«La doble hélice»: un químico (Pauling) frente a un biólogo (Watson
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01 01 «La doble hélice»: un químico (Pauling) frente a un biólogo (Watson) y un físico (Crick). Consecuencias sobre la trilogía física-química-biología 30 de marzo de 2009 02 02 1994 03 03 1994 04 04 1975 05 05 06 06 10 de enero de 1954 07 07 NaCl Robert B. Woodward, 1917-1979 Premio Nobel de Química 1965 08 08 Creo Creoque queel elinicio iniciodel del declive declivede dela laquímica química tiene tieneuna unafecha fecha precisa, precisa,el el28 28de de febrero febrerode de1953. 1953. Pero Peroantes antesde deeso esola la química químicasufrió sufrióun un ataque ataquemuy muyserio seriopor por parte partede dela lafísica. física. 09 09 En En1900, 1900,Max MaxPlanck Planckdescubre descubrelala discontinuidad discontinuidadcuántica cuánticayyayudado ayudadopor porlala mejor mejorgeneración generaciónde defísicos físicosde delalahistoria historia crea la mecánica cuántica. Sólo citando crea la mecánica cuántica. Sólo citandoaa premios premiosNobel Nobelhan hancontribuido contribuidoaaella ella Albert Einstein (de manera decisiva Albert Einstein (de manera decisivaen en 1905), 1905),Johannes JohannesStark, Stark,Niels NielsBohr, Bohr,Robert Robert Andrews Millikan, James Franck, Gustav Andrews Millikan, James Franck, Gustav Hertz, Hertz,Jean JeanBaptiste BaptistePerrin, Perrin,Charles Charles Thomson, Thomson,Arthur ArthurH. H.Compton, Compton,Louis-Victor Louis-Victor de Broglie, Werner Heisenberg, de Broglie, Werner Heisenberg,Erwin Erwin Schrödinger, Schrödinger,Paul PaulAdrien AdrienMaurice MauriceDirac, Dirac, James Chadwick, Linus Pauling, y otros James Chadwick, Linus Pauling, y otros muchos. muchos. 10 10 Sólo SóloPaul PaulDirac Diracse seatrevió atrevióaaescribir escribiren ensu sulibro librode de 1929 1929«The «ThePrinciples PrinciplesofofQuantum QuantumMechanics» Mechanics»que que “The “Theunderlying underlyingphysical physicallaws lawsnecessary necessaryfor forthe the mathematical theory of a large part of physics mathematical theory of a large part of physicsand andthe the whole of chemistry [are] completely known from whole of chemistry [are] completely known from quantum quantummechanics”. mechanics”.Aunque Aunquelalafrase frasefue fueretirada retiradade de ediciones posteriores, su efecto fue enorme y aún ediciones posteriores, su efecto fue enorme y aún muchos muchosfísicos físicospiensan piensanque quees escierta. cierta. Si Dirac tiene razón, mientras la Si Dirac tiene razón, mientras lafísica físicaes esuna unaciencia ciencia fundamental fundamentalque quedescribe describelalarealidad realidaden ensus susaspectos aspectos más másíntimos, íntimos,lalaquímica químicaaparece aparececomo comouna unaciencia ciencia fenomenológica, que se limita a describir fenómenos fenomenológica, que se limita a describir fenómenos tal talcomo comolos lospercibimos. percibimos. Debido a su carácter Debido a su carácterfundamental, fundamental,lalafísica físicase se encuentra a la cabeza de la jerarquía, mientras encuentra a la cabeza de la jerarquía, mientraslala química químicase seve verelegada relegadaaauna unaposición posicióninferior, inferior,hasta hasta elelpunto que puede ser deducida a partir de las leyes punto que puede ser deducida a partir de las leyes fundamentales fundamentalesde delalafísica. física. 11 11 En En1935, 1935,Pauling PaulingyyWilson Wilson publican publican«Introduction «Introductionto to Quantum QuantumMechanics Mechanicswith with Applications Applicationsto toChemistry». Chemistry». En Eneste estelibro, libro,que queejerció ejercióuna una gran graninfluencia, influencia,los losautores autores pretenden pretendeneducar educaraalos los químicos químicosen enmecánica mecánica cuántica cuánticapara paraque quepuedan puedan aplicarla aplicarlaaala lamayoría mayoríade delos los problemas problemascon conlos losque quese se puedan puedanconfrontar. confrontar.Esta Esta concepción concepciónes, es, afortunadamente, afortunadamente,la lade de muchos muchoscientíficos científicosactuales. actuales. 