En Química la debilidad es vital

Un ser vivo es el mayor reactor químico que conocemos. Reactivos, productos, energía, catalizadores, oxidaciones, reducciones… Todo es Química, lleve o no lleve el prefijo “bio” delante. Y de esos reactores obtenemos infinidad de compuestos químicos dando lugar a lo que podríamos denominar Biodiversidad Molecular. Moléculas para todo tipo de actividad y de tipo de estructura. Biodiversidad como consecuencia de una evolución que ha seleccionado aquellas moléculas que mejor responden a un determinado fin para la supervivencia de la especie y obtenidas muchas veces como si de un laboratorio de química combinatoria (síntesis y cribado de multitud de compuestos) se tratara.

Y muchas de esas moléculas difieren muy poco es su estructura. Unos pocos átomos diferencian por ejemplo dos aminoácidos proteinogénicos (aquellos aminoácidos que son empleados para constituir los péptidos y/o proteínas) como son la serina y la treonia. La diferencia estriba en un grupo metilo (CH₃, o sea un átomo carbono unido a tres átomos de hidrógeno) que posee la treonina y que la serina no lo tiene. ¿Por qué esas pequeñas variaciones? ¿Implican cambios sustanciales en su comportamiento de actividad dentro del organismo? La Naturaleza es sabia, o mejor dicho, la Evolución es sabia y evidentemente la respuesta a las preguntas anteriores es sí.

Serina y treonia y "una sutil diferencia"

Y ahora voy entrando en materia. ¿Cómo actúan estas pequeñas modificaciones para afectar a moléculas mayores como los péptidos o proteínas? Las moléculas que componen los seres vivos están constituidas por átomos unidos a través de enlaces químicos (Linus Carl Pauling fue uno de los químicos que más estudio la naturaleza del enlace químico y lo vemos en una de las fotos que componen el logo del carnaval en el que participa este post, ¿adivinas quien es?). Son enlaces más o menos fuertes que dan la estabilidad suficiente a la molécula para que esta exista. Pero hay otros tipos de enlaces o interacciones. Hay unos cuantos post en diversos blogs que hablan sobre el tema de estas fuerzas como los llamados enlaces de hidrógeno (cuya definición sigue siendo motivo de estudio, tal y como refleja César Tomé en su post) y otras más que están descritas magníficamente en el post de Luis Moreno. Unen pero no enlazan.

Son uniones más débiles que los enlaces químicos, son pegamentos momentáneos, nada de Super Glue. Pero lo más importante es que estas fuerzas, estas interacciones, son vitales. Y nunca mejor utilizada esta palabra, ya que son las que permiten gobernar multitud de procesos biológicos que ocurren en el organismo. De entre estas fuerzas me quiero centrar en una, muy débil, menos conocida y con mucho recorrido científico por delante; la interacción CH-π.

Interacción CH-π extraída de http://www.imtech.res.in/raghava/chpredict/cho.html

¿Y que es esto? preguntareis los profanos. De hecho puede que preguntéis que demonios hace el número π (3.1416…) en una interacción química... Sin entrar en mucho detalle, en Química nos referimos a densidad electrónica π para describir un exceso de carga negativa, debida a, como es este caso, cierta acumulación electrónica.

Estas interacciones pueden controlar el empaquetamiento cristalino, las estructuras de moléculas biológicas y tal vez más importante los procesos de reconocimiento molecular, es decir la comunicación celular, la acción de enzimas, de hormonas, de fármacos…

En muchas ocasiones aparecen en la literatura  científica como enlaces de hidrógeno CH-π. Sin embargo su naturaleza es muy diferente. Sin entrar en mucho detalle, parecen más importantes las interacciones de dispersión que las electroestáticas. Son mucho más débiles que los enlaces de hidrógeno, y por supuesto que los enlaces químicos.

¿Entonces, por qué son tan importantes estas fuerzas de unión? Estas interacciones tan débiles son un apoyo a las más fuertes (enlaces de hidrógeno por ejemplo) pero son vitales para determinados reconocimientos moleculares, es decir, para la acción biológica, ya sea de una función metabólica del cuerpo humano o de la acción de un fármaco. En el descubrimiento de nuevos y mejores fármacos es clave el control de estos procesos de reconocimiento. Estas interacciones están muy estudiadas en el reconocimiento entre los carbohidratos y las proteínas, claves en la comunicación celular (intercambio de información fisico-química de la célula con su entorno o con otras células). En este campo tenemos en España referentes internacionales como queda demostrado en un reciente trabajo de revisión.

Volvemos a nuestras dos pequeñas moléculas que forman parte de las proteínas, serina con su hidógeno y treonina con su metilo. En determinados péptidos, el cambio de un aminoácido por otro (es decir la pequeña variación química de cambiar un átomo de hidrógeno por un CH₃) hace que la molécula con la treonina tenga más actividad que la molécula con serina. Esa variación, permiten al péptido “alargar más la mano” y tener una de esas pequeñas interacciones CH-π con la molécula (generalmente de mayor tamaño) sobre la que tiene afinidad y ejerce su actividad de una forma más efectiva por tanto con treonina que con serina.

Esta es una de las líneas de trabajo de nuestro grupo de investigación (http://www.unirioja.es/gsoe) y que poco a poco, con paciencia e intentando ser lo más didáctico posible, iré desgranando. Por favor, si no has entendido nada, házmelo saber. Si has logrado pillar algo, vamos por el buen camino. #pasiónporlaquímica

Fuentes:

Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 13873–13900

Acc. Chem. Res. 2013, 46, 946–954

Este artículo participa en la XXVI Edición del Carnaval de Química alojado en el Blog El cuaderno de Calpurnia Tate