El disfraz de la cocaína

13/01/2016 2 comentarios
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La cocaína sabe quedar bien en cualquier ambiente: sea éste hostil o amigable a las moléculas de agua. Aprender de las habilidades diplomáticas de esta molécula puede ayudar a diseñar nuevos fármacos para tratar dolencias en el cerebro.

La cocaína no es cosa nueva. Parece ser que se han encontrado momias peruanas con restos de hojas de coca. Más tarde, cuando los primeros españoles tuvieron contacto con los aborígenes que mascaban hojas de coca, les pareció una manía como otra cualquiera... hasta que probaron ellos mismos dichas hojas y describieron el "gran contento" que conseguían al mascarlas. No faltó tiempo para que vieran el potencial económico y cargaran con impuestos la producción de coca... incluso la bebida coca-cola en su fórmula original de 1886 incluía un "puñado de hojas de coca": la chispa de la vida. Las maravillosas propiedades de la cocaína, de las que hasta Freud fue un entusiasta, se deben a su capacidad de adaptarse al disolvente en el que esté inmersa, sea éste agua o grasa, pero vayamos por partes.

Gato hidrofóbico
Me encanta el nombre hidrofóbico, me imagino a un gato presa del pánico ante una bañera. La idea de este término en química, de hecho, significa exactamente eso: son moléculas o partes de moléculas que odian el agua, y por tanto evitan como sea estar en contacto con ella. Por otro lado las moléculas o grupos químicos hidrófilos son aquellas o aquellos encantados de estar en contacto con el agua, y que de hecho lo intentan de cualquier forma. En una primera aproximación, los grupos químicos (o moléculas) hidrófilos son aquellos que permiten una interacción electrostática con el agua, y los hidrófobos los que no permiten dicha interacción. Las moléculas hidrófobas de interés biológico por excelencia son las grasas.

Un medicamento que quiera tener un efecto rápido, es decir que pueda pasearse por todo el cuerpo eficientemente, debe estar constituido por moléculas hidrófilas. De esta forma se puede disolver en la sangre, teniendo así todo el sistema circulatorio a su disposición para llegar donde quiera. La cocaína, por ejemplo, es soluble en agua, por tanto tenemos asegurada su distribución a todos los órganos.

Cocaína en polvo
Más difícil es, en cambio, conseguir que una molécula pueda entrar en el cerebro, porque se encuentra una formidable barrera llamada "hematoencefálica". Pocas moléculas y virus consiguen atravesar esta barrera que nos protege de contaminantes e infecciones. Lamentables excepciones son, por ejemplo, las bacterias que pueden ocasionar la meningitis. Una pieza clave de esta membrana es que se compone de una barrera hidrofóbica, que impide que las moléculas solubles en agua la puedan atravesar... ¡excepto la cocaína!

La cocaína, soluble como es ella en agua, consigue atravesar el tejido hematoencefálico haciéndose pasar por una molécula hidrófoba. Por tanto esta droga consigue un equilibrio perfecto entre hidrofobicidad y hidrofilicidad que puede ser la clave para el diseño de futuros medicamentos. Para entender cómo consigue este equilibrio, hemos realizado experimentos y simulaciones que nos han permitido tener una primera pista sobre cómo lo consigue.

Cocaína para el dolor de  muelas de los niños
Como explicamos en una entrada anterior de este blog, los experimentos que se han realizado para determinar la estructura tanto de la cocaína, como del agua que la rodea son de difracción. Estos experimentos se llevaron a cabo en una fuente de neutrones en medio de la campiña inglesa, de cuyo nombre no quiero acordarme: ISIS. Este nombre se puso en honor al río Támesis mucho antes de los lamentables sucesos de estos últimos años. Los experimentos los llevaron a cabo el grupo de Sylvia McLain del departamento de bioquímica de la Universidad de Oxford. Datos de difracción en mano, se modelizaron los resultados hasta obtener, por fin, la estructura de la cocaína acompañada de sus moléculas de agua.

Molécula de cocaina junto con la molécula de agua que determina sus propiedades ambivalentes
En la figura justo encima de estas líneas aparece una molécula de cocaína, junto con la molécula de agua que desempeña un rol decisivo en las propiedades de la cocaína. Fíjense con cuidado en la molécula de agua. Como sabemos, está cargada positivamente en la parte de los hidrógenos y negativamente en la parte del oxígeno. Su papel clave en las propiedades de la cocaína reside en que utiliza estas cargas precisamente para actuar de pegamento entre las partes con un exceso de cargas negativas (el grupo carbonilo, en rojo) y otra parte con un exceso de cargas positivos (el grupo amino, en azul). Dicho de otra forma, esa molécula de agua pliega la molécula de cocaína obligándola a esconder sus partes más hidrófilas, consiguiendo así que parezca más hidrófoba de lo que es. No tenemos claro aún si además la molécula de cocaína cambia su forma cuando está en un entorno hidrofóbico o hidrofílico, pero estamos trabajando en ello, y si obtenemos algún resultado nuevo, volveré por el blog para contároslo.

 De izquierda a derecha: yo mismo, Andrew Johnston y Sylvia McLain.


El artículo científico relacionado con esta entrada ha sido publicado recientemente en la revista Physical Chemistry Chemical Physics referencia: Phys. Chem. Chem. Phys. ,18, 991 (2016).