CAPÍTULO III

Origen de las proteínas primitivas

En los inicios del siglo XIX imperaba la idea errónea de que las complejas sustancias orgánicas que integran los animales y las plantas –los azúcares, las proteínas, las grasas, etc.- sólo podían obtenerse de los seres vivos, y que era de todo punto imposible junta esas sustancias en un laboratorio, quizá porque se pensaba que sólo podían originarse en los organismos vivos con la ayuda de una fuerza especial, a la que se denominaba “fuerza vital”. Pero los innumerables trabajos efectuados en los siglos XIX y XX por los investigadores dedicados a la química orgánica acabaron con ese prejuicio. De suerte que hoy día, utilizando los hidrocarburos y sus derivados más simples como material básico podemos obtener por vía química sustancias tan propias de los organismos, como son los diversos azúcares y grasas, innumerables pigmentos vegetales, como la alizarina y el índigo, sustancias que dan a las flores y a los frutos su color, o aquellas otras de las cuales se deriva su sabor y aroma, las diferentes terpenos, las sustancias curtientes, los alcaloides, el caucho, etc. Actualmente ya se ha logrado sintetizar incluso cuerpos tan complejos y de tan alta actividad biológica como las vitaminas, los antibióticos y algunas hormonas. Debido a eso sabemos que la “fuerza vital” ha sido totalmente desalojada del campo científico, quedando totalmente aclarado que todas las sustancias que pasan a formar parte de los animales y de los vegetales pueden, en principio, ser obtenidas también al margen de los organismos vivos, independientemente de la vida.

Cierto también que en la Tierra no se observa la formación de sustancias orgánicas en condiciones naturales más que en los organismos vivos, pero esto sólo está ocurriendo en el actual período de la evolución de la materia en la Tierra. Como queda dicho en el capítulo anterior, las sustancias orgánicas más simples –los hidrocarburos y sus derivados más inmediatos- se forman en los cuerpos celestes que nos rodean sin ninguna relación con la vida; es decir, en condiciones tales, que se excluye por completo la idea de vida en ellos. También en nuestro planeta esas sustancias se formaron al principio a consecuencia de las reacciones que se produjeron entre las sustancias inorgánicas, mucho antes de la aparición de vida.

Los hidrocarburos y sus derivados más simples contienen inmensas posibilidades químicas. Ellos son, justamente, los que forman parte de la materia prima utilizada por los químicos modernos para obtener en sus laboratorios las variadas sustancias orgánicas que se hallan en los organismos vivos y a las que ya nos referimos más arriba.

Cabe hacer notar el hecho de que los químicos usan para sus trabajos de síntesis reacciones diferentes a las que observamos en los seres vivos. Para obligar a las sustancias orgánicas a reaccionar entre ellas con rapidez y en la forma necesaria, los químicos emplean frecuentemente la acción de ácidos y álcalis fuertes, altas temperaturas, grandes presiones y otros muchos análogos. Los químicos disponen de múltiples procedimientos que les permiten realizar las reacciones más disímiles.

En los organismos vivos, en condiciones naturales, la síntesis de las diversas sustancias orgánicas se hace de un modo totalmente diferente. Aquí no existen sustancias de fuerte acción ni altas temperaturas como las del arsenal de los químicos. La reacción del medio es casi siempre neutral, y a pesar de eso en los organismos vivos se da un gran número de cuerpos químicos de naturaleza muy distinta y a veces muy complejos.

Esta misma diversidad de sustancias producidas por los organismos animales y vegetales era lo que hacía pensar a los investigadores de otros tiempos que en la célula viva se producían numerosísimas reacciones de los tipos más variados. Pero un estudio más profundo nos demuestra que realmente no ocurre así. A pesar de la enorme cantidad de sustancias que integran los organismos vivos, no cabe duda que la totalidad de ellas se formaron por medio de reacciones relativamente simples y muy parecidas. Las transformaciones químicas que sufrieron las sustancias orgánicas en la célula viva tienen por base fundamental tres tipos de reacciones. El primero: la condensación o alargamiento de la cadena de átomos de carbono y el proceso inverso, la ruptura de los enlaces entre dos átomos de carbono. El segundo: la polimerización o combinación de dos moléculas orgánicas por medio de un puente de oxígeno o nitrógeno, y por otra parte, el proceso inverso o hidrólisis. Finalmente, la oxidación y, ligada a ella, la reducción (reacciones de óxido-reducción). Además, en la célula viva son bastante frecuentes las reacciones, mediante las cuales el ácido fosfórico, el nitrógeno amínico, el metilo y otros grupos químicos se trasladan de una molécula a otra.

