobar en la serie, es una sustancia totalmente irreconocible de la metanfetamina.

 

Castor beans are photographed December 16, 2010 in New York City. The beans, also known by its scientific name of Ricinus communis, are the main ingredient in making the poison ricin. (Photo illustration by Yvonne Hemsey/Getty Images)

Semillas de ricino.

 

La toxina de la que hablamos es una proteína de unión a ribosoma que lo inactiva. El ribosoma es el orgánulo encargado de la fabricación de otras proteínas para la célula, de manera que cuando queda completamente bloqueado por causa de la obstrucción de la ricina se inhibe la síntesis proteica.

A nivel fisiológico los primeros efectos notables de su ingesta son vómitos, diarrea y deshidratación. ¿A qué se deben? El hígado no podrá sintetizar las proteínas que se encargan de los procesos básicos de digestión por lo que todo lo ingerido se rechaza sin ser completamente digerido. La deshidratación es un efecto secundario a los dos primeros síntomas que hemos comentado.

 

Ribosoma procesando una hebra de ARN.

 

Los efectos no son los mismos cuando se inhala puesto que las células expuestas – por tanto, las afectadas – pertenecen a otros órganos y tejidos. Su aparición se hace incluso todavía más notable, en un período de hasta 6 horas después de administrarse se puede desarrollar tos con sangre debido a la disfunción alveolar producida en todo el sistema respiratorio.

Si bien hasta aquí parece que tenemos indicios de una gripe común – en lo que refiere a su ingesta – pasados tres o cuatro días y si el paciente no ha fallecido se acusarán los primeros síntomas a la par que aparecerán hemorragias intestinales. Normalmente, la intoxicación por ricina suele causar la muerte antes de los diez días.

 

Estructura de la ricina.

 

La dosis mortal de ricina para un humano puede extraerse de entre 4 y 8 semillas, siendo mortal en todas sus posibles formas de administración. No existe antídoto conocido, a pesar de que hace unos años se desarrollara un método para producir la antitoxina, la patente fue retirada después de su proceso de fabricación se pusiera en duda.

Sorprendentemente, la toxina del ricino se está probando como uso médico en el tratamiento del cáncer y en el desarrollo de vacunas. También ha sido utilizada en el presente y último siglo como arma química.

Así pues, aunque la cara angelical del Sr Walter White diga todo lo contrario, el químico más afamado de las series americanas sabía lo que se traía entre manos. Si queréis saber más sobre esta historia y como acaba este baile de moléculas os recomiendo que veáis la serie. Son 5 temporadas repletas de guiños químicos y un argumento envolvente del que no os podréis deshacer.

 

Walter White con un vial de ricina. 

 

 

***NOTA IMPORTANTE: LA FABRICACIÓN DE METANFETAMINA Y/O RICINA ES UNA ACTIVIDAD ILEGAL.

 

Post escrito por Adrián Villalba, estudiante de Bioquímica y colaborador en blog AlbaCiencia.

 

 

Además añadir:

“Esta entrada participa en el XXXIX Carnaval de Química alojado en el blog ‘gominolasdepetróleo‘”

 

Baño de moléculas: una visión más precisa de los cambios de estado

Desde la Educación Primaria se acostumbra a determinar de forma más o menos intuitiva la separación clásica en tres estados básicos de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Cabría añadir más fases, pero eso es otro tema y deberá ser contado en otra ocasión.

Si analizamos los tres estados planteados inicialmente podemos plantearnos la siguiente cuestión ¿qué diferencia hay entre ellos? Supongamos una sustancia, el agua por ejemplo, que podemos encontrar en forma de hielo, agua líquida y vapor de agua respectivamente. Esta molécula (H2O) formada por un átomo de oxígeno por dos de hidrógeno es la misma en los tres estados, por lo tanto la sustancia no cambia a nivel molecular. Es evidente eso sí, que un cubito de hielo y un vaso de agua tienen propiedades físicas claramente diferenciables. ¿A qué se deben estos cambios físicos? ¿Qué cambios químicos se dan en la molécula del agua para que un iceberg, el océano y una nube sean tan diferentes conteniendo la misma sustancia?

