Los cristales de Naica son formaciones de un tipo particular de yeso llamado selenita, las cuales crecieron durante miles de años. En Huasca de Ocampo, en el estado de Hidalgo, se pueden apreciar formaciones similares constituidas por basalto, una materia volcánica muy rica en silicatos que contienen fierro y magnesio. Los prismas basálticos de Huasca de Ocampo y los cristales de selenita en Naica son ejemplos de cristales naturales.
Estrictamente, se considera como cristal a la estructura que se forma a partir del arreglo periódico y ordenado de los componentes moleculares que la constituyen. Así, la selenita o el basalto que forman a los cristales descritos previamente, están orientados de forma ordenada en un vasto número de capas, las cuales se apilan una sobre otra hasta formar estos cristales que nos asombran por su belleza y geometría.
La formación de cristales a partir de una molécula sucede en función de la concentración de la misma en una solución: cuando grandes cantidades de dicha molécula están presentes en un volumen muy pequeño de agua, es más probable que interaccione entre sí y se oriente en un arreglo particular y repetitivo. La presencia de sales en la solución también promueve la formación de cristales al disminuir la interacción entre el agua y la molécula en cuestión. Este es el mismo principio que rige, por ejemplo, a la formación de ciertos cálculos renales.
En las personas que padecen de la enfermedad conocida como gota, el exceso de ácido úrico favorece la formación de pequeños cristales en forma de agujas, los cuales crecen y se depositan en el riñón o en las articulaciones y causan inflamación y dolores severos a los pacientes. Igualmente, las personas que consumen leche u otra fuente de calcio en exceso son más propensos a desarrollar cálculos renales de oxalato de calcio. Los cristales de oxalato de calcio que se forman en los riñones se excretan generalmente mediante la orina, pero en algunos casos éstos pueden propiciar la formación de cálculos o “piedras” renales que ocasionan molestias y obstruyen a las vías urinarias.
Además de las moléculas pequeñas como el ácido úrico o las que forman a la selenita y el basalto, las proteínas también pueden formar cristales. En los laboratorios dedicados a conocer la estructura de las proteínas esos cristales son muy valiosos pues ofrecen una gran cantidad de información. Por ejemplo, si se logra purificar alguna proteína de interés y si además podemos concentrarla lo suficiente, entonces es probable que se inicie un proceso de nucleación, el cual no es otra cosa que el primer paso en la formación de un cristal. Una vez que el cristal se forma se “pesca” con una asa milimétrica fabricada de diversos materiales. Es necesario enfriar el cristal hasta -173° C y montarlo sobre un instrumento que sirve para medir ángulos de manera precisa mientras se mantiene la misma temperatura al utilizar un flujo de nitrógeno líquido recientemente vaporizado. Mantener al cristal extremadamente frío es importante porque el paso siguiente consiste en hacer incidir sobre el cristal un haz de rayos X, cuya energía es muy alta y podría destruirlo. La cristalografía de rayos X recibe este nombre porque el cristal se irradia con rayos X desde diferentes ángulos de acuerdo con el número de ejes de simetría presentes en él. Aunque el haz de rayos X se lanza con una dirección definida, al interaccionar con los electrones de la proteína cristalizada este haz se dispersa, o difracta, y se desvía en diferentes direcciones.
La manera en la cual un cristal de proteínas difracta a los rayos X es única, y al ser plasmada en un detector, obtenemos un patrón de difracción que en última instancia revela la posición de cada átomo presente en la proteína que se analiza. Por supuesto, el patrón de difracción no nos dice inmediatamente en qué posición está cada átomo: es necesario utilizar algoritmos matemáticos (transformadas de Fourier, en este caso) para revelar la densidad electrónica de la proteína de interés. Es a partir de esa densidad electrónica que se propone un modelo estructural de la proteína. El uso de los rayos X para revelar la estructura de una proteína no es coincidencia, sino que se utilizan debido a que su longitud de onda es desde 0.01 a 10 nanómetros (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro), lo cual nos permite tener la resolución suficiente para observar con detalle atómico a las proteínas u otras biomoléculas.
Viajando desde los pulmones hastas los músculos
Los primeros investigadores que lograron deducir la estructura de una proteína a partir de la difracción de rayos X fueron John Kendrew y Max Perutz, quienes por este logro recibieron el premio Nobel de química en 1962. La proteína que Kendrew y Perutz cristalizaron por primera vez fue la mioglobina, cuya función consiste en recibir al oxígeno que es transportado desde los pulmones hasta los músculos por la hemoglobina. La mioglobina y la hemoglobina son proteínas que contienen átomos de fierro, esenciales para su función, y cuya presencia es responsable del color rojo característico de los músculos y la sangre, respectivamente. Dos años después, en 1964, Dorothy Crowfoot Hodgkin se convertiría en la tercera mujer de la historia en recibir un premio Nobel, también en química, debido a que determinó la estructura de la penicilina y de la vitamina B12. La penicilina es un antibiótico que desde su popularización en la Segunda Guerra Mundial y hasta hace pocos años fue el medicamento de mayor demanda para tratar infecciones bacterianas.
El trabajo de Hodgkin con la penicilina reveló que este antibiótico contiene una estructura química que antes del descubrimiento de Hodgkin no se conocía y que en consecuencia no se podía sintetizar industrialmente para cubrir la demanda de antibióticos. Años después, y mediante otro gran éxito de la cristalografía, se descubrió que la penicilina inhibe la proliferación de ciertas bacterias patógenas al impedir la síntesis de la pared celular, la cual se destruye parcialmente cuando las bacterias se reproducen y debe reconstruirse en cada bacteria nueva. Desafortunadamente, la automedicación y el mal uso de la penicilina para tratar infecciones bacterianas condujo a la proliferación de bacterias resistentes a este antibiótico, pero la información acerca de cómo actúa la penicilina se ha utilizado para diseñar nuevos fármacos que funcionan con base en el mismo mecanismo de acción. Además de la penicilina, Hodgkin resolvió la estructura de otras biomoléculas, entre ellas la vitamina B12, cuya deficiencia en la dieta humana es responsable de la anemia perniciosa, pero quizás el descubrimiento más notable de Hodgkin en el área de la cristalografía fue la resolución de la estructura de la insulina, la hormona que en mamíferos regula el metabolismo de los azúcares y cuya deficiencia, tanto en la síntesis como en su percepción, es responsable de la diabetes mellitus. Para dilucidar la estructura de la insulina, Hodgkin y varios de sus colegas trabajaron arduamente durante casi cuarenta años para refinar la técnica de la cristalografía de rayos X, la cual era aún rudimentaria en esa época al ser una tecnología en pleno desarrollo.
Existen diversas técnicas para resolver la estructura de las proteínas, sin embargo, la cristalografía de rayos X ha sido de fundamental importancia para conocer la estructura de diversas proteínas y la manera en la cual ocurren las interacciones proteína-proteína, proteína-fármaco o incluso entre proteínas y otras macromoléculas biológicas como el ADN.
Como hemos visto, los cristales, ya sea aquellos que se forman a lo largo de miles de años en el subsuelo, los que ocasionan enfermedades o los que se forman intencionalmente en los laboratorios, nos sorprenden por su belleza pero también por toda la información que nos proporcionan; información que en algunos casos se utiliza para entender más de nosotros mismos y de la amplia gama de procesos biológicos que ocurren en nuestro interior o en el de otros organismos.
ºLic. Francisco Murphy Pérez / Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
ºM. en C. Gustavo Rodríguez Alonso / Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de
México, campus Morelos.