Todos los procesos químicos que se llevan a cabo en el organismo vivo, todas las mutaciones de las sustancias, que conducen a la formación de cuerpos muy distintos, pueden, en último caso, reducirse a estas reacciones simples o a todas ellas juntas. El estudio del quimismo de la respiración, de la fermentación, de la asimilación, de la síntesis y de la desintegración de las diversas sustancias indica que todos estos fenómenos se apoyan en largas cadenas de transformaciones químicas, cuyos diferentes eslabones están representados por las reacciones que acabamos de enumerar. Todo depende, únicamente, del orden en que se vayan sucediendo las reacciones de distinto tipo. Si la primera reacción es, por ejemplo, de condensación, y a ella le sigue un proceso de oxidación y, luego, otra condensación, entonces resulta un cuerpo químico, o sea, un producto de la transformación; por el contrario, si a la condensación se aúna una polimerización y a ésta una oxidación o una reducción, no cabe duda que se obtendrá otra sustancia.

Sucede, entonces, que la complejidad y la diversidad de las sustancias que se forman en los organismos vivos dependen exclusivamente de la complejidad y diversidad con que se combinan las reacciones simples de los tipos que hemos expuesto más arriba. Ahora bien, si observamos acuciosamente estas reacciones, notaremos que muchas de ellas poseen un rasgo característico común, una particularidad común, lo cual se produce con la participación inmediata de los elementos del agua. Estos elementos se combinan con los átomos de carbono de la molécula de la sustancia orgánica, o bien se desprenden, separándose de ella. Esta reacción entre los elementos del agua y los cuerpos orgánicos constituye la base fundamental de todo el proceso vital. Gracias a ella tienen lugar las numerosas transformaciones de las sustancias orgánicas que se forman actualmente en condiciones naturales, dentro de los organismos. Aquí, estas reacciones se efectúan con gran rapidez y en un orden de sucesión muy estricto; todo ello gracias a ciertas condiciones especiales, a las que nos referiremos un poco más adelante. Pues bien, aparte de estas condiciones, fuera de los organismos vivos también encontramos esta reacción entre el agua y las sustancias orgánicas, aunque su desarrollo sea mucho más lento.

Los químicos habían logrado ya, hace tiempo, numerosas síntesis obtenidas por esta reacción al guardar simplemente por más o menos tiempo soluciones acuosas de distintas sustancias orgánicas. En estos casos, las sencillas y diminutas moléculas de los hidrocarburos y de sus derivados, formadas por un pequeño número de átomos, se combinan entre ellas mediante los más variados procedimientos, formando así moléculas de mayor tamaño y de estructura más compleja. En 1861, nuestro eminente compatriota A. Bútlerov demostró ya que si se diluye formalina (cuya molécula está formada por un átomo de carbono, un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno) en agua calcárea y se guarda esta solución en un lugar templado, pasado cierto tiempo se comprueba que la solución adquiere sabor dulce. Después también se demostró que en esas condiciones seis moléculas de formalina se combinan entre ellas para formar una molécula de azúcar de mayor tamaño y de estructura más compleja.

El académico A. Baj, padre de la bioquímica soviética, retuvo durante mucho tiempo una mezcla de soluciones acuosas de formalina y de cianuro potásico, verificando posteriormente que de esta mezcla se podía aislar una sustancia nitrogenada de gran peso molecular y que daba algunas reacciones distintivas de las proteínas.

Se podrían enumerar centenares de ejemplos análogos, pero lo dicho ya es suficiente para tener idea de esa capacidad tan notable de las sustancias orgánicas más sencillas para transformarse en cuerpos más complejos y de elevado peso molecular cuando se guardan simplemente sus soluciones acuosas.

Las condiciones existentes en las aguas del océano primitivo en el tiempo que nos ocupa no eran muy diferentes de las condiciones que reproducimos en nuestros laboratorios. Por eso pensamos que en cualquier parte de aquel océano, en cualquier laguna o charco en proceso de desecación, debieron surgir las mismas sustancias orgánicas complejas que se produjeron en el matraz de Bútlerov, en la vasija de Baj y en otros experimentos análogos.

