La Batalla por la supervivencia

Paola Fuquene.Jaime Felipe GrajalesJency Leonel Cruz

La Batalla por la supervivencia

Autores: Paola FuqueneJaime Felipe GrajalesJency Leonel CruzLEONEL CAIME

IntroduccinEste libro se realiz con el fin de retomar algunos conceptos importantes para los estudiantes de Bachillerato del Colegio Francisco de Paula Santander especialmente grado 10. La Qumica se ha vuelto algo metodolgico, lo que ha ocasionado en los estudiantes algunos disgustos frente a la misma, esto se debe por la manera de asimilar cada uno de los conceptos. Este material se basa en la pelcula Los juegos del hambre, una saga que se ha caracterizado por tener un gran xito en la audiencia, el propsito consiste en incentivar a los estudiantes de grado decimo a travs de sus diferentes historias, donde se adaptara esta obra de la mejor manera. En este libro se abordaran diferentes temticas que generalmente se desconocen o no se entienden en su totalidad. El estudiante tendr la capacidad de reflexionar y asimilar algunos hechos Cientficos, identificndolos en un contexto social, viendo as la utilidad de la Qumica, generando un pensamiento crtico y constructivo frente a esta disciplina.

Captulo I: Bienvenidos a los Juegos de la Supervivencia

Hola soy un chico cuya edad no me atrevo decir, estoy atrapado, me dicen que podra morir. Las causas son desconocidas, esto me hace sentir mucho miedo, los doctores dicen que posiblemente no podra sobrevivir por mucho tiempo. Pero Por qu?

No quiero hablar ms de mi vida, es hora de hablar la batalla en la que actualmente est mi cuerpo. Es un gas que aparentemente no vemos, pero sus consecuencias son letales, de por cierto saban que un promedio del 40% de personas estn muriendo a causa de esto. Cul ser este gas? Por qu ocasiona este dao? Son temticas que les relatare de la mejor manera posible.Como se sabe el cuerpo est constituido por sistemas, que funcionan de manera conjunta para dar el funcionamiento del cuerpo; cada sistema contiene rganos con una funcin especfica que en conjunto el cuerpo se beneficia. Cada rgano tiene un mundo asombroso, usted no se lo podra imaginar los tejidos que los forman cada rgano, ni imaginar la clula y su composicin. Esto es asombroso, mira aqu esta. Pero estos sistemas se estn perturbando por las condiciones a las que nos exponemos a diario.

Figura 1. Tejido adiposo y clula animal(Fuente:http://escuela.med.puc.cl/paginas/cursos/segundo/histologia/histologiaweb/paginas/co17228.html)Te voy hablar de algunas problemticas que estn generando estos gases que resultan ser nocivos para nosotros, aunque se usan a diario y sera imposible reemplazarlos. Todos hoy en da hablan de contaminacin, pero nadie hace algo al respecto. La concentracin de gases que se estn almacenando en la atmosfera es grandsima, estos pueden ser generalmente CO2 (350 partes por millon), N2 (35 millones de toneladas por ao), compuestos del fosforo (11 millones de toneladas por ao) (FEATURE, 2009)Tal vez no percibas estos gases pero si los inhalas podra causar una serie de consecuencias, como la intoxicacin que provocan daos temporales o permanentes en el cuerpo. Adems, los daos ambientales son gravsimos tanto as que ya se han establecido limites para cada uno de los gases anteriormente mencionados. Los ambientalistas estn en una constante disputa con la industrializacin, pero por ms que estas personas colaboran con lo que est a su alcance se pueden encontrar intereses de por medio. Se han tomado imgenes que permiten visualizar los que actualmente est sucediendo, les advierto no es ficcin.

