Plantas para producir medicamentos

Plantas y hombres, historia de los medicamentos

Medicamentos derivados de las plantas (60 000 a.C)

En su búsqueda de fuentes de alimentación en nuevos entornos, nuestros antepasados humanos primitivos probaban las plantas que encontraban, un proceso de ensayo y error. La planta podía producir miedos, graves efectos tóxicos o incluso la muerte, en función de la cantidad ingerida. También podía aliviar al hambre, el dolor, la fiebre o el estreñimiento del recolector. Con el tiempo y la experiencia aprendieron que partes de la planta, que cantidad y que especie vegetal producía un efecto u otro (aparición de los curanderos).

La OMS (Organización Mundial de la Salud) estima que, en la actualidad, entre el 75 y el 80% de la población mundial utiliza medicamentos derivados de plantas de forma exclusiva o parcial. Gracias a los avances en el aislamiento y la purificación de los principios activos de las plantas, desde el siglo XIX las sustancias químicas derivadas, de composición, pureza y dosis conocidas, han desplazado en buena medida a las plantas en la medicina occidental. No obstante, muchos fármacos en la medicina moderna son extractos o derivados de las plantas, como la morfina, la codeína, la aspirina (analgésico), la atropina (para exámenes oculares), la digoxina (para la insuficiencia cardíaca), la quinina (para la malaria), la cocaína (anestésico local), la warfarina (anticoagulante), la colchicina (para la gota). y el Taxol y la vinblastina (para el cáncer).

Productos transgénicos, el caso del trigo

Ventajas e inconvenientes de los cultivos transgénicos

El trigo, sustento de la vida (11 000 a.C)

El trigo fue uno de los primeros productos cultivados y almacenados a gran escala, básico para la transformación de los cazadores - recolectores en agricultores y clave en el establecimiento de ciudades - Estados. El trigo crecía originariamente en estado salvaje en el Creciente Fértil de Oriente Medio y el sudoeste asiático. Las pruebas arqueológicas sitúan los orígenes del trigo en gramíneas silvestres como el farro (Triticum dicoccum) y el carraón (Triticum monococcum). Era un híbrido natural, resultado de la polinización cruzada de cereales (maximización de cualidades), entendiendo mejor la genética mendeliana.

En décadas recientes se han utilizado bacterias para transferir información genética a fin de producir trigo transgénico. Esos cultivos transgénicos se han concebido para producir mayores cosechas con una menos necesidad de nitrógeno y ofrecer un mayor valor nutritivo. En 2012 se descifró el genoma del trigo blando, y se descubrió que tenía 96000 genes. Esto supone un paso importante para la producción de trigo genéticamente modificado, en el que se pueden insertar propiedades específicas en locus (lugar del genoma) concretos de los cromosomas del trigo.

El origen del perro

La domesticación de animales

La domesticación de los animales (10 000 a.C)

El animal domesticado más familiar, el perro (Canis lupus familiaris), es una subespecie del lobo (Canis lupis); los fósiles más antiguos muestran una escisión en su linaje hace unos 35000 años. Pinturas egipcias, esculturas asirias y mosaicos romanos muestran que, ya en tiempos antiguos, existían perros domésticos de múltiples formas y tamaños. Los cazadores - recolectores fueron los primeros en domesticar perros, pero su labor se ha ampliado desde entonces más allá de la caza para incluir el cuidado del ganado, la protección, el tiro de cargas, la ayuda a los cuerpos policiales y militares etc. Hace unos 10000 años también se domesticaron ovejas y cabras en sudoeste asiático (piel, lana y fuente de abono). Por otro lado, el antepasado del caballo (Equus ferus caballus) apareció hace 160000 años y se extinguió. Estudios confirman que su domesticación se remonte hace unos 6000 años a la zona occidental de la estepa euroasiática (Kazajistán). Durante el proceso de domesticación, aquellos primeros caballos se cruzaban regularmente con caballos salvajes para aprovechar su carne y piel, y más tarde desempeñarían un papel fundamental en la guerra, el transporte y el deporte.