La clave está en el calor, la energía térmica, que absorbe cada tipo de fase. El calor es energía térmica, y la energía térmica es vibración molecular. Esto significa que cuanta más temperatura tiene un cuerpo (véase aquí la molécula de tres átomos del agua) más vibran estas moléculas respecto a las otras. Así no es de extrañar que las moléculas que forman una nube vibren un tanto más que las del iceberg  y de aquí el estado de compactación de cada forma del agua.

La vibración no solo se puede modular a través de la temperatura, sino que también a través de la presión. Así a más presión por norma general suele haber menos vibración. La correlación parece simple ¿no? A más temperatura y a menos presión más vibración molecular. La correlación, aunque muy parecida a ésta, no encaja en una función lineal completamente. Tenemos una gráfica de presión  y temperatura que nos dice a partir de que punto de cada variable nos encontramos en una fase u otra de la materia. Es lo que llamamos un diagrama de fases, como el siguiente:

 

Si atendemos a la gráfica podemos ver como al aumentar la presión conseguimos una fase sólida mientras que el aumento de la temperatura es una tendencia a lo gaseoso. ¿Y si subo un poco la temperatura y bajo la presión? ¿Y si no subo tanto la temperatura como la presión que bajo? Entonces nos encontramos con situaciones intermedias que debemos analizar.

Para poder ejemplificar el diagrama de fases vamos a utilizar un simulador químico muy sencillo, disponible y abierto a cualquier usuario en Phet Simulators:

–          La imagen siguiente corresponde al estado gaseoso del agua: las moléculas vibran mucho, se mueven rápidamente por el recipiente que las contiene y están muy separadas entre ellas. Este detalle confiere las propiedad físicas características de los gases: fácilmente comprensibles.

 

–          Si en cambio analizamos el estado líquido vemos como las moléculas ya no van tan rápido como el caso anterior y no están tan separadas entre sí:

 

–          Finalmente vemos el estado sólido, como además de vibrar muy muy poco se crea una estructura muy ordenada  y rígida (todo parece encajar de momento):

 

Ahora ya tenemos una idea característica de que es lo que le pasa a cada sustancia en cada estado de la materia. Ahora vamos a ver como se produce el cambio de fase en cada situación de presión y temperatura.

Empezamos en condiciones de temperatura y presión muy bajas, de tal manera que tenemos un sólido compacto:

 

Si aumentamos la presión y la temperatura a la vez llegamos al punto triple del agua. Sorpresa… Estamos ante la variante del gato de Schrödinger químico. Aquí tenemos una mezcla de moléculas que están en sólido, líquido y gas a la vez, depende de que variable modifiquemos acabaremos en gas, líquido o sólido:

El punto triple del agua se halla a 273,16 K (0,01 °C) y a una presión de 611,73 Pa.

Aquí tenemos cuatro caminos diferentes de progresión:

–          Mantener la presión y disminuir la temperatura: vamos a estado sólido.

–          Mantener la presión y aumentar la temperatura para ir a gas, o bien mantener la temperatura y disminuir la presión.

–          Mantener la temperatura y aumentar la presión para ir a líquido.

–          Aumentar proporcionalmente temperatura y presión para llegar al estado crítico que es lo que hacemos a continuación.

 

Pasado de este punto tenemos un líquido supercrítico, es un caso particular donde el líquido tiene la misma densidad que el gas y por tanto no se puede condensar.

Si ampliamos el diagrama de fases que aparece en todas las imágenes del simulador encontramos datos adicionales:

–          Punto de fusión: El paso de estado sólido a líquido y delimitado por la frontera entre la franja roja y azul.

–          Punto de ebullición: el paso de líquido a gas delimitado por la franja azul y la franza gris.