Figura 2. Problemticas Industrializacin Fuente: ( mariannebiologia.blogspot.com)Actualmente la gente est en una constante disputa, entre ellos mismos y el estado ambiental, algo que posiblemente podra cambiar si unificamos nuevas ideas para beneficiar y no para perjudicar. Estos gases se estn expulsando constantemente a la atmosfera, especialmente el CO2. Los automviles cada da expulsan toneladas de estos, adems el CO es unos de los gases que mas son expulsados a la atmosfera, por ende los ms contaminantes. La gasolina pasa por un proceso dentro del automvil donde se toma como recurso aire fresco y agua, estos componentes nunca deben hacer falta dentro de este. Un automvil tiene una eficiencia muy baja 35 %, lo predice una combustin incompleta (Ustedes se deben estar preguntando Qu es una combustin incompleta? Ms adelante te lo explico) liberacin de CO, aunque lo ideal sera que este expulsara Agua y Dixido de carbono. Muchas personas quedan atrapadas quedan atrapadas dentro de un auto inhalando esta cantidad de gases txicos, por lo cual mueren o quedan con un trastorno celebral por falta de oxigeno en el cuerpo. Aunque esta eficiencia se ha tratado de buscar en los nuevos Carros con el fin de que se produzcan los productos respectivamente, pero a travs de principios los Termodinmicos una maquina no tiene una eficiencia de 100 %. (Cengel, 2009, pg. 125). Los carros generalmente liberan carbono puro, lo que fcilmente se puede visualizar en las calles, cuya apariencia torna oscura. Hasta aqu les he hablado de los factores externos, los cuales estn en constante cambio, pero hay muchas cosas que me gustara considerar sobre lo VIVO. Sabias que hay algunos elementos de la tabla peridica que son esenciales para la vida Carbono, Hidrogeno, Oxigeno, Nitrgeno y Fosforo (CHONP) cada uno de ellos se enlaza de tal forma que se logran sintetizar molculas y as sucesivamente. Estas molculas son el esqueleto de la vida, sin ellas no se conoce todo lo que se logra visualizar. La gran mayora de compuestos que se conocen estn sujetos por las propiedades qumicas del Carbono, este elemento es la base de todo lo que se conoce y de lo desconocido, se debe a su tetravalencia (su gran poder para enlazarse con tomos de Carbono) le permite que se sinteticen una serie de cadenas del mismo. Algo que resulta primordial es hablar de la clula, la cual es una agrupacin de Azucares, Protenas, Lpidos, entre otras lo cual la constituyen. El ADN es la que est en el ncleo de cualquier clula, este tiene la informacin gentica que pertenece a cada individuo, lo que permite hacer diferencias entre los seres vivos. El ADN se encarga de entregar el material gentico, este es nico para cada individuo. Increible No!, el mundo microscpico es impresionante, me gusta interesarme muchsimo sobre este mundo, aparentemente intangible. El cuerpo constantemente lidera una lucha interna, donde unos pocos salen ganando y otros lamentablemente pierde haciendo venir calamidades. Ahora estoy en el puesto de los posibles perdedores, pero aun no me quiero rendir esta lucha la tengo que ganar. Los mdicos estn haciendo lo posible por ayudarme, dndome suministros y chequeos que me estn permitiendo sentir muy bien. Para saber quin es mi enemigo, debes conocer porque este se comporta de esta forma y las consecuencias que este podra desencadenar.

Captulo II: Identificando el enemigo parte i

Hoy mi cuerpo se prepara para la primer batalla campal en la que solo quedara el mejor la estrategia y la inteligencia van de la mano, en el campo de batalla se sabr quin es el mayor enemigo. Pero antes de iniciar te dar un prembulo para que conozcas lo que suceder.El proceso evolutivo me ha permitido la adaptacin de las especies a cambios ambientales, para satisfacer mis necesidades fisiolgicas y metablicas. La mayora de las especies en general han desarrollado complejos sistemas que permiten captar, metabolizar y distribuir los nutrientes y la energa necesaria para cada clula. Tambin han desarrollado mecanismos que median la excrecin de residuos. Uno de estos sistemas es un campo enorme de complejidad se llama el sistema circulatorio, que a travs de un enorme rio llamado sangre distribuye los nutrientes y recoger los desechos del metabolismo.