12 12 En En1996, 1996,elelperiodista periodistanorteamericano norteamericanoJohn John Horgan publica «The End of Science», un Horgan publica «The End of Science», unlibro libro destinado destinadoaagenerar generarcontroversia controversia(John (John Maddox, Maddox,por pormuchos muchosaños añoseditor editorde deNature, Nature, publicó una réplica en 1998). Horgan, publicó una réplica en 1998). Horgan,citando citandoaa Stent, escribe: "Ciertos campos de la ciencia Stent, escribe: "Ciertos campos de la ciencia están estánlimitados limitadospor porsu supropio propiotema. tema.Nadie Nadie considerará la anatomía humana o la considerará la anatomía humana o lageografía geografía como comoaventuras aventurasinfinitas. infinitas.La Laquímica químicatambién también está estálimitada. limitada.Aunque Aunqueelelnúmero númerototal totalde de reacciones químicas posibles es muy grande reacciones químicas posibles es muy grandeyy lalavariedad variedadde dereacciones reaccionesque quepueden pueden experimentar es vasto, la meta de experimentar es vasto, la meta delalaquímica química de entender los principios que gobiernan de entender los principios que gobiernanelel comportamiento comportamientode detales talesmoléculas moléculases, es,como comolala meta metade delalageografía, geografía,claramente claramentelimitado". limitado". Según Horgan, dicha meta se alcanzó Según Horgan, dicha meta se alcanzóen en1930, 1930, cuando Linus Pauling mostró que todas cuando Linus Pauling mostró que todaslas las interacciones interaccionesquímicas químicasse sepueden puedenentender entenderen en base a la mecánica cuántica. base a la mecánica cuántica. Linus Pauling 13 13 Jean-Marie Lehn Fraser Stoddart Vincenzo Balzani 14 14 La Larespuesta respuestahabitual habitualde delos losquímicos, químicos,por porejemplo ejemploJean-Marie Jean-MarieLehn, Lehn, Fraser Stoddart o Vincenzo Balzani, es citar a Marcellin Berthelot Fraser Stoddart o Vincenzo Balzani, es citar a Marcellin Berthelot"La "La chimie chimiecrée créeson sonobjet". objet".Lehn Lehnha haescrito escritode delalaquímica: química:"No "Nosólo sólofabrica fabrica objetos sino que crea su propio objeto. No preexiste, sino que es objetos sino que crea su propio objeto. No preexiste, sino que es inventada inventadaaamedida medidaque queprogresa. progresa.No Noestá estáesperando esperandoser serdescubierta descubierta sino sinoque quedebe debeser sercreada. creada. ¡El ¡Ellibro librode delalaquímica químicano noestá estáhecho hechosólo sólo para paraser serleído leídosino sinopara paraser serescrito! escrito!¡La ¡Lapartitura partiturade delalaquímica químicano noestá está hecha sólo para ser interpretada sino para ser compuesta! hecha sólo para ser interpretada sino para ser compuesta! 15 15 "Là, "Là,dove dovela lanatura naturafinisce finiscedi di produrre produrrele lesue suespezie, spezie,l'uomo l'uomo quivi quivicomincia cominciacon conle lecose cose naturali, naturali,con conl'aiutorio l'aiutoriodi diessa essa natura, natura,aacreare creareinfinite infinitespezie…" spezie…" 16 16 En Enmi miopinión opiniónesto estono nocontesta contestaaala lacrítica críticade deStentStentHorgan. Horgan.En Enprimer primerlugar, lugar,los losbiólogos biólogostambién tambiénfabrican fabrican sus suspropios propiosobjetos: objetos:los losperros perrosdesde desdela laprehistoria, prehistoria, las laspalomas palomastan tanqueridas queridaspor porDarwin, Darwin,el elmaíz, maíz,los los alimentos alimentostransgénicos, transgénicos,etc. etc.En Ensegundo segundolugar, lugar,los los químicos químicoscrean creanmuchos muchosobjetos, objetos,moléculas, moléculas,triviales. triviales. En Entercer tercerlugar, lugar,todos todoslos losmecanismos mecanismosconocidos conocidosyypor por descubrir descubrirestán estánbasados basadosen enla lafísica físicacuántica cuánticayyen enuna una parte partede deella ellaque queestá estáperfectamente perfectamenteconsolidada. consolidada. Cuando Cuandose sedescubra descubrael elbosón bosónde deHiggs Higgseso esono noinfluirá influirá nada nadasobre sobrela laquímica. química.En Enese esesentido, sentido,Stent StentyyHorgan Horgan tienen tienenrazón: razón:no novamos vamosaadescubrir descubrirnada nadaque que revolucione revolucionelos losfundamentos fundamentosde dela laquímica. química. 17 17 Queda Quedaabierto abiertoel eltema temade dela lapredicción predicciónde delas las propiedades, propiedades,tan tanlejano lejanoen encuanto cuantoaapropiedades propiedades biológicas biológicas(fármacos) (fármacos)que quesabemos sabemosque quelo lo conseguiremos conseguiremospero perono nocuando: cuando:¿años, ¿años,décadas, décadas, siglos? siglos?La Laquímica químicano noalcanzará alcanzarásu sumadurez madurezhasta hasta que quela lasíntesis síntesissea seadirigida dirigidapor porla lapredicción predicciónde delas las propiedades. propiedades.Cada Cadadía díahojeando hojeandolas lasrevistas revistasque que llegan llegan(electrónicas (electrónicasmucho muchomás másque queen enpapel) papel)veo veo compuestos compuestosque quese sepreparan, preparan,luego luegocolores coloresque quese se descubren descubren(indicadores), (indicadores),finalmente finalmentese seexplican explican teóricamente, teóricamente,nunca nuncaprimero primerose sepredicen predicenyyluego luegose se preparan. preparan. 