El proceso de acidificación de los océanos

El proceso de blanqueamiento de los corales

EL proceso simbiótico entre algas y cnidarios (corales)

Los arrecifes de coral (8000 a.C)

Los corales, miembros del grupo de invertebrados Cnidarios (que también incluye a las anémonas de mar, las medusas y las hidras) son sésiles, es decir, no se pueden mover porque están sujetos al sustrato. Viven en colonias de individuos llamados pólipos. En la base, el pólipo secreta carbonato de calcio, que sirve como esqueleto fundamental de la colonia. Una colonia viva deposita carbonato de calcio de forma continua, con lo que la estructura va creciendo. Los corales residen en la superficie de dicha estructura, cubriéndola por completo. Los corales extienden sus tentáculos y capturas peces pequeños y plancton, entre otras presas.  Por otro lado, el coral mantiene una relación simbiótica con las algas (Zooxanthellae) que residen en el interior de los pólipos coralinos, donde llevan a cabo la fotosíntesis. Las algas proporcionan al coral energía y nutrientes a cambio de protección y la luz que necesitan para la fotosíntesis. Los arrecifes de coral se encuentran en aguas claras y poco profundas, donde los pólipos pueden recibir la luz, en climas tropicales y subtropicales. Si bien los arrecifes ya existían hace cientos de millones de años, durante el Cámbrico y el Devónico han padecido extinciones devastadoras. La mayoría de los arrecifes existentes en nuestros días se establecieron hace menos de 10000 años, cuando el deshielo de la última glaciación provocó un aumento del nivel del mar y una inundación generalizada de las plataformas continentales. 

Son diversos los factores ecológicos que amenazan la supervivencia de los arrecifes de coral. Las tensiones naturales, como los huracanes, suelen ser de corta duración. Más graves son algunas tensiones derivadas de la actividad humana, como los vertidos agrícolas de herbicidas, pesticidas y fertilizantes; los vertidos industriales; la contaminación de las aguas residuales con vertidos tóxicos; las prácticas pesqueras destructivas; y la explotación extractiva del coral. Se calcula que en el años 2030 el 90% de los arrecifes estarán en peligro de extinción, a menos que se emprendan acciones decididas para revertir el cambio climático y el aumento de la temperatura del mar, que provocan la decoloración del coral y la acidificación y contaminación de los océanos.

Exoesqueleto de quitina de los insectos

El esqueleto de carbonato de calcio de los corales

El sistema esquelético (180)

Los animales pueden tener dermatoesqueletos (exoesqueletos) o neuroesqueletos (endoesqueletos). Los exoesqueletos, a los que nos solemos referir con caparazones, sujetan los tejidos blandos y protegen de los depredadores, además de servir como punto de conexión con los músculos de locomoción. De igual modo, los exoesqueletos pueden ser órganos sensoriales, desempeñar una función en la alimentación y la evacuación, y, en el caso de los animales terrestres, constituir una barrera contra la deshidratación. La mayoría de los animales con caparazón aparecieron durante el Cámbrico, cuando se produjo un cambio súbito en la química del océano. La composición química de los exoesqueletos varía de una especie a otra. Los de los insectos, las arañas y los crustáceos contienen quitina, un polímero de glucosa similar a la celulosa. En el caso de los moluscos, el carbonato de calcio proporciona dureza y resistencia a las conchas, mientras que la sílice (dióxido de silicio) influye en el equilibrio de flotabilidad de las diatomeas microscópicas. Cuando un exoesqueleto se queda pequeño, crece uno nuevo debajo del antiguo, que se muda.

Los endoesqueletos son más duros que los exoesqueletos y permiten el crecimiento de animales más grandes. Aportan soporte (en especial a las esponjas y las estrellas de mar, que, sin él, no tendrían forma), protección y ayuda para el movimiento de los músculos locomotores. En los mamíferos, los huesos del endoesqueleto almacenan calcio, y la médula ósea produce los glóbulos rojos y blancos. Desde el punto de vista químico, el hueso está compuesto de hidroxiapatita de calcio (que proporciona rigidez) y colágeno, una proteína elástica. 

La obra de William Harvey, donde se describió la circulación de la sangre

La circulación sanguínea

Circulación pulmonar (1242)

El médico griego Galeno sabía que la sangre fría fluía por vasos sanguíneos, la clara por las arterias y la oscura por las venas, y que cada una tenía funciones distintas. Erróneamente creía que la sangre pasaba a través de las paredes del ventrículo derecho hacia la parte izquierda del corazón, donde tomaba aire para luego circular por todo el cuerpo, creencia que estuvo vigente durante casi 1000 años. 