El O2 es un hombre que nada por este rio y se encarga de realizar varios procesos en el metabolismo celular, para lo cual debe ser llevado desde los pulmones hasta los tejidos. Sin embargo, su naturaleza gaseosa apolar le confiere poca solubilidad en soluciones acuosas en las cuales tendera a producir burbujas que en el caso de nuestro organismo le impedira llegar hasta los tejidos. De igual forma se encuentra otro hombre llamado CO2, que es integrante en uno de los principales productos de desecho del metabolismo celular, es un gas que por las mismas razones que el oxgeno, es insoluble en medio acuoso, pero que debe ser transportado hasta los pulmones para ser excretado , ooh quien se iba imaginar esto!

El organismo obvia estos problemas utilizando un escolta (molcula proteica) que posee afinidad por los dos gases de tal forma que puede transportarlos hasta los sitios requeridos bien para su utilizacin o expulsin. Esta escolta, es una hermosa mujer llamada hemoglobina presente en el campo de los eritrocitos, y que como se indic tiene la capacidad para fijar O2 en los pulmones y liberarlo a nivel tisular, constituyendo un claro ejemplo de unin reversible de una protena a un ligando; as mismo, ella tiene la capacidad de llevar parte del CO2 de los tejidos a los pulmones para su excrecin. Esta reversibilidad de la unin amorosa entre la hemoglobina y el oxgeno es aprovechada por el organismo para captar pero tambin para separar el oxgeno a nivel tisular. En este proceso intervienen otros como el pH, las presiones parciales de O2 y CO2, la cooperatividad de estos dos hombres para que se genere la unin con la hemoglobina, los cambios conformacionales que la hemoglobina debe sufrir para ejercer su funcin, las concentraciones de bifosfoglicerato (BPG) y an la presencia de otros hombres ms apuestos como el monxido de carbono que puedan competir por ella.

Figura 3.transporte del oxigenoFuente:(http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/enfermeria/2005359/contenido/respiratorio/11_13.html)

El cuerpo de hemoglobina es perfecto est constituida por cuatro cadenas polipeptdicas (dos alfa y dos beta). Cada una de las cadenas, contiene un grupo prosttico, denominado hemo, el cual a su vez contiene un tomo de hierro, que por su estado de oxidacin tiene la capacidad de fijar reversiblemente una molcula de oxgeno por eso viven detrs de ella.

Cuando el O2 se une a la hemoglobina, se producen cambios conformacionales que modulan una mayor o menor actividad de la protena para unir o soltar el ligando, es un proceso de amor que se conoce como alosterismo . La afinidad de la hemoglobina por el oxgeno es dependiente de esta transicin conformacional que define dos estados denominados tenso (T) y relajado (R). En el estado T o de baja afinidad, la hemoglobina se encuentra desoxigenada, y las probabilidades de unin con el O2 son mnimas. El estado R o de alta afinidad, por el contrario, presenta una alta tendencia a fijar el O2. La transicin entre estos dos estados se encuentra determinada por el carcter cooperativo de la unin hemoglobina-oxgeno, sobre la cual influyen los factores anteriormente mencionados.

La hemoglobina viaja bastante transporta los dos principales productos de la respiracin celular, CO2 e H+, desde los tejidos hacia los pulmones y riones para su excrecin. Debido a que al igual que el oxgeno, el dixido de carbono es un gas apolar, requiere ser transportado como bicarbonato, aqu dejare de hablar y empezara la batalla el cual se formara a partir de la siguiente reaccin:

CO2+H2OH2CO3

H2CO3 H+HCO3

Esta reaccin es catalizada por la anhidrasa carbnica, una enzima particularmente abundante en los eritrocitos. Como la reaccin lo muestra, la disolucin del CO2 genera un aumento en la concentracin de iones H+, lo cual implica un descenso del pH; esta variacin del pH a su vez determina cambios de afinidad entre la hemoglobina y el oxgeno: a una alta concentracin de H+ y de CO2, como ocurre en los tejidos perifricos, la afinidad de la hemoglobina por el oxgeno decrece y entonces este es liberado. De manera contraria, cuando el CO2 llega a los pulmones y es excretado, el pH se eleva permitiendo un cambio conformacional en la hemoglobina y un aumento de su afinidad por el oxgeno dando lugar a que comience de nuevo el proceso de su transporte hacia los tejidos.