18 18 En Enmi miopinión, opinión,elelinicio iniciodel deldeclive declivede delala química químicatiene tieneuna unafecha fechaprecisa, precisa,elel28 28de de febrero de 1953, el día que Watson y Crick febrero de 1953, el día que Watson y Crick anunciaron anunciaronen enelel"pub" "pub"Eagle Eaglede deCambridge, Cambridge, que quehabían habíandescubierto descubiertoelelsecreto secretode delalavida. vida. Que un físico y un estudiante de ornitología Que un físico y un estudiante de ornitología establecieran establecieranlalaestructura estructuradel delADN ADNganando ganando lalacarrera al mejor químico de su tiempo, carrera al mejor químico de su tiempo,yyuno uno de delos losmejores mejoresde delalahistoria historiade delalaquímica, química, Linus Pauling, demostró que se podía Linus Pauling, demostró que se podíaser seraalala vez vezprofundamente profundamenteignorante ignoranteen enquímica químicayyun un gran granbiólogo biólogomolecular. molecular. 19 19 La Laestructura estructuracanónica canónicade dela ladoble doblehélice hélicede deADN. ADN. Arte La carrera de Watson-Crick frente a Pauling: años 50 20 20 La Lacontribución contribuciónfundamental fundamentalde deErwin ErwinChargaff Chargaff La Laregla reglade deequivalencia equivalenciade deChargaff Chargaff(o (oprimera primeraregla reglade deparidad paridadde de Chargaff se expresa así: "en todos los ADN la relación Chargaff se expresa así: "en todos los ADN la relación purinas/pirimidinas purinas/pirimidinases espróxima próximaaa1,1,tanto tantolalade deadenina/timina adenina/timinacomo comolala de deguanina/citosina, guanina/citosina,pero perolalarelación relación(adenina+timina)/ (adenina+timina)/ (guanina+citosina) varía considerablemente (guanina+citosina) varía considerablementede deun unADN ADNaaotro". otro". Es Esdecir decirque quehay hayaproximadamente aproximadamentetantas tantasadeninas adeninascomo comotiminas timinasyy tantas guaninas como citosinas, pero esas parejas son independientes tantas guaninas como citosinas, pero esas parejas son independientes entre entresí. sí.Chargaff Chargaffno nodio dioelelpaso paso(pero (peroera eraun unpaso pasode degigante) gigante)de de pasar de aproximadamente 1 a exactamente 1. Si lo hubiera hecho, pasar de aproximadamente 1 a exactamente 1. Si lo hubiera hecho, habría habríatenido tenidoque queconcluir concluirque queen enelelADN ADNhay haysólo sólopares pares adenina/timina adenina/timinayypares paresguanina/citosina, guanina/citosina,lolocual cualimplica implicaque quelas lasbases bases están en el centro de la estructura y no en la periferia como en el están en el centro de la estructura y no en la periferia como en el modelo modelode dePauling Pauling(quien (quiense sellevaba llevabamal malcon conChargaff Chargafflolocual cuallele condujo condujoaaignorarlo). ignorarlo). Hoy Hoydía díanos nosresulta resultadifícil difícilde deentender entendercomo comoChargaff Chargaffno nosacó sacólas las consecuencias de su regla, pero el caso es que no lo hizo, siempre consecuencias de su regla, pero el caso es que no lo hizo, siempre pensó pensóque queelelADN ADNera erauna unaúnica únicacadena. cadena.Nunca Nuncase seperdonó perdonóesa esa omisión y, con mucha amargura, escribió de los que sacaron la omisión y, con mucha amargura, escribió de los que sacaron la conclusión conclusióncorrecta correcta(W&C): (W&C):"Que "Queen ennuestros nuestrosdías díastales talespigmeos pigmeos proyecten sombras de gigantes sólo muestra en que proyecten sombras de gigantes sólo muestra en queanochecer anochecer vivimos”. vivimos”. 21 21 Los Losdatos datoscristalográficos cristalográficosdel delADN ADN John Randall Las Lastres tresformas formasmás más frecuentes frecuentesdel delADN. ADN.La Lamás más común es la B. Tanto la A común es la B. Tanto la A como comolalaBBson sondextrógiras dextrógiras mientras mientrasque quelalaZZes eslevógira. levógira. La B se obtiene en La B se obtiene en condiciones condicionesfisiológicas fisiológicascon con abundancia abundanciade deagua. agua. A Rosalind Franklin Maurice Wilkins B Z Trabajando en el King's College bajo la dirección de John Randall, Rosalind Franklin descubrió que el ADN cristalizaba en dos formas la A y la B y logró separarlas. Randall dio a Franklin la forma A y a Maurice Wilkins la forma B pidiéndoles que