En 1242 el médico árabe Ibn al - Nafis fue el primero en describir correctamente la circulación pulmonar de la sangre. Observó que no había poros entre las cavidades inferiores del corazón ni ninguna vía directa entre ellas. Así, propuso que la sangre fluía de la arteria pulmonar hasta los pulmones, donde se "mezclaba" con aire, para salir por la vena pulmonar hasta el lado izquierdo del corazón, desde donde se distribuía por todo el cuerpo. También predijo la existencia de poros entre la arteria y la vena pulmonar.

El teólogo y médico español Miguel Servet fue el primer europeo en describir con precisión la circulación pulmonar. 

Realdo Colombo, anatomista italiano que trabajó con Miguel Ángel, realizó importantes hallazgos en el ámbito de la anatomía, entre los que cabe destacar su descubrimiento del circuito pulmonar, hacia la década de 1550. Propuso que la sangre venosa (desoxigenada) circulaba del corazón a los pulmones, donde se combinaba con aire, y que luego volvía al corazón. El descubrimiento resultó fundamental para William Harvey, que en 1628 describió la circulación de la sangre en su obra De motu cordis. 

¿Cómo funciona el oído?

Los huesecillos del oído, cuya función es amplificar las señales sonoras

Mecanismo de funcionamiento de la membrana coclear

El sentido del oído (1521)

A diferencia de los sentidos del olfato, el gusto y la vista, el oído funciona mediante un proceso mecánico. Un objeto produce un sonido cuando vibra, normalmente a través del aire o del agua. Los sonidos, transmitidos como ondas, se caracterizan por su frecuencia (en hertzios), lo que se percibe como tono, y por su amplitud (tamaño de las ondas sonoras), lo que se percibe como volúmen. 

El proceso de oír implica dirigir las ondas sonoras, sentir las fluctuaciones en la presión del aire y traducir esas fluctuaciones en señales que el cerebro interpreta. El oído externo recoge las ondas sonoras y dirige el sonido hasta el tímpano, la frontera entre el oído externo y medio. El sonido entra en el conducto auditivo y hace que la membrana del tímpano vibre. Esta presión de aire se ve amplificada por los huesecillos del oído medio, tres pequeños huesos que ejercen presión en el líquido del oído interno a través de una abertura de la cóclea. 

La cóclea convierte las ondas sonoras en impulsos eléctricos que se envían al cerebro. La cóclea consiste en tres tubos adyacentes en forma de concha de caracol, separados por membranas y recubiertos de células ciliadas. Cuando las ondas sonoras presionan las células ciliadas, estas se excitan y generan impulsos que se envían al cerebro. La cóclea diferencia entre el tono y la intensidad de los sonidos en función de las vibraciones que percibe por las membranas que tiene en todas su longitud. Las membranas del principio de la cóclea vibran de forma más activa ante sonidos de alta frecuencia, mientras que las del extremo opuesto reaccionan a los de baja frecuencia. Los sonidos de gran amplitud (más fuertes) provoca que la membrana vibre de forma más vigorosa que los sonidos de baja frecuencia (suaves).

La respiración celular, un proceso metabólico aerobio y catabólico que incluye la glucólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa o a nivel de sustrato

Diferencias entre glucólisis (catabolismo) y gluconeogénesis (anabolismo)

Enzimas:  estructura, características y funciones

Metabolismo (1614)

Una de las características fundamentales de todos los seres vivos es que utilizan energía para realizar sus actividades. El término metabolismo (significa "cambiar" o "derrocar") hace referencia a las reacciones químicas (anabólicas y catabólicas) que ocurren en los seres vivos para generar o usar energía.  Las reacciones anabólicas consumen energía para la biosíntesis (generación) de moléculas orgánicas más grandes, así como para el crecimiento y la diferenciación de las células. Las reacciones catabólicas, a su vez, provocan la descomposición de esas moléculas para producir energía. Las reacciones químicas se organizan en vías metabólicas, donde una sustancia química se convierte en otra siguiendo una secuencia, y esas reacciones son catalizadas por enzimas (proteínas). Las vías metabólicas incluyen carbohidratos, grasas, proteínas y ácidos nucleicos, y la naturaleza de esas sustancia químicas en dichas vías es muy parecida en una gran variedad de especies, desde los microbios hasta los humanos.

Los estudios realizados durante la década de 1930 por Hans Krebs, médico y bioquímico de origen alemán, sentaron las bases de nuestra comprensión fundamental de las secuencias metabólicas. Krebs descubrió el ciclo de la urea, que describe la ruta por la que los organismos excretan el amoniaco formado en el cuerpo convirtiéndolo en algo menos tóxico, la urea. En 1937 identificó el ciclo del ácido nítrico (ciclo de Krebs), que describía una serie de reacciones químicas comunes a todos los organismos aeróbicos (necesitan oxígeno en su metabolismo) para la generación de energía a partir de carbohidratos, proteínas y grasas. Como reconocimiento le fue otorgado el Premio Novel de Medicina en 1953. 