En la reaccin (2), se evidencia la dependencia que el proceso de oxigenacin y desoxigenacin de la hemoglobina tiene de la concentracin de iones hidrgeno en el medio celular. De acuerdo con la reaccin, y como consecuencia del metabolismo, cuando aparecen en los tejidos los iones hidrgeno causando descensos del pH, la hemoglobina suelta el oxgeno y se protona emprendiendo de nuevo su viaje a los pulmones para reiniciar el proceso de captacin de oxgeno.

Es pertinente aclarar, que la unin del oxgeno y de los protones a la hemoglobina, ocurre en sitios diferentes: mientras el O2 se fija al Fe++ del grupo hemo, los H+ lo hacen a diferentes residuos aminoacdicos de la protena, especialmente a la histidina. La fijacin H+ a la His146, permite la estabilizacin del estado T de la hemoglobina, propiciando la actividad cooperativa de esta protena para la unin del oxgeno. Una pequea cantidad de CO2 es fijada a los extremos -amino en forma de carbonato, produciendo un efecto inverso sobre la afinidad hemoglobina - oxgeno- (2).

Captulo II: Identificando el enemigo parte 2

Otro aspecto que debe tenerse en cuenta, es el efecto de disminucin de la afinidad de la hemoglobina por el oxgeno como consecuencia de su interaccin con el atrevido 2,3-bifosfoglicerato (BPG), un compuesto presente en concentraciones relativamente altas en el eritrocito. Esta molcula, cargada negativamente, se une a la protena por interaccin con aminocidos cargados positivamente dispuestos en una cavidad formada entre las sub unidades cuando la protena tiene la conformacin T. Cuando la protena pasa al estado R, se produce un cambio conformacional que evita la unin del BPG a la Hb. Cuando el BPG est ausente, se favorece la conformacin R de la hemoglobina. El proceso de unin de la hemoglobina al 2,3 bifosfoglicerato, se muestra en la reaccin (3)

HBPG+O2=HBO2+BPG

Por ejemplo, ha sido evidente que nuestros compaeros de la Costa experimentan una sensacin de ahogo al llegar a Bogot y desde luego surge la pregunta Por qu ocurre esto? Nos hemos preguntado tambin Qu sucede cuando una persona es expuesta a altas concentraciones de CO2 en un recinto cerrado como ocurre diariamente cuando nos desplazamos de nuestras casas a la universidad en buses que transitan atestados de personas y completamente cerrados?Este estado de sueo podra tratarse de un mecanismo de adaptacin para minimizar el consumo de oxigeno?

Cuando las personas que llegan a Bogot procedentes de la costa y de otras partes del pas de menor altitud, sienten que les falta el aire, se cansan muy rpido, no pueden realizar los esfuerzos fsicos que antes hacan con facilidad, en otras palabras, literalmente se ahogan. Este fenmeno tiene una clara explicacin bioqumica: el cambio en la presin atmosfrica derivado del aumento en la altitud reduce la disponibilidad de O2 y por lo tanto se hace necesario disponer de una mayor cantidad de molculas transportadoras que faciliten la llegada de oxgeno a los tejidos perifricos. Ante la disminucin de la disponibilidad de oxgeno y puesto que el organismo necesita optimizar su funcionamiento, se genera una importante respuesta adaptativa relacionada con las concentraciones de hemoglobina y de BPG. El organismo consigue esto a travs de una mayor produccin de eritrocitos en la mdula sea.

Sabemos que la presin atmosfrica es inversamente proporcional a la altura, y por ello, en ciudades como Santa Marta (2 msnm) hay mayor pO2 que en Bogot (2600 msnm ). A nivel del mar no se necesitan altas concentraciones de hemoglobina que transporten el O2, ni de bifosglicerato (BPG) que regule su liberacin en tejidos para satisfacer la demanda. El cambio abrupto en la presin atmosfrica al llegar a Bogot, hace que la pO2 sea menor disminuyendo su disponibilidad, por lo cual el O2 que el organismo es capaz de transportar con la concentracin de hemoglobina que se posee a nivel del mar es insuficiente, y como consecuencia, la cantidad que llega a los tejidos tambin va a ser baja. Esta situacin se refleja en la sensacin de fatiga permanente la cual se acenta al hacer cualquier tipo de esfuerzo fsico.