trataran de determinar sus estructuras por difracción de rayos X. El primer problema que surgió fue que la única que proporcionaba buenos difractogramas era la B. Así es que Rosalind se puso a trabajar sobre la forma B, la de Wilkins, y obtuvo unos espléndidos diagramas de rayos X. 22 22 Los Losdatos datoscristalográficos cristalográficosdel delADN ADN Sin Sinlos losdatos datosde deRosalind RosalindFranklin Franklinno noera eraposible posibleresolver resolverla la estructura estructuradel delADN. ADN.Pero PeroFrancis FrancisCrick, Crick,que queera eraun unfísico físico notable, notable,hizo hizouna unacontribución contribuciónmuy muyimportante. importante.En En colaboración colaboracióncon conCochran, Cochran,estableció estableciólas lasbases basesde dela la difracción difracciónde defibras, fibras,tanto tantocristalinas cristalinas(forma (formaAAdel delADN) ADN) como comono-cristalinas no-cristalinas(forma (formaBBdel delADN) ADN)(no (notiene tienerelación relación con conel elhecho hechode deque quela laestructura estructurade dela laforma formaBBdiese diese mejores mejoresdifractogramas). difractogramas).Lo Loaplicaron aplicaronaacadenas cadenas peptídicas, peptídicas,artificiales artificialesoonaturales, naturales,pero perodejaba dejabaaaCrick Cricken en óptimas óptimascondiciones condicionespara parainterpretar interpretarlos losresultados resultadosde de Franklin. Franklin. 23 23 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN AApropósito propósitodel deldescubrimiento descubrimientopor porLinus LinusPauling Paulingde delala hélice héliceαα(página (página28): 28):«No «Notardé tardéen encomprender comprenderque queelel logro logrode dePauling Paulingera eraproducto productodel delsentido sentidocomún, común,yyno no resultado de un complicado razonamiento matemático. resultado de un complicado razonamiento matemático. Pauling Paulingincluía incluíaaaveces vecesecuaciones ecuacionesen ensu su argumentación, argumentación,pero peroen enlalamayoría mayoríade delos loscasos casoshabrían habrían bastado las palabras. La clave del éxito de Linus bastado las palabras. La clave del éxito de Linus radicaba radicabaen ensu suconfianza confianzaen enlas lassencillas sencillasleyes leyesde dela la química estructural. … En vez de lápiz y papel, los química estructural. … En vez de lápiz y papel, los principales principalesinstrumentos instrumentosde detrabajo trabajoeran eranun unconjunto conjuntode de modelos moleculares que se asemejaban a los juguetes modelos moleculares que se asemejaban a los juguetes de delos losniños niñosen enedad edadpreescolar». preescolar». La estructura del ADN es la excepción. La de cualquier proteína no se puede resolver así (Perutz). Aún así, el trabajo de W&C es una obra maestra de estereoquímica. 24 24 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN Azúcar O Azúcar Hindsight bias O P O O O Mg2+ O P O O Azúcar Azúcar 2+ AApropósito propósitode delos losiones ionesMg Mg2+(página (página56): 56):«En «Encuanto cuantoaalas lasfuerzas fuerzasque quemantenían manteníanunidas unidas las cadenas, lo mejor parecía suponer que eran puentes salinos, en los que las cadenas, lo mejor parecía suponer que eran puentes salinos, en los quecationes cationes 2+ divalentes uníanaados dosoomás másgrupos gruposfosfato». fosfato».La Laidea, idea,rechazada rechazadapor porlos los divalentescomo comoelelMg Mg2+unían propios autores, no es absurda. La estructura del ión magnesio divalente es octaédrica propios autores, no es absurda. La estructura del ión magnesio divalente es octaédricacon con ocho ochooxígenos oxígenosalrededor alrededordel delcatión. catión.Los Losdos dosque quefaltan faltan(apicales), (apicales),pueden puedenser sermoléculas moléculasde de agua. Véase por ejemplo, en la figura siguiente, una hélice levógira de ADN-Z cristalizada agua. Véase por ejemplo, en la figura siguiente, una hélice levógira de ADN-Z cristalizadaen en 2+ con cinco oxígenos y el presencia de magnesio. Se ve la coordinación octaédrica del Mg 2+ presencia de magnesio. Se ve la coordinación octaédrica del Mg con cinco oxígenos y el nitrógeno nitrógenode deuna unaguanina. guanina.Watson Watsonreconoció reconocióque quese sehabía habíaequivocado equivocadosobre sobreelelpapel papeldel del 2+ + y Mg2+ se en la molécula de ADN y que Rosalind Franklin tenía razón. Los cationes Na Mg 2+ + Mg en la molécula de ADN y que Rosalind Franklin tenía razón. Los cationes Na y Mg2+ se debían debíanencontrar encontraren enlalaparte parteexterior exterioralrededor alrededorde delos losfosfatos fosfatosyydebían debíantener tenerpoco pocoefecto efecto sobre la estructura. sobre la estructura. 