El método científico

El método científico (1620)

La formulación y mejora del método científico ha evolucionado con los años y se fundamenta en las contribuciones de numerosos eruditos de todos los tiempos, entre ellos Aristóteles, que introdujo la deducción lógica, es decir, un enfoque "de arriba abajo" que parte de una teoría o hipótesis para luego probarla; Francis Bacon, el padre del método científico moderno, proponía el razonamiento inductivo como fundamento para el razonamiento científico, un enfoque "de abajo arriba" en el que la observaciones concretas llevan a la formulación de una teoría general o hipótesis; y Galileo, quien abogó por la experimentación más que por las explicaciones metafísicas. 

En 1865 Claude Bernard examinó la importancia del científico que aporta nuevos conocimientos a la sociedad, y procedió a analizar de manera crítica lo que constituía una buena teoría científica: la observación más que la confianza en las autoridades y fuentes históricas, el razonamiento inductivo y deductivo, y la relación causa - efecto.

Una teoría es una explicación, modelo o principio general que ha sido probado y confirmado, y que explica o predice un evento natural. El método científico sigue unos pasos secuenciales y constituye un enfoque que se aplica para investigar fenómenos o adquirir conocimientos nuevos. Una teoría es más amplia y general que una hipótesis, y cuenta con el soporte de la evidencia experimental, basada esta en una serie de hipótesis que pueden ser probadas de forma independiente. 

William Harvey

La placenta (1651)

Hacia 1510 Leonardo Da Vinci representó el feto. Sus dibujos mostraban el útero con sus vasos sanguíneos, las membranas y el cordón umbilical. También constató que los vasos sanguíneos no tenían continuidad con los de la madre. En 1628, William Harvey sentó las bases de nuesta moderna comprensión de la fisiología del sistema circulatorio y el corazón. 

En 1651 Harvey amplió esos estudios para incluir la circulación fetal y su relación con la madre. Harvey postuló que el aire y la alimentación fetal eran provistos por el fluido de dentro del saco amniótico que rodea el feto. Ahora sabemos que, desde la cuarta semana del desarrollo hasta el nacimiento, la circulación de la placenta transporta nutrientes, gases respiratorios y materiales de desecho entre el embrión, el feto (a partir de la novena semana) y la madre. 

El sistema linfático humano

El sistema linfático (1652)

En el año 1652 el padre y el hijo de Thomas Bartholin (anatomistas) anunciaron que habían descubierto el sistema linfático en humanos, y lo describieron como distinto e independiente. Sin embargo, la hipótesis de Bartholin fue desafiada por Rudbeck que, entre 1679 y 1702, escribió una obra de cuatro volúmenes en donde sus teorías fueron objeto de críticas. 

El sistema linfático es una red de órganos y ganglios, conductos y vasos que producen y eliminan la linfa de los tejidos y la vierten al torrente sanguíneo. El conducto torácico, el principal vaso linfático del cuerpo, recoge y canaliza la linfa de la parte inferior del cuerpo. La linfa es el fluido transparente que contiene linfocitos, células importantes en el sistema inmune; el quilo es una linfa de aspecto lechoso porque está cargada de grasa. El sistema linfático protege el cuerpo de infecciones y de la propagación de tumores, y también recoge y elimina los fluidos intersticiales que rodean las células.

Experimento de Francesco Redi

Experimento de Louis Pasteur

Rebatimiento de la generación espontánea (1668)

La idea de que algunos seres vivos podían surgir de materia inanimada, lo que Aristóteles llamó generación espontánea, permaneció prácticamente sin rebatir hasta el siglo XVII. Después de todo, era habitual ver cómo parecían brotar larvas directamente de la carne en descomposición. 

En 1668 el médico y poeta italiano Francesco Redi diseño un experimento que puso en duda la validez de la generación espontánea y el origen de las larvas en la carne podrida. Redi introdujo un poco de carne en tres recipientes y la dejó allí varios días. El primero lo dejó abierto, y entraron moscas que pusieron huevos sobre la carne. Otro lo selló, y ahí no encontró ni moscas ni larvas. En cuanto al tercero, tapó la boca con una gasa, que impidió que las moscas entraran en contacto con la carne, pero no que pusieran sus huevos en ella y salieran gusanos. 