De más está decir que en esa solución de sustancias orgánicas tan simples, como eran las aguas del océano primitivo, las reacciones no se realizaban en determinada escala, no seguían ningún orden. Por el contrario, poseían un carácter desordenado y caótico. Las sustancias orgánicas podían sufrir al mismo tiempo diferentes transformaciones químicas, seguir distintos caminos químicos, originando innumerables y variados productos. Pero desde el primer instante se pone en evidencia determinada tendencia general a la síntesis de sustancias cada vez más complejas y de peso molecular más y más elevado. Así se explica que en las aguas tibias del océano primitivo de la Tierra se formaran sustancias orgánicas de elevado peso molecular, parecidas a las que ahora encontramos en los animales y vegetales.

Si estudiamos la formación de las diversas sustancias orgánicas complejas en la capa acuosa de la Tierra, debemos preocuparnos especialmente de la formación de las sustancias proteínicas en esas condiciones. Las proteínas desempeñan una función de extraordinaria importancia, un papel realmente decisivo, en la formación de la “sustancia viva”. El protoplasma, sustrato material de la constitución del cuerpo de los animales, de las plantas y de los microbios, siempre contiene una importante cantidad de proteínas. Engels había señalado ya que “siempre que nos encontramos con la vida, la vemos ligada a algún cuerpo albuminoideo (proteínico), y siempre que nos encontramos con algún cuerpo albuminoideo que no esté en descomposición, hallamos sin excepción fenómenos de vida”.

Estas palabras de Engels tuvieron una total confirmación en los trabajos realizados por los investigadores modernos. Y es que se ha demostrado que las proteínas no son, como antes se creía, simples elementos pasivos de la estructura del protoplasma, sino que, por el contrario, participan directa y activamente en el recambio de sustancias y en otros fenómenos de la vida. Por tanto, el origen de las proteínas significa un importantísimo eslabón del proceso evolutivo seguido por la materia, de ese proceso que ha dado origen a los seres vivos.

En los finales del siglo pasado y comienzos de éste, cuando la química de las proteínas aún estaba por desarrollarse, algunos hombres de ciencia creían que las proteínas entrañaban un principio misterioso especial, unas agrupaciones atómicas específicas y que eran las generadoras de la vida. Visto desde ese ángulo, el origen primitivo de las proteínas parecía enigmático y hasta se creía poco probable que tal origen hubiese tenido lugar. Pero si ahora examinamos este problema desde el punto de vista de las ideas actuales referente a la naturaleza química de la molécula proteínica, todo él adquiere un aspecto absolutamente opuesto.

Sintetizando esquemáticamente los últimos adelantos obtenidos por la química de las proteínas, debemos señalar ante todo la circunstancia de que en nuestros días conocemos muy bien las distintas partes –los “ladrillos”, pudiéramos decir- que forman la molécula de cualquier proteína. Porque esos “ladrillos” son precisamente los aminoácidos, sustancias bien conocidas por los químicos actualmente.

En la molécula proteínica, los aminoácidos están ligados entre sí mediante enlaces químicos especiales, formando así una larga cadena. El número de moléculas de aminoácidos que integran esta cadena cambia, según las distintas proteínas, de algunos centenares a varios miles. Es por eso que dicha cadena suele ser muy larga. Tanto que, en la mayoría de los casos, la cadena aparece enrollada, formando un enredado ovillo, cuya estructura sigue, no obstante eso, un determinado orden. Este ovillo es lo que, en realidad, constituye la molécula proteínica.

Por consiguiente, tiene vital importancia el hecho de que cada sustancia proteínica esté constituida por aminoácidos muy diferentes. De suerte que podemos afirmar que la molécula proteínica está integrada por “ladrillos” de distintas clases. En la actualidad se conocen cerca de treinta aminoácidos distintos que forman parte de la constitución de las proteínas naturales. Se sabe también que algunas proteínas llevan en su molécula todos los aminoácidos conocidos; otras, por el contrario, son menos favorecidas en aminoácidos. Las propiedades químicas y físicas de cualquiera de las proteínas conocidas dependen cardinalmente de los aminoácidos que la componen.

No obstante, debemos tener presente que las moléculas de aminoácidos que constituyen la cadena proteínica no están unidas entre sí en cualquier forma, al azar, sino en estricto orden, propio y exclusivo de esa proteína. Por tanto, las propiedades físicas y químicas de cualquier proteína; su capacidad de reaccionar químicamente con otras sustancias; su solubilidad en el agua, etc., no sólo dependen de la cantidad y de la variedad de los aminoácidos que componen su molécula, sino también del orden en que estos aminoácidos están ligados uno tras otro en la cadena proteínica.