25 25 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN Azúcar O Azúcar O P O O O Mg2+ O P O O Azúcar Azúcar Ejemplo de coordinación octaédrica del catión magnesio divalente (en verde). Oxígenos en rojo y nitrógenos en azul de la zona octaédrica. 26 26 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN AApropósito propósitode deenlaces enlacesde dehidrógeno hidrógenoyyapilamientos apilamientosπ−π π−π(página (página82): 82):«Ambos «Ambossabían sabíanque que ahora ahoraloloimportante importanteera eradetectar detectarlas lasfuerzas fuerzasde deatracción. atracción.En Eneste estepunto puntoFrancis Francis(Crick) (Crick) arguyó arguyóque quelos losenlaces enlacesespecíficos específicosde dehidrógeno hidrógenono noconstituían constituíanlalasolución. solución.No Nopodían podían nos suministrar la especificidad exacta necesaria, ya que nuestros amigos químicos decían suministrar la especificidad exacta necesaria, ya que nuestros amigos químicos nosdecían repetidamente repetidamenteque quelos losátomos átomosde dehidrógeno hidrógenode delas lasbases basesde depurina purinayypirimidina pirimidinano noposeían poseían posiciones posicionesfijas, fijas,sino sinoque quese semovían movíanirregularmente irregularmentede deun unpunto puntoaaotro. otro.En Enlugar lugarde deello, ello, Francis tenía la impresión de que la repetición en el ADN implicaba la existencia de Francis tenía la impresión de que la repetición en el ADN implicaba la existencia defuerzas fuerzas específicas de atracción entre las superficies planas de las bases». específicas de atracción entre las superficies planas de las bases». Hay Hayaquí aquíuna unaconfusión confusiónfrecuente frecuenteen enlos losaños añoscincuenta cincuentaentre entrelos losaspectos aspectoscinéticos cinéticosyy termodinámicos termodinámicosde delalatautomería tautomeríaprototrópica. prototrópica.Los Losprotones protonesse semueven muevenrápidamente rápidamentede deun un heteroátomo a otro (en este caso oxígenos y nitrógenos). Pero pasan la inmensa mayoría heteroátomo a otro (en este caso oxígenos y nitrógenos). Pero pasan la inmensa mayoríade de su tiempo en un "punto" determinado. Además, los enlaces de hidrógeno son, después de los su tiempo en un "punto" determinado. Además, los enlaces de hidrógeno son, después de los covalentes, covalentes,los losmás másfuertes fuertesyydireccionales. direccionales.Es Esdecir, decir,sus sus"amigos "amigosquímicos" químicos"se seequivocaban. equivocaban. Las Lasfuerzas fuerzasde deatracción atracciónentre entrelas lassuperficies superficiesplanas planas(aromáticas) (aromáticas)de delas lasbases basesexisten existenyyse se conocen con los nombres de “stacking” o apilamiento. Son debidas a las fuerzas conocen con los nombres de “stacking” o apilamiento. Son debidas a las fuerzasde de dispersión dispersiónde deLondon. London.Ahora Ahorasabemos sabemosque queson sonalgo algomás másdébiles débilesyysobre sobretodo todomenos menos direccionales que los puentes de hidrógeno pero que juegan un papel fundamental direccionales que los puentes de hidrógeno pero que juegan un papel fundamentalen enlala estabilización estabilizaciónde delos losácidos ácidosnucléicos nucléicoscontribuyendo contribuyendoaalaladiversidad diversidadestructural estructuralnecesaria necesariapara para las funciones biológicas. las funciones biológicas. 27 27 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN AApropósito propósitode delalaionización ionizaciónde delos losgrupos gruposfosfato fosfato(página (página103): 103):«De «Dehaber haberátomos átomosde de hidrógeno firmemente enlazados a los grupos fosfato, todas nuestras especulaciones hidrógeno firmemente enlazados a los grupos fosfato, todas nuestras especulacionessobre sobresisi los losiones ionesdivalentes divalentesmantenían manteníanunidas unidaslas lascadenas cadenascarecerían careceríande desentido. sentido.Sin Sinembargo, embargo, Linus, indiscutiblemente el mejor químico del mundo, había llegado a la conclusión Linus, indiscutiblemente el mejor químico del mundo, había llegado a la conclusióncontraria contraria (los grupos fosfato no estaban ionizados en el modelo de Pauling) … como el manuscrito (los grupos fosfato no estaban ionizados en el modelo de Pauling) … como el manuscrito(de (de L.P.) había sido enviado ya a los Proceedings of the National Academy, el trabajo de Linus L.P.) había sido enviado ya a los Proceedings of the National Academy, el trabajo de Linus sería seríaconocido conocidoen entodo