Como se discuti anteriormente, el BPG es un modulador alostrico de la unin hemoglobina- oxgeno, es decir, se une a la Hb disminuyendo su afinidad por el oxgeno al facilitar la transicin del estado R al estado T a nivel tisular. Al llegar a ciudades como Bogot, la liberacin de O2 en los tejidos disminuye en una cuarta parte, alcanzando un mximo del 30%. Como consecuencia, las concentraciones de BPG aumentan, con el fin de que se reduzca la afinidad de la hemoglobina por el O2, haciendo que de nuevo se libere a nivel tisular un 40% del oxgeno transportado. Esto se revierte al volver al nivel del mar.

Esta respuesta adaptativa vara de persona a persona, dependiendo de sus hbitos y su estado fsico, as como de la capacidad pulmonar que posea. Los bogotanos, quienes ya estn habituados a la baja pO2, presentan elevadas concentraciones de hemoglobina. Sin embargo, independientemente del tiempo que se lleve en la altura, la baja disponibilidad de oxgeno se evidencia al realizar ejercicios fsicos prolongados.

La unin de la hemoglobina al oxgeno es un ejemplo de unin reversible protena-ligando, la cual est determinada por diversos factores que alteran el grado de afinidad. El ahogo que sufren las personas que vienen de la Costa es normal, y desde la bioqumica no es otra cosa que la deficiencia de oxgeno en los tejidos perifricos causada por la baja presin de oxgeno y la baja concentracin de protena transportadora para captar todo el oxgeno requerido, como ya se explic.

Ahora bien qu sucede con el equilibrio qumico cuando una persona se encuentra expuesta a una elevada concentracin de CO2? En el evento de que una persona se encuentre sobre expuesta al gas CO2 (como podra suceder en un bus urbano), y la concentracin de ste supere los niveles permitidos en el aire, es decir, en concentraciones que impliquen riesgo de toxicidad, podra predecirse que la cantidad de stos compuestos en los alvolos tendera a aumentar tambin.

Un aumento en la presin de CO2 en los alvolos pulmonares, le permite a este gas te ner una mayor solubilidad en el agua, desde luego en un proceso ayudado por la enzima anhidrasa carbnica, dando lugar a la formacin de cido carbnico H2CO3, el cual se disocia en iones hidrgeno y bicarbonato como ya se mencion (reaccin 1) (2, 4).

Es importante tener en cuenta cmo esta mayor presencia de CO2 en el organismo, y las variaciones que se originan en la concentracin de iones hidrgeno, influyen directamente en otros eventos como por ejemplo los cambios de estructura de las protenas, en este caso la hemoglobina, alterando los mecanismos normales de transporte tanto del oxgeno como del gas carbnico. Anteriormente se enunci, que los cambios en la conformacin de la parte proteica de la hemoglobina, son crticos con respecto a la afinidad que la protena presenta por el O2 (2).

Estos cambios permiten que la hemoglobina pueda adaptarse eficazmente a diferentes ambientes de presin y pH. A pH bajos, sta tiende a protonarse con lo cual se modifican algunos enlaces intramoleculares responsables de la afinidad de la protena por el CO2. Este proceso adems de contribuir a evacuar el CO2, permite ejercer una accin amortiguadora en el equilibrio cido-base a nivel tisular (4).

Tambin es importante agregar que el pH en los pulmones es aproximadamente de 7.6 mientras que en los tejidos es aproximadamente de 7.2. Esto explica por qu la hemoglobina capta con mayor facilidad el O2 en los pulmones y lo libera ms fcilmente en los tejidos, en los que hay mayor concentracin de iones hidrgeno. La parte ms interesante de la discusin est relacionada con el hecho de que la hemoglobina proveniente de zonas perifricas que llega a los pulmones necesita encontrar unas condiciones de presin y pH precisos para descargar el CO2 y los iones hidrgeno que trae desde los tejidos perifricos. Es precisamente ah donde juega un papel muy importante el hecho de que la concentracin de CO2 en los alvolos pueda encontrarse en niveles anormales.