Ya como último caso particular, ¿nunca os habéis preguntado que pasa a temperatura cero? Algunos los llaman tercer principio de la termodinámica. Resulta si la molécula no tiene calor no tiene vibración alguna, tenemos una foto estática de las moléculas tal y como la siguiente:

 

La idea principal es conocer el estado físicoquímico de la materia a través de sus propiedades moleculares y entender como éstas afectan a las propiedades visuales que nosotros percibimos.

Como última aclaración, hay una alternativa al diagrama de fases bidimensional, es el diagrama 3D. En este diagrama se incluye la variable del volumen para poder acotar con más precisión las fronteras entre cada fase.

 

 

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Entrada publicada originalmente en AlbaCiencia: http://albaciencia.albacete.org/?p=840#more-840

De la realidad visual al átomo.

El átomo es una figura fundamental en la química y la física moderna. No obstante, algo tan básico y conocido a día de hoy ha sufrido una serie de modelizaciones teóricas a lo largo de la historia que han desembocado en nuestra concepción actual. El modelo atómico ha estado lleno de teorías controvertidas entre ellas, con huecos experimentales y muchas veces aguantándose con pinzas. Lo importante del modelo hasta hace tiempo no era si podía dibujarnos un átomo sino explicar la materia desde su base más sólida junto a sus interacciones.

Si no existiera habría que inventarlo. Parafraseando a un gran pensador, esta frase resume el nacimiento del átomo como concepto en la humanidad. De la Filosofía Griega, que se preguntaba sobre los temas básicos de la realidad visual, el entorno y que constituía las macroestructuras nació el término átomo. Aunque algunos pensadores de la época, como Demócrito o su discípulo Leucipo teorizaron sobre tal, ninguna base sólida parte de un experimento, por lo tanto no aportan ninguna prueba corroborada ni científicamente probado de que sus escritos sean de notable consistencia.

Un salto de 15 siglos después mueve a diferentes científicos a crear un modelo, siendo el primero de ellos el modelo de Dalton.

Este modelo se postula durante la primera década del siglo XIX. Dalton suponía que el átomo era una esfera diminuta. Omite la existencia de cuerpos con carga, como protones y electrones. La caracterización de Dalton sobre los átomos no da tanta importancia a su estructura sino a sus interacciones. Caracterizaba con las mismas propiedadess cuantitativas a los átomos que formaban un mismo compuesto químico. Como curiosidad cabe destacar que para Dalton, el átomo era indivisible y en ninguna reacción química para formar compuestos éste sufría alguna división. Dejó entrever que los átomos se relacionan, es decir, tienen diferentes formas de crear compuestos que hoy conocemos como moléculas.

Como podemos ver, algunos aspectos nos pueden parecer precarios en cuanto a su estructura actual y otros un tanto desorbitados para los físicos teóricos como la indivisibilidad atómica. Sin embargo, se aproxima peligrosamente a la realidad cuando presupone relaciones atómicas de diferente tipo. El modelo de Dalton se basa en conceptos simples que supondrán el germen de la evolución de teorías del átomo y del modelo actual.

Casi un siglo después, a finales del XIX, Thomson llega a una conclusión experimental que resulta fundamental. Hay dos partes claramente diferenciadas en el átomo, una negativa y otra positiva. Las cargas negativas se incrustaban en una gran masa positiva de manera que entre ambas cargas neutralizaban su efecto quedando en estado neutro. A estas conclusiones llegó a raíz del uso de rayos catódicos. Aunque este material no le permitió darle una base teórica lo bastante sólida como para definir una estructura correcta consiguió establecer el sistema de cargas pero sí para definir los conceptos de iones a base de la ganancia y pérdida de electrones. No pudo explicar otras radiaciones pero sirvió de inspiración para el modelo de Rutherford. Como curiosidad, Jean Perrin, un premio Nobel de 1926 modificó el modelo de Thomson para situar los electrones algo más externos a la carga positiva.

