Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1955 — Theorell y la química de las enzimas oxidativas

Lo que aprenderá al leer este artículo

Comprenderá cómo Theorell, del Instituto Karolinska, logró por primera vez obtener en forma cristalina varias enzimas redox, revelando con precisión su estructura y mecanismo de acción, y cómo este descubrimiento constituye la base del metabolismo del alcohol, el diagnóstico metabólico y la enzimología clínica actuales.

Una perspectiva diferente: la oxidación no es fuego

A menudo asociamos la palabra "oxidación" con la combustión o la corrosión. Aunque pertenecen a la misma categoría química, la oxidación que ocurre dentro de las células es mucho más sofisticada. Dentro de la célula, la oxidación es el movimiento de electrones, y los responsables de este movimiento son un grupo específico de enzimas llamadas enzimas oxidoreductasas (oxidoreductase).

Estas enzimas son los ejecutores prácticos de la respiración celular. Los equivalentes reductores (NADH, FADH2) generados en el ciclo de Krebs (ver Premio Nobel de 1953) portan electrones, los cuales se transfieren a través de varias enzimas hasta el oxígeno final. En cada etapa de la transferencia se libera una pequeña cantidad de energía, y dicha energía se utiliza para la síntesis de ATP.

Aclarar la química exacta de esta cadena de transferencia fue uno de los grandes desafíos de la bioquímica entre las décadas de 19

30 y 1950, y Theorell completó las piezas cruciales. Su metodología fue determinante: obtener las enzimas en forma cristalina y purificarlas, lo que permitió que otros laboratorios posteriores pudieran manipular estas enzimas de manera reproducible.

Expresado en lenguaje de CS (ciencias de la computación), las enzimas oxidoreductasas son cada etapa de un pipeline de middleware de transferencia de electrones. El sustrato de entrada (que porta electrones) pasa de una etapa a la siguiente, donde cada etapa realiza su propio procesamiento hasta que se genera el producto final (ATP). Lo que hizo Theorell fue aislar cada etapa de este pipeline para convertirla en un componente comprensible de forma individual.

El panorama de la época: de la reconstrucción al crecimiento

1955 fue el año en que Europa pasó de una fase de reconstrucción a una de crecimiento. Los resultados del Plan Marshall se materializaron en toda Europa occidental y el milagro económico de Alemania Occidental se intensificó. En abril, la Conferencia de Bandung vio a 29 países de Asia y África declarar la no alineación; fue un evento que definió explícitamente un tercer espacio político fuera de la bipolaridad de la Guerra Fría.

En ese mismo mes de abril, falleció Einstein. La era nuclear creada por su famosa ecuación E=mc² ya mostraba en este año sus dos caras. En septiembre, el presidente Eisenhower sufrió un infarto de miocardio; en este suceso se confirmaron, en el ámbito político real, las implicaciones clínicas del Premio Nobel de Cortisona de 1950 tratados anteriormente.

El hecho de que el Comité Nobel eligiera a Theorell en este año también representó un reconocimiento a un científico sueco. El propio Comité Nobel pertenece al Instituto Karolinska de Suecia, y Theorell pasó la mayor parte de su vida en dicho instituto. Las investigaciones sobre la historia del Premio Nobel sugieren que la cuestión del equilibrio en el reconocimiento de científicos nacionales influyó de alguna manera en esta decisión.

Si lo comparamos con la historia de Corea, 1955 fue el año en que Lee Ki-bung, esposa de Syngman Rhee, tomó el control real del Partido Liberal. En un contexto de creciente corrupción y dictadura por parte del Partido Liberal, las semillas de la posterior Revolución de Abril comenzaron a germinar en diversos sectores.

Theorell — La química a través de sus decisiones

Axel Hugo Theodor Theorell nació en Linköping, Suecia. Se formó en medicina en el Instituto Karolinska y posteriormente desarrolló su carrera en investigación bioquímica pasando por Uppsala, Berlín y Estocolmo. En 1937 abrió su propio laboratorio en el Instituto Karolinska, donde dirigió investigaciones durante más de 40 años.

El punto decisivo que diferenciaba su metodología de la de otros fue su enfoque en la obtención de enzimas en forma cristalina. Hasta ese momento, la mayoría de las investigaciones sobre enzimas se realizaban en estados de purificación parcial, lo que resultaba en una baja reproducibilidad. Theorell logró obtener varias enzimas como cristales con una pureza superior al 99%, permitiendo medir con precisión su estructura y actividad.

Sus tres descubrimientos fundamentales fueron:

En primer lugar, la elucidación de la estructura de la flavoproteína, conocida como "enzima amarilla". Estableció que esta enzima contenía riboflavina (vitamina B2) y que este cofactor era el ejecutor real de las reacciones de oxidación-reducción. Los cofactores denominados posteriormente FAD/FMN (flavin adenine dinucleiente/flavin mononucleotide) pertenecen a esta serie.

En segundo lugar, la purificación y caracterización de la alcohol deshidrogenasa (ADH). Esta enzima cataliza la reacción de oxidación del alcohol a acetaldehído, que es la primera etapa del metabolismo del alcohol en los seres humanos. Este descubrimiento constituye la base teórica de los diagnósticos clínicos actuales relacionados con el metabolismo del alcohol (función hepática, dependencia alcohólica).

En tercer lugar, la obtención de la mioglobina en forma cristalina y la elucidación de sus propiedades de unión al oxígeno. La mioglobina es una proteína de almacenamiento de oxígeno en los músculos; posteriormente, esta proteína se convirtió en uno de los primeros objetivos exitosos de la cristalografía de rayos X (sirviendo como base para la investigación por la cual John Kendrew, de Cambridge, recibió el Premio Nobel de Química en 1962).