todoelelmundo mundopara paramediados mediadosde demarzo. marzo.Entonces, Entonces,sería seríacuestión cuestiónde dedías días elelque se descubriese su error». que se descubriese su error». Los comparablealaldel delO,O-dimetil O,O-dimetilhidrofosfato, hidrofosfato, Losgrupos gruposfosfato fosfatotienen tienenun unpK pKaa==1,1,comparable P=O(OH) (pK = 1.3), y superiores al de la primera ionización (MeO) 2 a delácido ácidofosfórico fosfórico(pK (pKaa (MeO)2P=O(OH) (pKa = 1.3), y superiores al de la primera ionizacióndel ==2.3). Es decir, Watson y Crick tenían razón, en solución acuosa los grupos fosfato estarían 2.3). Es decir, Watson y Crick tenían razón, en solución acuosa los grupos fosfato estarían en enforma formade deaniones anionesyyse serepelerían repeleríanobedeciendo obedeciendoaalalaley leyde deCoulomb. Coulomb. 28 28 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN «Sin «Sinembargo, embargo,ninguno ningunode denosotros nosotrostenía teníaelelmás másmínimo mínimoindicio indiciode delos lospasos pasosque que habían conducido a Linus a su error. … Así pues, de momento sólo podíamos habían conducido a Linus a su error. … Así pues, de momento sólo podíamos preocuparnos preocuparnosde delalaposibilidad posibilidadde deque queelelmodelo modelode deLinus Linusfuera fueraresultado resultadode deuna una revolucionaria reevaluación de las propiedades ácido-base de las grandes revolucionaria reevaluación de las propiedades ácido-base de las grandes moléculas. moléculas.No Noobstante, obstante,lalaforma formaen enque queestaba estabaredactado redactadoelelmanuscrito manuscritono no indicaba semejante avance en la teoría química. No había razón para mantener indicaba semejante avance en la teoría química. No había razón para mantener en ensecreto secretoun undescubrimiento descubrimientoteórico teóricode detal talimportancia. importancia.Antes Antesbien, bien,de dehaberse haberse dado el caso, Linus habría presentado dos estudios, el primero describiendo dado el caso, Linus habría presentado dos estudios, el primero describiendosu su nueva teoría y el segundo mostrando cómo se utilizaba para resolver la estructura nueva teoría y el segundo mostrando cómo se utilizaba para resolver la estructura del delADN. ADN. Como Comohemos hemosdicho dichouna unanueva nuevateoría teoríano noera eraposible posibleyymenos menossisicabe cabeen en termodinámica. No hemos encontrado texto alguno de Pauling (y eso que termodinámica. No hemos encontrado texto alguno de Pauling (y eso quevolvió volvióaa publicar publicarsobre sobrelalaestructura estructuradel delADN) ADN)en enelelque quecomente comenteelelproblema problemade delala ionización ionizaciónde delos losgrupos gruposfosfato, fosfato,ninipara parareconocer reconocerque quese seequivocó, equivocó,ninipara para justificarlo. En una conferencia Crick cuenta que le preguntó a Pauling por justificarlo. En una conferencia Crick cuenta que le preguntó a Pauling porello elloyy que queeste estelelecontestó contestóque queno nosabía, sabía,que quefue fueuna unaaberración aberraciónmental. mental. 29 29 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN O N O O O N P O O H O N O O O O N P O H Modelo Modelo de de dos dos cadenas cadenas de de Pauling Pauling (cuya (cuya hélice hélice contiene contiene tres): tres): en en elel centro centro de de lala hélice hélicelos losgrupos gruposfosfato fosfatoneutros neutrosyyen enlalaperiferia periferialas lasbases basespúricas púricasyypirimidínicas pirimidínicas (representadas de una manera simplificada). A la derecha modelo reconstruido (representadas de una manera simplificada). A la derecha modelo reconstruido aa partir partirde delos losdibujos dibujosde dePauling. Pauling.Kenneth KennethMiller Millerha hapublicado publicadouna unaguía guíade deLa LaDoble Doble Hélice en la que se representa mal la propuesta de Pauling (OH frente a OH). Hélice en la que se representa mal la propuesta de Pauling (OH frente a OH). 