Dicha estructura hace posible la existencia de una variedad infinita de proteínas. La albúmina del huevo que todos conocemos, no es sino una proteína y, además –por añadidura-, relativamente sencilla. En cambio son mucho más complejas las proteínas de nuestra sangre, de nuestros músculos y del cerebro. En todo ser vivo, en cada uno de sus órganos hay centenares, miles de proteínas distintas, y cada especie animal o vegetal tiene sus proteínas propias, exclusivas de esa especie. Como ejemplo natural, hay que señalar que las proteínas de la sangre humana son algo diferentes a las de la sangre de un caballo, de una vaca o de un conejo.

De ahí que por esa extraordinaria variedad de proteínas se presenta la dificultad de lograrlas por vía artificial en nuestros laboratorios. Sin embargo, hoy día ya podemos obtener fácilmente cualquier aminoácido a partir de los hidrocarburos y el amoníaco. Y, naturalmente, tampoco ofrece para nosotros grandes dificultades la unión de estos aminoácidos para formar largas cadenas, parecidas a las que forman la base de las moléculas proteínicas, consiguiendo así sustancias realmente parecidas a las proteínas (sustancias proteinoides). Empero, esto no basta para reproducir artificialmente cualquiera de las proteínas que ya conocemos como, por ejemplo, la albúmina de nuestra sangre o la de la semilla del guisante. Para eso es necesario unir en cada cadena centenares de miles de aminoácidos diferentes, y además, en un orden muy especial, justamente en el orden en que se encuentran en esa proteína concreta.

Mas si tomamos una cadena compuesta solamente por cincuenta eslabones, con la particularidad de que estos eslabones son de veinte clases distintas, al combinarlos en diversas formas podemos lograr una gran variedad de cadenas. El número de esas cadenas, diferenciadas por la distinta disposición de sus eslabones, puede expresarse por la unidad seguida de cuarenta y ocho ceros, o sea, por una cifra que se puede obtener si multiplicamos un millón por un millón, el resultado otra vez por un millón, y así hasta siete veces. Y si tomásemos esa cantidad de moléculas de proteínas y formásemos con ellas un cordón de un dedo de grueso, podríamos estirarlo alrededor de todo nuestro sistema estelar, de un extremo a otro de la Vía Láctea.

Pues bien, la cadena de aminoácidos de una molécula proteínica de tamaño mediano, no está formada por cincuenta sino por varios centenares de eslabones, y no contiene veinte tipos de aminoácidos, sino treinta. De ahí que el número de combinaciones aumente aquí en muchos cuatrillones de veces.

Para obtener artificialmente una proteína natural, hay que escoger de entre esas múltiples combinaciones la que nos dé justamente una disposición de los aminoácidos en la cadena proteínica que coincida exactamente con la de la proteína natural que queremos lograr. Es natural, pues, que si vamos uniendo de cualquier modo los aminoácidos para constituir la cadena proteínica, jamás llegaremos a lograr nuestro propósito. Esto es lo mismo que si revolviendo y agitando un montón de tipos de imprenta en el que hubiese veinticinco letras distintas, esperásemos que en un momento determinado pudieran agruparse para formar una poesía conocida.

Solamente podremos reproducir esa poesía si sabemos bien la disposición de las letras y de las palabras que la componen. De la misma manera, sólo conociendo la distribución exacta de los aminoácidos en la cadena proteínica en cuestión podremos estar seguros de la posibilidad de reproducirla artificialmente en nuestro laboratorio. Desgraciadamente, hasta este momento sólo se ha podido determinar el orden de colocación de los aminoácidos en algunas de las sustancias proteínicas más simples. Es por eso que aún no se han podido obtener artificialmente las complejas proteínas naturales.

Pero esto será solamente cosa de tiempo porque, en principio, nadie duda ya de la posibilidad de lograr proteínas por vía artificial.

