Reacciones cotidianas

De la batalla contra la covid-19 a la leche enriquecida, cómo la química está presente en nuestro día a día

José Manuel López Nicolás

• Editorial: Shackleton Books
• Año: 2020
• ISBN del libro electrónico: 9788418139581
• Categoría: Ciencias físicas
• Categoría: Ciencia medioambiental

Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos, la química está presente, de una forma u otra, en todos y cada uno de nuestros actos. Reacciones cotidianas no es un libro convencional de química. A pesar de que en él se tratan muchos de los principios fundamentales de esta importantísima disciplina científica, la forma de abordarlos se aleja de la tradicional. En él se analizan muchas de las aplicaciones que la química tiene en nuestras vidas a través de una serie de historias reales: las de los premios Nobel que han luchado contra el cáncer, las avispadas estrategias de marketing de las empresas de alimentación, los casos más mediáticos de dopaje o la creciente quimiofobia. Porque la química forma parte de nuestro día a día, es necesario saber qué información sobre ella es cierta y cuál es fruto de mitos y leyendas. Ningún modo mejor que este libro para conocer la verdad.

Química y medicina:
un matrimonio bien avenido

Sin duda, la química está muy presente en el ámbito de la salud y, más concretamente, en el de la medicina. La encontramos en el desarrollo de nuevos fármacos, en los más innovadores equipos utilizados para combatir graves enfermedades, en los plásticos con los que se elaboran jeringuillas, en prótesis o bolsas de sangre, en los productos de limpieza, en las fibras de la ropa de quirófano, etcétera. En las próximas páginas repasaremos cuatro apasionantes historias que relacionan la química y la medicina.

Guerra, química y cáncer de tiroides

Elegir el momento más trascendental de todos los acontecidos durante la Segunda Guerra Mundial es una tarea casi imposible. Hubo muchos. Sin embargo, no creo que nadie ponga en duda que el lanzamiento por parte de Estados Unidos de dos bombas atómicas sobre las ciudades de Hiroshima y Nagasaki el 6 y el 9 de agosto de 1945, respectivamente, fue crucial en el desenlace de la contienda. Días más tarde, Japón se rindió incondicionalmente.

Detrás de aquellas dos bombas se escondía el Proyecto Manhattan, liderado por Estados Unidos y en el que también intervinieron el Reino Unido y Canadá. En él participaron numerosos investigadores de renombre mundial dirigidos por el físico estadounidense Julius Robert Oppenheimer.

Algunos de los científicos participantes en el Proyecto Manhattan: Enrico Fermi, Edward Teller, John von Neumann, Richard Feynman, Robert Oppenheimer y Hans Bethe.

El objetivo final del proyecto, que se gestó a partir de una carta enviada por Albert Einstein al presidente Roosevelt donde le advertía de que la energía liberada por la fisión nuclear podía ser utilizada por los alemanes para la producción de armamento, era el desarrollo de la primera bomba atómica. Tras una frenética carrera que duró 2 años 3 meses y 16 días, y en la que el Proyecto Manhattan se impuso al Proyecto Uranio de la Alemania nazi, que perseguía el mismo objetivo, el 16 de julio de 1945 tuvo lugar en Alamogordo (Nuevo México) el exitoso test Trinity, la primera prueba de Estados Unidos de un arma nuclear.

¿Qué son los isótopos?

Los isótopos químicos son los átomos de un mismo elemento cuyos núcleos tienen igual número atómico Z (número de protones en el núcleo) y diferente número másico A (suma de los neutrones y protones del núcleo). Los distintos isótopos de un elemento difieren, pues, en el número de neutrones. A modo de ejemplo, el uranio tiene tres isótopos: el uranio-238 posee 92 protones + 146 neutrones; el uranio-235 tiene 92 protones + 143 neutrones; y el uranio-234 consta de 92 protones + 142 neutrones.

Pocos días más tarde dos bombas atómicas bautizadas como Little Boy y Fat Man fueron detonadas, respectivamente, sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. Little Boy estaba basada en el U-235, un isótopo bastante raro que debe ser separado del isótopo más común del uranio, el U-238, que no es adecuado para la fabricación de bombas atómicas. Por el contrario Fat Man utilizó plutonio Pu-239.