30 30 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN O N O O O N P O O H O N O O O O N P O H Hoy Hoydía díaelelmodelo modelode dePauling-Corey Pauling-Coreypuede puedeser serjustificado justificadoalalmenos menosen enloloque quese serefiere refiereaalalano noionización ionización de los grupos fosfato. Sabemos que las propiedades ácido-base son muy dependientes de la de los grupos fosfato. Sabemos que las propiedades ácido-base son muy dependientes de lasolvatación solvatación de de tal tal manera manera que que las las propiedades propiedades termodinámicas termodinámicas como como elel pK pKa a difieren difieren considerablemente considerablemente de de las las propiedades en fase gas. Las moléculas de agua se encuentran en la periferia de la hélice y por lo tanto, propiedades en fase gas. Las moléculas de agua se encuentran en la periferia de la hélice y por lo tanto,lala parte partecentral centrales esasimilable asimilableaalalafase fasegas. gas. En Entales talescondiciones condicionesloloesperable esperablees esque quelos losgrupos gruposfosfato fosfatono nose seionicen ionicenyyformen formenpuentes puentesde dehidrógeno hidrógeno O–H···O suprimiendo así una de las principales objeciones al modelo PC. Quedan al menos otras O–H···O suprimiendo así una de las principales objeciones al modelo PC. Quedan al menos otrasdos: dos:las las bases periféricas no son lo bastante ácidas como para justificar la presencia de abundantes cationes bases periféricas no son lo bastante ácidas como para justificar la presencia de abundantes cationesy,y, sobre sobretodo, todo,tres trescadenas cadenasno noexplican explicanelelmecanismo mecanismode deduplicación duplicacióndel delADN, ADN,mientras mientrasque quedos doscadenas cadenassisilolo hacen, de ahí la célebre frase "It has not escaped our notice that the specific pairing hacen, de ahí la célebre frase "It has not escaped our notice that the specific pairing we we have have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material". postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material". 31 31 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN AApropósito propósitode detautomería tautomería(página (página119): 119):«Aunque «Aunquedurante durantemás másde deun unaño añoFrancis Francisyy yo yohabíamos habíamosexcluido excluidolalaposibilidad posibilidadde deque quelas lasbases basesformaran formaranenlaces enlacesregulares regulares de hidrógeno, ahora resultaba evidente que nuestras deducciones no eran de hidrógeno, ahora resultaba evidente que nuestras deducciones no eran correctas. correctas.La Laobservación observaciónde deque queuno unooomás másátomos átomosde dehidrógeno hidrógenode decada cadauna unade de las bases podía moverse de un espacio a otro (un desplazamiento tautómero) nos las bases podía moverse de un espacio a otro (un desplazamiento tautómero) nos había habíallevado llevadoinicialmente inicialmenteaalalaconclusión conclusiónde deque quelas lasformas formastautómeras tautómerasde deuna una base dada se presentaban con frecuencias iguales». base dada se presentaban con frecuencias iguales». Consideraciones Consideracionespuramente puramentetermodinámicas, termodinámicas,conocidas conocidasperfectamente perfectamenteen enlos losaños años cincuenta, permitían saber que en una situación de equilibrio todos los tautómeros cincuenta, permitían saber que en una situación de equilibrio todos los tautómeros están estánpresentes presentessisibien bienen enproporciones proporcionesdiferentes. diferentes.Cualquier Cualquierquímico-físico químico-físicode de Cambridge les podía haber aclarado este aspecto. Cambridge les podía haber aclarado este aspecto. 32 32 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN CH3 CH3 H O H H N N N N R N adenina R O H N N H N H H O N N N R = azúcar R O H timina N H N H H N H R Jerry Donohue (página (página123): 123):«Se «Sealzaba alzabacontra contramí míelelembarazoso embarazosohecho hechoquímico químicode deque quehabía habíaelegido elegido inadecuadas formas tautómeras de guanina y timina. … Nada más entrar en el inadecuadas formas tautómeras de guanina y timina. … Nada más entrar en el despacho despachoyyempezar empezaraaexplicar explicarmi miesquema, esquema,elelfísico-químico físico-químicoamericano americanoJerry JerryDonohue Donohue afirmó que no era bueno. En opinión de Jerry, las formas tautómeras que yo había afirmó que no era bueno. En opinión de Jerry, las formas tautómeras que yo había copiado copiadodel dellibro librode deDavidson Davidsoneran eranincorrectas». incorrectas». Hoy Hoypodemos podemosdecir decirque queno noimportaba importabaequivocarse equivocarseen enlos lostautómeros tautómerossisieran eran complementarios. Por ejemplo, consideremos el par adenina/timina: complementarios. Por ejemplo, consideremos el par adenina/timina: La Laforma formacorrecta correctaes eslalarepresentada representadaaalalaizquierda izquierdayycorresponde correspondeaalos losdos dostautómeros tautómeros más másestables establesde delalaadenina adeninayyde delalatimina. timina.Si Sise seusa usaun untautómero tautómero"inadecuado" "inadecuado"de delala timina timina(hoy (hoydiríamos diríamosminoritario), minoritario),como comoelel4-hidroxi 4-hidroxicon conun untautómero tautómerominoritario minoritariode delala adenina, adenina,lala6-iminopurina, 6-iminopurina,se seobtiene obtieneeleldímero dímerode delaladerecha, derecha,menos menosestable establepero pero geométricamente perfecto. geométricamente perfecto. 