Prismas basálticos, cálculos renales y cómo conocer la estructura de las proteínas


En el año 2000 un par de mineros que exploraba el subsuelo del Estado mexicano de Chihuahua encontró formaciones cristalinas sorprendentes, tanto por su gran tamaño como por su atractivo visual. Desde ese momento, la cueva de los cristales en el poblado de Naica se convirtió en uno de los referentes más asombrosos de la formación natural de cristales:

Cristales de Naica. Fotografía AdventureMedicine

Los cristales de Naica son formaciones de yeso (de un tipo particular llamado selenita) que crecieron durante miles de años. La espectacular forma de los cristales es producto de la manera en la cual la selenita se ordena a nivel molecular. Otras formaciones similares se pueden apreciar en el municipio de Huasca de Ocampo, en el estado mexicano de Hidalgo. Aquí, los prismas están constituidos por basalto, materia volcánica muy rica en silicatos de hierro y de magnesio. Los prismas basálticos de Huasca de Ocampo son otro ejemplo de cristales, la forma hexagonal o pentagonal que los prismas adquieren es resultado, nuevamente, de la manera en la cual los silicatos se ordenan en el espacio.

Prismas basálticos en Huasca de Ocampo, Hidalgo, México. Fotografía de Diego Delso.

En el estado de Morelos, existen también prismas basáltico pero son tan discretos que su presencia pasa casi desapercibida para los visitantes: en el Salto de San Antón, a un lado de la pequeña escalera que desciende y rodea a la cascada se pueden encontrar algunos prismas hexagonales en la pared rocosa que da la bienvenida a los turistas.

Aunque las formaciones descritas anteriormente no se parecen a lo que comúnmente llamamos cristal, estas formaciones son ejemplos de cristales naturales. En las ciencias, se considera como cristal a la estructura que se forma a partir del arreglo periódico de los componentes moleculares que lo constituyen. Así, la selenita o el basalto que forman a los cristales de Naica o Hidalgo, respectivamente, están ordenados en forma, orientación y periodicidad en un vasto número de capas, las cuales se apilan una sobre otra hasta formar a esos cristales que nos asombran por su belleza y geometría (pleonasmo mío, porque la belleza es simetría).

La formación de cristales de una molécula determinada sucede en función de la concentración de esa molécula en una solución: cuanto más está presente la molécula, de forma pura o casi pura en un volumen muy pequeño de agua, más probable es que las moléculas interaccionen entre sí y se orienten en un arreglo particular y repetitivo. Este es el mismo principio que rige, por ejemplo, a la formación de ciertos tipos de cálculos renales. En las personas que padecen de gota, el exceso de ácido úrico en el sistema favorece la formación de pequeños cristales en forma de aguja, los cuales crecen y se depositan en el riñón o en las articulaciones y causan inflamación y dolores severos en los pacientes.

Cristales de ácido úrico. La deposición de estos cristales en los riñones o las articulaciones son responsables del dolor que sufren los enfermos de “gota”.

De igual forma, las personas que consumen leche o alguna otra fuente de calcio en exceso, son suceptibles de formar cálculos renales de calcio. Los cristales de calcio que se forman en los riñones se excretan muchas veces mediante la orina, pero en algunos casos éstos pueden propiciar la formación de cálculos renales o piedras que ocasionan molestias e incluso obstruyen a las vías urinarias.

Cristales de oxalato de calcio detectados en la orina de una persona.

En algunos laboratorios dedicados al estudio de las estructuras proteínicas, los cristales son también sujeto de estudio debido a la cantidad de información que se puede obtener a partir de ellos. Si alguna proteína de interés logra purificarse y si además podemos concentrarla lo suficiente, entonces es probable que se inicie un proceso de nucleación, el cual no es otra cosa que la génesis de un cristal: a partir de un punto, o núcleo, empezarán a agregarse las proteínas, en un arreglo ordenado y  cristalino. Una vez que el cristal se ha formado es posible incidir un haz de rayos X sobre él para obtener un patrón de difracción: una constelación de puntos en una placa fotográfica que en última instancia nos revela la posición de cada átomo en una proteína.

Patrón de difracción de rayos X de una proteína.

Por supuesto, el patrón de difracción de rayos X no nos dice inmediatamente en qué posición está cada núcleo atómico: es necesario convencerlo de que nos los cuente mediante su análisis al utilizar algunos algoritmos matemáticos (transformadas de Fourier, en este caso). Así, en 1962 se entregó el premio Nobel de química a John Kendrew y Max Perutz por resolver por primera vez la estructura tridimensional de una proteína: la mioglobina. La mioglobina es una proteína capaz de unir al oxígeno y cuya presencia en los músculos es responsable de su color rojo característico.
Desde su primer uso en el año 1962 la cristalografía de rayos X ha sido una técnica de fundamental importancia para conocer la estructura de diversas proteínas, las partes físicas que interaccionan entre una proteína y otra o incluso los mecanismos de acción de algunos fármacos o aquellos que explican en detalle las deficiencias responsables de algunas enfermedades como la anemia falciforme. Actualmente, las estructuras proteínicas que se resuelven mediante la cristalografía de rayos X (o mediante otra técnica conocida como Resonancia Magnética Nuclear) son depositadas en la base de datos PDB (Protein Data Bank), la cual es de acceso público y contiene diversos recursos didácticos para aprender más sobre las proteínas, sus funciones y cómo se conoce su estructura.

Como hemos visto, los cristales, ya sea aquellos que se forman a lo largo de miles de años en el subsuelo, los que ocasionan patologías 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 y de la amplia gama de procesos biológicos que ocurren en nuestro interior o en el de otros organismos.

Este año, 2014, ha sido declarado como el año internacional de la cristalografía por la Asamblea General de las Naciones Unidas. Desde aquí, en NotaMínima he querido hacer un pequeño homenaje a la belleza que se esconde en los cristales y a la labor de los cristalógrafos. Así, los dejo con la siguiente galería, ¡hasta la próxima!

Columnas de basalto en la isla de Staffa, Escocia.

Este patrón de difracción fue obtenido por Rosalind Franklin mediante una técnica similar a la cristalografía de rayos X. A partir de esta imagen, Watson y Crick publicarían en 1953 la estructura del ADN.

Muchas de las estructuras proteínicas que forman al virus del VIH se han resuelto mediante la cristalografía de rayos X. En este enlace puedes encontrar un modelo interactivo del virus.

Una vez que tenemos el patrón de difracción de rayos X podemos conocer la densidad electrónica de las moléculas, a partir de la cual se propone la estructura de las proteínas.

Los copos de nieve son otro ejemplo de la formación natural de cristales, en este caso, de agua.

La amatista y otras formas de cuarzo son ejemplos cotidianos de cristales que contienen silicio.

La droga conocida como cristal recibe este nombre debido a que el hidrocloruro de metanfetamina forma cristales blancos y muy solubles.

 

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Acerca de RodAG_

Casado con la ciencia (pero tengo un affair con las artes). Apuesta: eLearning, Open Access/Source. Sharing is caring. @RodAG_ en twitter.
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2 respuestas a Prismas basálticos, cálculos renales y cómo conocer la estructura de las proteínas

  1. Kalale. dijo:

    hola soy kalale : me encanto esa maravilla de la naruraleza, espero que sigan poniendo mas maravillas naturales de mexico (almenos yo no sabia)

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