15.1: Preludio a las reacciones de oxidación y reducción

Introducción

A Theo Ross no le estaba yendo muy bien en su trabajo de verano, y estaba frustrado. Su jefe le había dado instrucciones específicas, y sin embargo Theo seguía estropeando el trabajo, una y otra vez. Theo no estaba acostumbrado al fracaso —había logrado puntajes casi perfectos tanto en los exámenes de ingreso a la universidad ACT como al SAT, y se dirigía a la Universidad de Stanford en el otoño. ¿Por qué no pudo hacerlo bien? No fue cirugía cerebral, después de todo.

Bueno, en realidad... fue cirugía cerebral.

Un artículo del 17 de abril de 2014 en Sports Illustrated cuenta la historia de Theo. Queriendo hacer algo interesante durante el verano de 2010 antes de comenzar la universidad, Theo había solicitado una pasantía de investigación en los Institutos Nacionales de Salud en Bethesda, Maryland. Este era un programa extremadamente competitivo normalmente reservado para estudiantes universitarios sobresalientes, pero de alguna manera Theo había logrado ganar un codiciado lugar en el programa, trabajando con el Dr. Dorian McGavern, neurólogo que estudia cómo la meningitis afecta al cerebro. El Dr. McGavern asignó a Theo la tarea de realizar una cirugía de “adelgazamiento de cráneos” en ratones, parte de la cual implicó usar una sierra especial para afeitarse una pequeña sección del hueso con el fin de obtener acceso al cerebro. Se trataba de un procedimiento delicado, algo que incluso algunos neurocirujanos experimentados que lo habían probado habían encontrado desafiante. Cualquier pequeño resbalón resultó en una conmoción cerebral en el cerebro del ratón, volviéndolo inútil para el estudio. Theo simplemente no pudo entenderlo, y terminó conmocionando un ratón tras otro.

Probablemente hayas escuchado la vieja expresión: “cuando la vida te da limones, haz limonada”. Theo hizo mucha limonada ese verano.

Theo y el Dr. McGavern finalmente se dieron cuenta de que su fracaso en el procedimiento en realidad presentaba una oportunidad para observar lo que le sucede a un cerebro justo después de una lesión cerebral. Theo comenzó a hacer más cirugías de adelgazamiento de cráneos, pero ahora el objetivo era provocar una conmoción cerebral, en lugar de evitarla. Los ratones conmocionados (que habían sido anestesiados antes de la cirugía) fueron atados inmediatamente bajo un microscopio para que Theo pudiera observar cómo respondían sus cerebros a la lesión. Esto era algo nuevo, y muy emocionante: la mayor parte de lo que los neurólogos sabían sobre las conmociones cerebrales hasta ese momento provenía de la resonancia magnética (ver capítulo 5) o de las autopsias. Nadie sabía mucho sobre lo que sucede a nivel celular en un cerebro en los minutos y horas posteriores a que se ha producido una conmoción cerebral. Además, el problema de las lesiones traumáticas en la cabeza y los efectos duraderos que causan se estaba convirtiendo en un tema cada vez más candente en las noticias, de importancia crítica para miles de veteranos que regresan de Irak y Afganistán, así como para los futbolistas y otros atletas en deportes de contacto, entre ellos Theo, quien había sido un luchador competitivo en la secundaria. (Quizás te hayas estado preguntando por qué la historia de Theo apareció en Sports Illustrated, ahora ya lo sabes).

Theo pasó el resto de ese verano, y cada vacaciones de primavera y vacaciones de verano durante los próximos años, trabajando en el laboratorio de McGavern en el nuevo proyecto. Él y McGavern encontraron evidencia de que el daño 'oculto' a un cerebro conmocionado —el que no se detectó en las resonancias magnéticas pero que podría regresar para perturbar a la víctima años después en forma de dolores de cabeza recurrentes, pérdida de memoria y depresión— puede ser causado por un tipo de molécula denominada 'especie de oxígeno reactivo', o ROS, que se filtran de los tejidos dañados al cerebro. Las ROS son subproductos potencialmente dañinos de la respiración como el peróxido de hidrógeno (\(H_2O_2\)) que se producen constantemente en nuestras células. Aunque las ROS pueden causar graves daños oxidativos si se les permite acumularse, nuestros cuerpos han desarrollado formas de lidiar con ellos, utilizando los llamados “carroñeros de ROS” para convertirlos en algo inocuo como el agua.

Con este nuevo entendimiento, Theo y su mentor tuvieron otra idea: ¿y si pudieran evitar que las ROS causaran más daño a un cerebro recientemente conmocionado aplicando un carroñero a la lesión? Después de algún ensayo y error, encontraron que un compuesto eliminador de ROS llamado glutatión, cuando se aplica directamente al cráneo de un ratón conmocionado dentro de unos minutos a tres horas después de la lesión, podría permear el hueso y reaccionar con el ROS. Las células cerebrales de estos ratones tratados con glutatión parecían normales, sin ninguno de los signos de daño por ROS Theo estaba acostumbrado a ver.

El camino desde un descubrimiento científico inicial hasta un tratamiento médico seguro y efectivo suele ser muy largo, pero Theo Roth y Dorian McGavern parecen haber hecho un descubrimiento que podría ayudar a prevenir algunos de los daños más devastadores y de largo plazo causados por lesiones traumáticas en la cabeza. Al final, es muy bueno que las manos de Theo no hayan sido cortadas para cirugía cerebral.

La química de la oxidación y reducción -a menudo llamada química 'redox '- es fundamental para el descubrimiento de Theo Roth sobre lo que le sucede a un cerebro conmocionado a nivel molecular. Este capítulo está dedicado a la química redox. Comenzaremos con un recordatorio de lo que aprendiste en Química General sobre los fundamentos de las reacciones redox en el contexto de elementos inorgánicos como el hierro, el cobre y el zinc: la reducción es una ganancia de electrones, y la oxidación es una pérdida de electrones. Luego, ampliaremos nuestro entendimiento para incluir la reactividad redox bioorgánica, examinando entre otras cosas cómo los alcoholes se convierten en cetonas y aldehídos, los aldehídos se convierten en ácidos carboxílicos y las aminas se convierten en iminas. También hablaremos sobre las reacciones redox en el contexto más amplio del metabolismo en los seres vivos.

Un jugador central en algunas de las reacciones redox bioquímicas que veremos es la coenzima llamada glutatión, la molécula de 'bala mágica' de Theo Roth que pudo rescatar las células cerebrales de ratón de la muerte por oxidación. Veremos cómo el glutatión actúa como mediador en la formación y escisión de enlaces disulfuro en las proteínas, y cómo actúa como un 'eliminador ROS' para convertir el peróxido de hidrógeno en agua.