En 1859 Luis Pasteur introdujo caldo de carne hervido en un matraz de cuello de cisne, con el cuello curvado hacia abajo. Aquello permitía el libre flujo de aire en el matraz, pero impedía la entrada de microbios traídos por el aire. El caldo del matraz no mostró signos de desarrollo y el concepto de generación espontánea quedó relegado a la historia. 

El Ácido Desoxirribonucleico (ADN), con sus cuatro bases nitrogenadas: Adenina, Timina, Citosina, Guanina y Uracilo (en el ARN)

Peces muertos como consecuencia de la anoxia provocada por el metabolismo bacteriano aerobio durante el proceso de descomposición de la gran cantidad de algas proliferadas a causa del aumento en la concentración de fosfatos

El ciclo del fósforo (1669)

El fósforo fue el primer elemento desconocido en la Antigüedad en ser descubierto. Se trata de un elemento esencial para los organismos vivos. Es un componente del ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN), así como del trifosfato de adenosina (ATP), implicado en la transferencia de energía. Combinado con lípidos para formar fosfolípidos, constituye el núcleo de las membranas celulares. El fosfato de calcio proporciona fuerza a huesos y dientes. 

De todos los elementos reciclados en la biosfera, el fósforo es el más escaso. La mayor parte del fósforo de la Tierra se halla en forma de fosfato (fósforo + oxígeno) en rocas y depósitos sedimentarios, siendo la meteorización y la minería las que lo liberan al mar. Mientas que la falta de fósforo ralentiza o impide el crecimiento de las algas, el exceso del elemento causa en ellas un crecimiento descontrolado y excesivo. 

A mediados del siglo XIX los seres humanos añadimos fosfatos a los detergentes domésticos y los fertilizantes, lo cual tuvo un impacto enormemente negativo porque alteró el equilibrio natural del fosfato. Los vertidos de fosfatos en lagos y cursos de agua pueden provocar la proliferación de algas, haciendo que crezcan rápidamente y formen densas poblaciones. Cuando las algas mueren, son degradadas por las bacterias en un proceso que consume enormes cantidades del oxígeno del agua y provoca la muerte de peces y otros organismos acuáticos. Las fugas procedentes de las plantas de tratamiento de aguas municipales también contribuyen al vertido de fosfatos al agua. 

Oscar Hertwig, el embriólogo que descurbrió el mecanismo de la fertilización del óvulo por los espermatozoides

Fecundación y desarrollo del embrión

Espermatozoides (1677)

En 1677 el microscopista holandés Antoine van Leewenhoek examinó el semen de varias especies animales, así como el suyo propio y halló múltiples espermatozoides, pero en ese momento no los asoció con la impregnación. Sin embargo, en 1683 concluyó que el hombre no procedía de un óvulo, sino de "un animálculo de la semilla masculina", y que ciertas partes del óvulo se transferían al espermatozoide.

El sacerdote y biólogo italiano Lazzaro Spallanzani aceptó la teoría de la preformación, la cual afirmaba que, en un principio, todos los seres vivos fueron creados por Dios y seguidamente encapsulados en las primeras hembras de cada especie. El nuevo ser de dentro del óvulo era preformado y, bajo la influencia del semen, se expandía. En 1768, Spallanzani fue el primero en apuntar que tanto la fracción sólida del semen como el óvulo resultaban esenciales para la reproducción. Sin embargo, no supo reconocer el papel de los espermatozoides en el proceso reproductivo. En la década de 1870 había dos visiones acerca del proceso de fertilización. Una era que los espermatozoides entraban en contacto con el óvulo y estimulaban su desarrollo transmitiéndole una vibración mecánica. La otra idea era que los espermatozoides penetraban físicamente el óvulo y mezclaban sus componentes químicos con la "yema" del mismo. En 1876 el embriólogo alemán Oscar Hertwig decidió estudiar esta cuestión con huevos de erizo de mar, por ser estos transparentes, tener la yema finamente dividida y carecer de membrana. Así puso visualizar al microscopio los espermatozoides entrando en el óvulo y fusionándose con su núcleo. Hertwig observó también que solo se requería un espermatozoide para fertilizar el óvulo y que, cuando un espermatozoide penetraba el óvulo, se formaba una membrana a modo de barrera que impedía la penetración de más espermatozoides.