33 33 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN AApropósito propósitode deenlaces enlacesde dehidrógeno hidrógeno(página (página126): 126):«Los «Lospares paresde debases basesadeninaadeninatimina y guanina-citosina tal como fueron concebidos cuando se descubrió timina y guanina-citosina tal como fueron concebidos cuando se descubrió lala estructura estructura correcta correcta de de lala doble doble hélice hélice (los (los enlaces enlaces de de hidrógeno hidrógeno aparecen aparecen punteados). Se consideró la formación de un tercer enlace de hidrógeno punteados). Se consideró la formación de un tercer enlace de hidrógenoentre entrelala guanina guaninayylalacitosina, citosina,pero perolalaidea ideafue fuerechazada rechazadaporque porqueun unestudio estudiocristalográfico cristalográfico de la guanina indicaba que dicho enlace sería muy débil. Ahora se sabe de la guanina indicaba que dicho enlace sería muy débil. Ahora se sabeque queesta esta hipótesis es errónea, pues entre la guanina y la citosina se tienden tres fuertes hipótesis es errónea, pues entre la guanina y la citosina se tienden tres fuertes enlaces enlacesde dehidrógeno». hidrógeno». CH3 H H O H N N azúcar N O H azúcar N O N H N H N H H N H timina O H N azúcar N azúcar N H H adenina N H N N N guanina H citosina H N N azúcar H N O H N N azúcar 34 34 Aspectos Aspectosquímicos químicosdel deldescubrimiento descubrimientode delalaestructura estructuradel delADN ADN CH3 H O N N azúcar azúcar O H N adenina O N H N H H N N N H H H H timina N azúcar H N N O H N H azúcar N H N N guanina H La direccionalidad de los enlaces (o puentes) de hidrógeno citosina 35 35 La direccionalidad de los enlaces (o puentes) de hidrógeno CH3 H O N N azúcar azúcar O H N adenina O N H N H H N N N H H H H timina N azúcar H N N O H N H azúcar N H N N guanina H citosina 36 36 La direccionalidad de los enlaces (o puentes) de hidrógeno Caracol 37 37 Watson Watsonconcluye concluyesu sulibro libro(página (página144): 144):«Tenía «Teníaveinticinco veinticinco años añosyyera erademasiado demasiadoviejo viejopara pararesultar resultarexcéntrico» excéntrico»(nacido (nacido en en1928 1928publica publicala laestructura estructuradel delADN ADN1953). 1953). Hay Hayque quesaber saberque quela laedad edadmedia mediapara paraentrar entraren enel elCSIC CSICes es de de38 38años. años.André AndréLwoff Lwoffha haescrito escritoque queJim JimWatson Watsones es probablemente probablementeel elúnico únicocientífico científicoque queha hahecho hechoun ungran gran descubrimiento descubrimientosiendo siendobecario. becario. 12 años 38 38 Se Seha hadicho dichoque queel eldescubrimiento descubrimientode dela laestructura estructuradel delADN ADNes es el elhomenaje homenajede deun ungenio, genio,Francis FrancisCrick, Crick,oootro otrogenio, genio,Linus Linus Pauling. Pauling. Se Seusó usómucha muchaquímica, química,modelos modelosmoleculares molecularesde de alambre alambreyycartón cartón("a ("ala lamanera manerade dePauling"), Pauling"),cristalografía, cristalografía, bioquímica bioquímicade deChargaff Chargaffyymuy muypoca pocabiología biología(normal, (normal,ya yaque que uno unoera erafísico físicoyyel elotro otroaún aúnnada). nada). Sin Sinembargo, embargo,aapartir partirde deese ese momento momentoel elpapel papelsocial socialde dela laquímica químicainició iniciósu sulento lentodescenso. descenso. El Elfuturo futurode dela laquímica químicaestá estáen ensu sufusión fusióncon conlas lasotras otrasciencias ciencias pero perosin sinperder perdersu suidentidad. identidad.Debemos Debemoscomunicar comunicaraala lasociedad sociedad la lapasión pasiónque quelos losquímicos químicossentimos sentimospor pornuestra nuestradisciplina. disciplina.Eso Eso es esuna unatarea tareaesencial esencialyyprioritaria. prioritaria.Si Sino nolo loconseguimos, conseguimos, nuestro nuestrodeclive declivees esinevitable. inevitable. Eso Esoes eslo loque quehe heintentado: intentado:hablar hablarde dequímica químicadelante delantede denonoquímicos. químicos.Espero Esperoque quealgo algode denuestro nuestroentusiasmo entusiasmose seles leshaya haya contagiado. contagiado.La Laquímica químicaes esuna unaciencia cienciamaravillosa. maravillosa. 39 39 La historia la escriben los vencedores.....