En 1911, el experimento Rutherford consolidó la fisionomía del átomo para los siguientes 50 años, al menos a nivel estructural. Rutherford dispone de una fuente de rayos alfa que proyecta sobre una lámina de oro. En el supuesto caso del átomo de Thomson, los rayos alfa atravesarían el núcleo positivo sin desviar ni un ápice su trayectoria. Esto fue un resultado generalizado para su experimento puesto que en muchas réplicas la trayectoria del rayo fue desviada. Esto es debido a que la presencia de electrones se halla en una situación externa, no involucrada en el núcleo. Con experimentos posteriores demostró la existencia del neutrón hacia 1920. Para su detrimento, no explicó las leyes de Maxwell y sus ecuaciones para el electromagnetismo que dictaban que la energía que desprendía el electrón en movimiento terminaría por hacer a éste caer sobre el núcleo que orbitaba. Tampoco pudo explicar la interacción magnética con la materia.

 

El modelo que lo precedió fue el modelo de Bohr. Se considera el primer modelo moderno ya que la esctructura comprendida estaba comprobada y solo debía los enigmas a efectos cuánticos. Los electrones se sitúan a ciertas órbitas y pueden moverse entre ellas emitiendo o absorbiendo energía bajo el lema E = hf. Aunque la idea de órbitas era razonable Bohr nunca la pudo demostrar.

Erwin Schrödinger también toma asiento en el debate atómico. Parte de las ecuaciones de De Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de la materia para aplicarlas sobre el electrón. Describe orbital, la zona de máxima probabilidad para encontrar un electrón en un tiempo t determinado y describe la ecuación de Schrödinger. A partir de aquí derivarán los tres números atómicos conocidos para orbitales. Sobre este modelo se cimentarían el Principio de indeterminación de Heisenberg que dictamina como imposible conocer la posición y velocidad de un electrón simultáneamente. El espín, no derivará de la ecuación del modelo, es una propiedad intrínseca del electrón que corrigió Pauli.

 File:HAtomOrbitals.png

En cuanto a la actualidad, el modelo atómico ha evolucionado hacia la definición de partículas subatómicas y diferentes tipos de interacciones entre ellas, pero este tema merece una entrada a parte.

La historia de los modelos atómicos ha sido controvertida y hoy en día se sigue escribiendo, sin un modelo no nace otro al igual que sin una pregunta no nace una respuesta. Desde Demócrito hasta al CERN, todos son culpables de que poco a poco tiremos más del hilo deshaciendo la maraña de la estructura de la materia.

Las dos caras de la aspirina

 

La aspirina es un fármaco habitual en nuestras vidas. Para bien o para mal todos hemos oído hablar de ella y pocos (por no decir ninguno) se ha librado de su(s) efecto(s). Si dando un paseo en bici nos caemos y nos damos un golpe en la rodilla lo primero que hacemos al llegar a casa es tomar una aspirina para que baje la inflamación. Si por lo que sea nos duele la cabeza, el  estómago, tenemos algunas décimas de fiebre recurrimos una y otra vez al uso o abuso de este fármaco. Incluso las personas que tienen riesgo de padecer infarto lo utilizan. Lo que a priori nos puede resultar un fármaco genérico más que conocido y estudiado puede darnos alguna que otra sorpresa que no esperaríamos y que pretendemos destapar en este artículo, además de aseguraros que el remedio universal a todos los males menores no radica en esta pastilla que lo cura todo sino en una supuesta versión mejorada.

A nivel molecular

Aunque pueda parecer absurdo, el estudio de cualquier fármaco a nivel molecular puede destaparnos algún que otro detalle a posteriori de manera que vamos a hacer un retrato o sinopsis más bien sencilla y escueta del esqueleto de nuestra aspirina o acido acetil salicílico:

La fórmula contraída del compuesto es C9H8O4. En cuanto a grupos funcionales la cosa está bastante clara. Un anillo aromático une por el C1 un grupo carboxil y por el C2 un acetiloxi. Una base estable energéticamente que divide dos picos de electronegatividad en direcciones perpendiculares.

A nivel fisiológico

Ahora viene la pregunta del millón, la que nadie se hace pero es necesario responder, ¿Cómo actúa en el cuerpo?