Marco de CS de la vía de oxidación-reducción

Ahora, organicemos el mundo revelado por Theorell utilizando el lenguaje de las Ciencias de la Computación (CS).

La vía de oxidación-reducción de la respiración celular fluye aproximadamente de la siguiente manera:

Glucosa → (glucólisis + ciclo de Krebs) → NADH, FADH2 → cadena de transporte de electrones → oxígeno → agua

En cada etapa, los electrones se desplazan. El NADH o el FADH2 transportan electrones, los cuales se entregan al oxígeno final a través de varios complejos enzimáticos (Complejo I, II, III, IV) en la membrana interna mitocondrial. Cada complejo posee sus propios cofactores (flavina, hemo, clústeres de hierro-azufre, etc.), y cada etapa libera energía gradualmente.

Esta arquitectura es, exactamente, un pipeline de middleware. Cada etapa posee su propia interfaz (capacidad de aceptar y liberar electrones), conectándose con las etapas anteriores y posteriores. Si la enzima de una etapa falla, todo el pipeline se detiene. De hecho, muchas enfermedades mitocondriales derivan de defectos en complejos específicos.

La flavoenzima (enzima que contiene FAD/FMN) desempeña un papel especial en este pipeline. Recibe electrones provenientes de diversos sustratos (metabolitos de ácidos grasos, aminoácidos, etc.) y los entrega en una forma estándar (FADH2). Actúa como un adaptador que convierte diversas entradas en un formato estándar. Diversas vías metabólicas se conectan finalmente a la cadena central de transporte de electrones a través de estas flavoenzimas.

Legado clínico

Existen diversas formas en las que el descubrimiento de Theorell sigue vigente en la práctica clínica actual.

Relación con el metabolismo del alcohol: Las variantes genéticas de la alcohol deshidrogenasa (ADH) y la acetaldehído deshidrogenasa (ALDH) generan diferencias en la capacidad de metabolizar el alcohol entre individuos. En particular, la variante ALDH2, presente en aproximadamente el 30～50% de las poblaciones de Asia oriental, es la causa de la reacción de enrojecimiento facial (flushing) tras el consumo de alcohol. Recientemente se ha confirmado que las personas con esta variante tienen un mayor riesgo de cáncer gástrico y esofágico, y hoy en día son objeto de pruebas genéticas y asesoramiento personalizado.

Diagnóstico metabólico: En los análisis de química clínica, la actividad de diversas enzimas se utiliza como indicador diagnóstico. La AST/ALT (daño hepatocelular), LDH (daño tisular) y CK (daño muscular) son ejemplos representativos; para que estas pruebas se consolidaran, era imprescindible comprender las propiedades precisas de cada enzima. La metodología de purificación de cristales de Theorell sentó las bases de esta química clínica.

Enfermedades mitocondriales: Posteriormente se descubrió que los defectos en cada complejo de la cadena de transporte de electrones son la causa de diversas enfermedades genéticas. El LHON (neuropatía óptica hereditaria de Leber), el MELAS (encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y episodios tipo accidente cerebrovascular) y diversas miopatías pertenecen a este grupo. El conocimiento detallado del pipeline de transporte de electrones establecido por Theorell es esencial para su diagnóstico y comprensión.

Por qué es importante

Lo que Theorell legó es un ejemplo claro del principio de que "las herramientas precisas permiten una comprensión precisa".

Hasta ahora, la investigación de las enzimas redox se había llevado a cabo con purificaciones parciales, pero cuando Theorell estableció la metodología de purificación por cristalización, este campo dio un salto hacia una ciencia experimental reproducible. Posteriormente, diversos investigadores utilizaron esta metodología para purificar otras enzimas, completando la química de precisión del metabolismo celular.

Este principio se repite también en la CS. Cuando se consolidan buenas herramientas de desarrollo, múltiples investigaciones realizadas con dichas herramientas se vuelven reproducibles. El crecimiento explosivo de la colaboración de código abierto tras la consolidación de Git, o la estandarización de la ciencia de datos tras la consolidación de Jupyter Notebook, son ejemplos del mismo patrón. La precisión de la herramienta determina la precisión de la disciplina.

Otra implicación es el poder de la arquitectura de middleware. La arquitectura mediante la cual las células convierten electrones provenientes de diversas vías metabólicas en un formato estándar (FADH2, NADH) para procesarlos a través de un único pipeline es un diseño de sistema optimizado que la evolución descubrió a lo largo de mucho tiempo. Los desarrolladores de CS que diseñan pipelines de middleware hoy utilizan el mismo principio, y ambos mundos tienen mucho que aprender el uno del otro.

El hecho de que el Comité Nobel otorgara este premio en ese año fue un reconocimiento a la última pieza que completaba el panorama general de los circuitos metabólicos. Krebs estableció el esqueleto del circuito, Lipmann los conectores y Theorell la química de precisión de cada etapa. Los premios de estas tres personas conforman, en conjunto, el corazón del libro de texto sobre metabolismo celular.

Resumen de Theorell (1955): Establecimiento de la metodología para purificar enzimas redox en forma cristalina. Purificación por cristalización y determinación de la estructura y función de la flavoenzima, la alcohol deshidrogenasa (ADH) y la mioglobina. Esta química de precisión constituye el andamiaje teórico de la enzimología clínica actual, el metabolismo del alcohol y el diagnóstico de enfermedades mitocondriales.

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