Fisión y fusión nuclear

Antes de continuar hay que explicar las diferencias entre las bombas atómicas (bombas A) arrojadas sobre las dos ciudades japonesas, y las bombas de hidrógeno (bombas H), de actualidad tras los hechos acontecidos en Corea del Norte a principios de 2016. La principal diferencia es que las bombas A tienen su fundamento en el proceso de fisión, en el que los núcleos de los átomos de sustancias como el uranio-235 o el plutonio-239 se dividen en átomos más pequeños para liberar energía. Por el contrario, las bombas H se basan en un proceso inverso, la fusión, donde los núcleos de los átomos de dos componentes del hidrógeno —deuterio y tritio— se unen para formar núcleos más grandes. A diferencia de la fisión, el proceso de fusión puede realizarse infinitas veces, por lo que la potencia que se puede alcanzar es muy superior. Para tener una medida de la magnitud de una explosión termonuclear, se podrían tomar como referencia los ejemplos de Hiroshima y Nagasaki. La bombas que se lanzaron en 1945 sobre estas dos ciudades tenían una potencia estimada de entre 15 y 20 kilotones (un kilotón equivale a la energía liberada por la explosión de mil toneladas de trinitrotolueno —TNT—). El explosivo más potente que se ha lanzado en la historia de la humanidad fue una bomba de hidrógeno, la conocida como Bomba del Zar, detonada a modo de prueba por la Unión Soviética en el mar de Barents en 1961. Alcanzó los 50 000 kilotones (o lo que es lo mismo: 50 megatones).

Obsérvese que en el período 7 se incluyen los elementos 89-103, el grupo de los actínidos.

En la gran mayoría de libros de historia se puede leer como, además del citado Oppenheimer, en el Proyecto Manhattan participaron científicos de la talla de Niels Böhr, Enrico Fermi, Ernest Lawrence, Luis Walter Álvarez, Hans Bethe, John von Neumann y muchos más. Sin embargo, pocas veces sale a relucir uno de los más grandes científicos de la historia: el físico atómico y nuclear estadounidense Glenn Seaborg.

Glenn Seaborg, padre de los actínidos

Glenn Seaborg fue consejero científico sobre energía nuclear de diez presidentes estadounidenses, desde Truman hasta Clinton, y su contribución al Proyecto Manhattan fue esencial. En 1941, después de que él y sus colaboradores de la Universidad de California, en Berkeley, produjeran el elemento 94, el plutonio, Seaborg fue reclutado por Robert Oppenheimer. Entre 1942 y 1946 estuvo al mando de la investigación sobre física y química nuclear en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago. Su papel estaba claro: colaborar en el diseño de la bomba que fue arrojada sobre Hiroshima. Concretamente, Seaborg y sus colaboradores produjeron suficiente plutonio 239 para fabricar Fat Man.

Glenn Seaborg.

Tras su papel en el Proyecto Manhattan, Seaborg regresó a su querida Universidad de California, en Berkeley. A lo largo de su carrera participó en el descubrimiento de, ni más ni menos, diez elementos químicos: plutonio, americio, curio, berkelio, californio, einstenio, fermio, mendelevio, nobelio y el seaborgio, elemento bautizado con dicho nombre en su honor.

Además, desarrolló el concepto de elemento actínido y fue el primero en proponer la serie que, como a tantos otros estudiantes, me llevó por la calle de la amargura durante mi paso por la Facultad de Química de la Universidad de Murcia. Estamos hablando de la actínida. Los actínidos son un grupo de elementos que forman parte del período 7 de la tabla periódica. Estos elementos, junto con los lantánidos, son llamados elementos de transición interna o elementos del bloque f (por tener sus electrones de valencia en el orbital f). El nombre de la serie actínida procede del elemento químico actinio, incluido habitualmente dentro de este grupo, lo que da un total de 15 elementos, desde el de número atómico 89 (el actinio) al 103 (lawrencio).

Tras años investigando en estos elementos, Glenn Seaborg recibió en 1951 el Premio Nobel de Química por sus «descubrimientos en la química de los elementos transuránicos».

¿Qué relación tienen los descubrimientos químicos de Glenn Seaborg con la medicina? Mucha. Este físico nacido en Michigan tuvo un papel fundamental en el descubrimiento del yodo-131 (I-131).

El radioisótopo I-131 es un isótopo radiactivo del yodo descubierto por Glenn Seaborg y John Livingood que procede de la fisión nuclear del uranio y del plutonio. Es un elemento altamente inestable que emite radiaciones beta (90 %) y gamma (10 %),⁷ con una vida media de desintegración radiactiva (el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de un radioisótopo) de 8,02 días. ¿Y tiene que ver algo el I-131 con el cáncer de tiroides? Todo.