Los hidrogeniones que se produciran por el exceso de CO2, tericamente le impediran a la hemoglobina descargar total o parcialmente el gas, impidiendo los cambios conformacionales que conduciran la macromolcula al estado R (de alta afinidad por el O2). La manera como el sistema nervioso se ve afectado por una deficiencia de O2 no se describe puesto que se escapa a los objetivos de este texto.

La accin que ejercen los mecanismos amortiguadores para regular el pH, evita que ste disminuya significativamente (2, 3, 4). Sin embargo, una baja cantidad de hemoglobina oxigenada en la sangre que llega al cerebro, puede llevarnos a perder la conciencia, debido a la sensibilidad de ste a los cambios de O2 y/o a una intoxicacin si este estado se torna permanente. El adormecimiento que se siente en un largo recorrido en un bus urbano saturado de CO2 puede explicarse de la misma forma.

En el caso de la exposicin del nio al monxido de carbono emitido por la combustin incompleta del vehculo cuando este es encendido, el gas compite con el oxgeno por la unin a la hemoglobina con ventajas apreciables debido a que la protena tiene una afinidad mucho mayor por el monxido como ya se cit anteriormente. El monxido de carbono al formar la carboxihemoglobina captura aquellas molculas de hemoglobina que estaban disponibles para unir oxgeno. Adicionalmente, tambin afecta la afinidad de las sub unidades remanentes de Hb por el oxgeno. Es decir cuando el CO se une a una subunidad del tetrmero de hemoglobina, permite un aumento sustancial en la afinidad por el oxgeno en las subunidades remanentes de tal forma que un tetrmero de Hb que tenga dos molculas de CO unidas puede tambin unir oxgeno eficientemente en los pulmones pero lo libera muy poco en los tejidos. Esta situacin llega rpidamente a tener las consecuencias cuyo grado de severidad depender de la magnitud y tiempo de exposicin.

El CO, interacciona adems con la mioglobina, la protena encargada del almacenamiento de oxgeno en el msculo produciendo entonces problemas en rganos como el corazn.

A travs del anlisis de las tres situaciones descritas, se ha mostrado que la funcin transportadora de la hemoglobina es un claro ejemplo de cmo el organismo se las ha ingeniado para solventar el aporte permanente de O2 requerido para sus funciones y cmo los procesos ligados al metabolismo no seran posibles sin una protena con las propiedades bioqumicas de la hemoglobina. Adicionalmente, para nosotros los estudiantes, el aprendizaje de la Bioqumica, se ha hecho ms sencillo en la medida en que hemos tenido la oportunidad de adquirir habilidades para aplicar los conceptos a la explicacin de sucesos de la vida cotidiana.

BIBLIOGRAFIAS

1. Thomas M. Devlin, Bioqumica Libro de texto con aplicaciones clnicas. Cuarta edicin, Barcelona. Editorial Revert, Barcelona-Espaa; 2004. [ Links ]2. David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry.Fourth edition, United States of America.W.H. Freeman and Company, New York; 2005.[ Links ]3. Andrew Durward and Ian Murdoch.Understanding acid-base balance. Current Pediatrics; 2003 (13): 513-519. [ Links ]4. Jonathan Greenbaum, Mahesh Nirmalan. Acid-base balance: The tradicional approach. CurrentAnaesthesia&CriticalCare; 2005 (16): 137-142.

El libro busca relatar la historia de un nio que tiene 14 aos, el tiene un gran sentido investigador y grandes facilidades para explicar un tema determinado. Hoy se encuentra hospitalizado debido a la inhalacin de Monxido de Carbono dentro del carro de su Pap, los doctores estn buscando una posible cura para esta intoxicacin. Mientras espera la respuesta de los Mdicos est contando los factores que posiblemente pudieron haberle afectado y como estos se encargaron de desencadenar una guerra dentro de su cuerpo.