Pero lo que en este caso nos importa, no es admitir en principio la posibilidad de sintetizar las proteínas o las sustancias proteinoides. Para nosotros, lo interesante es tener idea muy clara y concreta de cómo han surgido por vía natural esas sustancias orgánicas; las más complejas de todas, en las condiciones en que en cierto tiempo surgieron en la superficie de nuestro planeta. Hasta hace poco no se podía dar a esta pregunta una respuesta con base experimental; pero en la primavera de 1953, en un experimento realizado con este fin, de una mezcla de metano, amoníaco, vapor de agua e hidrógeno, se obtuvieron varios aminoácidos en unas condiciones que reproducían en forma muy parecida a las que existieron en la atmósfera de la Tierra en sus comienzos.

Muchas más dificultades presenta la unión de estos aminoácidos para formar moléculas de sustancias proteinoides; dificultades debidas a que, en condiciones naturales, ante la síntesis de esas sustancias, se levanta una gran barrera energética. Así es que, para obtener la unión de las moléculas de aminoácidos y formar polipéptidos, se precisa un enorme gasto de energía (unas 3.000 calorías).

En las síntesis que se obtienen en los laboratorios, esta dificultad puede evitarse mediante procedimientos especiales; pero con la simple conservación de soluciones acuosas de aminoácidos, esa reacción no se produce, a diferencia de lo que sucede en el caso citado de la formalina y el azúcar.

A pesar de estos tropiezos, en los últimos años se han obtenido en este sentido resultados halagadores. Sobre todo, se ha podido demostrar que cuando se seleccionan acertadamente los aminoácidos, la energía necesaria para realizar la síntesis se puede reducir en forma considerable; de suerte que hay ocasiones en que es posible recuperarla mediante determinadas reacciones concomitantes. Para nosotros son de sumo interés los experimentos realizados recientemente en Leningrado por el profesor S. Brésler. Teniendo presente que el consumo de energía suficiente para lograr la formación de polipéptidos a partir de una solución acuosa de aminoácidos, puede ser compensado por el gasto de la energía liberada mediante la acción de la presión exterior, Brésler efectuó la síntesis bajo presiones de varios miles de atmósferas. Así pues, trabajando en estas condiciones con aminoácidos y otros productos de la desintegración proteínica, pudo sintetizar cuerpos proteinoides de muy considerable peso molecular, en los que diferentes aminoácidos aparecían unidos entre sí, formando polipéptidos. Estos experimentos nos demuestran la gran posibilidad de sintetizar proteínas o sustancias proteinoides mediante el concurso de las altas presiones que pueden producirse fácilmente en condiciones naturales en la Tierra, como sucede en las grandes profundidades de los océanos.

Por tanto, la química moderna de las proteínas nos está revelando que en una época remota de la Tierra, en su capa acuosa, pudieron y debieron formarse sustancias proteinoides. Desde luego, estas “proteínas primitivas” no podían ser exactamente iguales a ninguna de las proteínas que existen ahora, pero sí se parecían a las proteínas que conocemos. En sus moléculas, los aminoácidos estaban unidos por los mismos enlaces que en las proteínas actuales. Lo distinto aparecía solamente en que la disposición de los aminoácidos en las cadenas proteínicas era diferente, es decir, menos ordenada.

Mas esas “proteínas primitivas” ya tenían, tal como las actuales, unas moléculas enormes e innumerables posibilidades químicas. Y fueron justamente esas posibilidades las que determinaron el papel de excepcional importancia efectuado por las proteínas en el proceso ulterior de la materia orgánica.

Naturalmente que el átomo de carbono de la atmósfera estelar no era todavía una sustancia orgánica, pero su extraordinaria facilidad para combinarse con el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno llevaba implícita la posibilidad, en determinadas condiciones de existencia, de poder formar sustancias orgánicas. Exactamente lo mismo ocurrió con las proteínas primitivas, pues en sus grandes propiedades encerraban posibilidades que habrían de conducir forzosamente, en determinadas condiciones del desarrollo de la materia, a la formación de seres vivos. Así es como en las fases del desarrollo de nuestro planeta, en las aguas de su océano primitivo, debieron constituirse numerosos cuerpos proteinoides y otras sustancias orgánicas complejas, seguramente parecidas a las que en la actualidad integran los seres vivos. Pues bien, como es natural, se trataba solamente de materiales de construcción. No eran, valga la frase, sino ladrillos y cemento, materiales con los que se podía construir el edificio, pero éste, como tal, no existía todavía. Las sustancias orgánicas se encontraban únicamente, y en forma simple, disueltas en las aguas del océano, con sus moléculas dispersas en ellas sin orden ni concierto. Naturalmente, faltaba aún la estructura, es decir, la organización que distingue a todos los seres vivos.