El cáncer de tiroides es un tumor o crecimiento malignizado localizado dentro de la glándula del mismo nombre y derivado de células tiroideas. A pesar de que es el cáncer endocrinológico más común (representa poco más del 1 % de todas las neoplasias —masa anormal de tejido—), presenta una baja incidencia (se diagnostican alrededor de 3000 casos cada año). Sin embargo, cada vez se detectan más y se ha convertido en el tumor que más crece en incidencia.

Diagrama de la vida media de desintegración radiactiva (el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de un radioisótopo) del I-131.

Una vez detectado el cáncer, la primera decisión suele ser extirpar la glándula tiroidea mediante una tiroidectomía. A continuación se administra una pastilla vía oral de I-131 para destruir las células tiroideas remanentes en el organismo y destruir posibles focos microscópicos de células cancerígenas, ya que las radiaciones beta emitidas por el radioisótopo descubierto por Glenn Seaborg tienen capacidad para provocar la muerte de las células a las que irradia. Es necesario recordar que, al ser ionizantes, las radiaciones beta tienen un alto poder de penetración (aunque menos que las gamma). Son radiaciones con la energía necesaria para arrancar electrones de los átomos y pueden provocar reacciones y cambios químicos en la materia con la que interaccionan.

Al tragar la pastilla de I-131, este es absorbido hacia el torrente sanguíneo en el tracto gastrointestinal, que lo conduce hasta la glándula tiroides, donde comienza a destruir las células que la componen. Como esta es la única glándula capaz de retener el I-131, el resto de células del organismo no se ven afectadas por este radioisótopo. Aunque las dosis administradas dependen de varios factores, habitualmente se emplean 100 milicurios (mCi) para los tumores localizados, 150 mCi cuando hay compromiso regional y 200 mCi o más en presencia de metástasis a distancia.

Para evitar la exposición de otras personas a la radiación, los pacientes a los que se les administra I-131 suelen pasar entre 24 y 48 horas aislados en habitaciones plomadas. Durante ese tiempo, el I-131 que no es concentrado por las células tiroideas es eliminado del cuerpo a través del sudor y la orina. Una vez en casa estos pacientes deben seguir durante unos días una serie de recomendaciones para que las personas cercanas no tengan ningún problema.

¿Y el tipo de tratamiento descubierto por el premio Nobel de Química de 1951 protagonista de este capítulo es efectivo? Lo es. Afortunadamente las estadísticas muestran que la mayoría de los cánceres de tiroides se eliminan totalmente con cirugía y el posterior tratamiento con I-131. De hecho, ¿saben quién fue una de las primeras personas afectadas por cáncer de tiroides que se benefició del yodo radiactivo? Ni más ni menos que la madre de Glenn Seaborg, el descubridor del I-131. Años más tarde del descubrimiento de Seaborg, a su madre se le detectó un cáncer de tiroides que fue curado gracias a las investigaciones de su hijo.

La química, al igual que el resto de disciplinas científicas, no es «mala» ni «buena». Todo depende del uso que se le dé. Los mismos principios científicos que pueden desencadenar grandes catástrofes mundiales sirven para salvar la vida a millones de personas. El ser humano tiene la última palabra.

La química computacional y el desarrollo de nuevos fármacos

La química «tradicional» está detrás del tratamiento médico de muchas enfermedades graves, pero también «la química computacional», una de las más modernas aplicaciones dentro de la disciplina, está ayudando en el desarrollo de nuevos fármacos. La química computacional, por ejemplo, puede llegar a reducir el riesgo de muerte por trombosis. En esta ocasión, nuestros protagonistas son el austríaco Martin Karplus, el sudafricano Michael Levitt y el israelí Arieh Warshel, galardonados por la Real Academia de Ciencias de Suecia con el Premio Nobel de Química 2013 por el «desarrollo de modelos multiescala de sistemas químicos complejos».

Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel recibieron en el año 2013 el Premio Nobel de Química por el «desarrollo de modelos multiescala de sistemas químicos complejos».

La trombosis es un proceso patológico por el que un agregado de plaquetas o fibrina —proteína con la capacidad de formar mallas que aglutinan plaquetas— ocluye un vaso sanguíneo, lo que puede tener consecuencias fatales. Uno de los tratamientos más empleados para prevenir los coágulos de sangre, redu...

Índice

• ¿Hay química en nuestras vidas?
• Moda, aseo y belleza: la química inteligente
• Un alquimista en la cocina
• Las dos caras de la química en el deporte
• Mitos y realidades de famosos compuestos químicos
• Quimiofobia y pseudociencia
• Química y medicina: un matrimonio bien avenido
• La Covid-19 y la ciencia en abierto
• Epílogo
• Apéndices
• Sobre el autor