Antes de nada indicar que la aspirina no cura, no reestablece ningún parámetro alterado ni devuelve el orden normal a la fisiología local. La única misión de  esta molécula es omitir el dolor, conseguir que no se produzca y por tanto eliminar los síntomas de un mal menor que puede ser devuelto al orden preestablecido por el propio organismo sin dificultar alguna.

Volviendo a la aspirina, vamos a comprender como actúa antes de determinar los posibles peligros que puede suponer para el organismo. El dolor que inhibe la aspirina se mide según la molécula de prostaglandina que se sintetiza a partir de un precursor y una enzima que cataliza la reacción. El precursor es un viejo conocido de la química, el ácido araquidónico, y la enzima es la COX o ciclooxigenasa.

La farmacodinámica de la aspirina consiste en acetilar un residuo del aminoácido Serina que se halla en el centro activo de la enzima, ésta cambia parcialmente su conformación tridimensional para este espacio de tal manera que el ácido araquidónico no puede ser catalizado y el marcador químico del dolor no se expresa. Hasta aquí todo bien, pero, ¿dónde yace el riesgo de consumir este medicamento¿

La COX es una enzima que se divide en dos formas o isoformas que son la COX1 y COX2, aunque estén relacionadas no  cumplen exactamente la misma función aunque a ojos de la aspirina sean iguales. Las dos isoformas de la COX se originan a partir de la misma secuencia génica que sufre variaciones y el proceso es conocido como splicing alternativo. Aunque hay diferentes tipos de splicing, se puede resumir que a partir de un mRNA primario se modifica la secuencia transcrita para obtener diferentes traducciones. Sería algo similar a obtener diferentes versiones de una misma proteína con el mismo núcleo genético pero que pueden diferenciar en X aminoácidos.

Tanto COX1 como COX2 son idénticas, únicamente difieren en un único aminoácido que no se halla en el centro activo y la aspirina las reconoce por igual. La primera isoforma es la encargada de sintetizar prostaglandinas con el objetivo de marcador de dolor además de mediador en agregación plaquetaria y protección intestinal. La COX2 actúa a modo de marcador inflamatorio y se puede encontrar en el tejido epitelial de algunos órganos.

Cuando la aspirina bloquea la COX1 además de la COX2 y mientras tanto se da algún proceso digestivo no sucede nada debido a la cinética de reacciones el problema se da cuando la aspirina bloquea la COX2 instantes antes de que se dé la digestión donde el HCl (ácido clorhídrico) puede crear úlceras en el estómago.

Por el contrario, cuando bloquea la COX2 como efecto poco frecuente puede darse la irritación de la piel y espasmos bronquiales al inhibir algunos procesos de defensa en el tejido epitelial que recubre los bronquios y exterior pulmonar.

Pero no todo iban a ser contraindicaciones, para nada letales ni siquiera importantes si se tratan con tiempo y los recursos necesarios, también existe esperanza en la vanguardia de investigación. Desde hace años se está trabajando en el proyecto coxib, son inhibidores específicos o selectivos de determinados tipos de COX que por lo tanto ofrecen menos efectos secundarios que el ácido acetil salicílico. No se ha documentado todavía el mecanismo de inhibición con exactitud pero podemos conocer los efectos de su inhibición.

Así pues el bloqueo de la isoforma 1 implica evitar los efectos secundarios sobre el tracto gastrointestinal y renal mientras que el de la segunda isoforma evita la respuesta inflamatoria y de fiebre.

Ningún medicamento es una solución o quimera a una enfermedad completamente gratuita, hay que pagar  un precio y un riesgo de efectos secundarios que difícilmente sea posible paliar en un futuro cercano y pretendo con este artículo demostrar que la aspirina no es un cúralo todo eficaz ni de lejos.

 

Reacciones de la glucólisis

Metabolismo (parte I): Del glucógeno a piruvato.

A continuación os adjunto el word de las reacciones del último capítulo de Glucólisis.

Metabolismo