La estructura atómica de la cocaína informa cómo actúa en el cerebro. – La molécula de cocaína viaja por la sangre con la ayuda de unidades hidrofílicas, pero cuando llega al cerebro pliega sus anclajes con el agua y se hace hidrofóbica, lo que facilita su entrada por la selectiva barrera hematoencefálica. Así lo han comprabado investigadores de las universidades de Oxford y Politécnica de Cataluña tras analizar la estructura atómica de esta molécula. El estudio abre la puerta al diseño de fármacos más eficaces para tratar enfermedades cerebrales.
SINC | 19 abril 2016
Estructura atómica de la molécula de cocaína en solución acuosa. / Andrew J. Johnston et al./Univ. Oxford/UPC
El investigador Luis Carlos Pardo de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), junto a colegas de la universidad de Oxford y otros centros británicos y alemanes, ha develado el mecanismo por el cual la cocaína es capaz de atravesar la membrana protectora del cerebro.
Lo han conseguido a través de una técnica llamada difracción de neutrones, con la que han obtenido la estructura atómica de la molécula de cocaína cuando está en disolución. De esta forma han descubierto porqué la cocaína atraviesa de forma directa y efectiva la membrana hematoencefálica que protege al cerebro de sustancias tóxicas, mientras que otras moléculas no pueden.
El estudio podría ser útil en el diseño de medicamentos para tratar enfermedades cerebrales y para prevenir la entrada de sustancias tóxicas
El estudio, que publica la revista Physical Chemistry Chemical Physics,revela cómo la molécula de cocaina es capaz de adaptarse tanto a entornos hidrofílicos (afines al agua) como hidrofóbicos (repelen el agua), simplemente cambiando sus propiedades según el contexto en el que se encuentra.
Los resultados informan que esta molécula es capaz de recorrer la corriente sanguínea gracias a sus propiedades hidrofílicas. Se puede disolver en agua porque puede anclar a su alrededor moléculas acuosas, formando los llamados puentes de hidrógeno.
Pero por otra parte, el trabajo también ha dado respuesta a la incógnita de cómo la cocaína es capaz de adaptarse a los ambientes hidrofóbicos que componen la barrera de protección del cerebro, en los cuales una molécula hidrofílica no debería ser capaz de actuar. En este contexto, la molécula utiliza las propiedades hidrofóbicas para engancharse a la grasa de la membrana del cerebro ‘escondiendo’ las unidades hidrofílicas que, a priori, no la permitirían ‘acceder’ a este tipo de entornos.
Es decir, cuando se encuentra en un ambiente hostil a las moléculas de agua, pliega sus anclajes químicos con el agua de forma que se hace pasar por una molécula hidrofóbica. Los investigadores han descubierto es que para enganchar entre sí estos anclajes químicos la cocaína utiliza precisamente una molécula de agua.
El programa informático Angula
Para llegar a esta conclusión, Carlos Pardo, del Grupo de Caracterización de Materiales de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB) de la UPC, ha diseñado el programa informático Angula, con el que ha analizado millones de datos generados a partir del experimento de difracción de neutrones. Las numerosas simulaciones analizadas con Angula han proporcionado la información sobre cómo están ordenadas las moléculas de cocaína mezcladas con agua.
Los experimentos de difracción de neutrones se han llevado a cabo con la fuente de neutrones ISIS por parte de los investigadores de la Universidad de Oxford, encabezados por Sylvia Mclain. El equipo ha utilizado técnicas numéricas que permiten analizar con el ordenador las moléculas utilizadas. Si la estructura generada en el ordenador es capaz de describir los resultados experimentales se considera correcta.
Según los autores, esta investigación podrá ser útil para diseñar, en un futuro, medicamentos que traten enfermedades cerebrales, así como para proteger el cerebro y prevenir la entrada de sustancias tóxicas capaces de atravesar su membrana, como por ejemplo la cocaína.
De izquierda a derecha, los investigadores Luis Carlos Pardo de la UPC, y Andrew Johnston y Sylvia E. McLain de la Universidad de Oxford. / UPC/Ox
Referencia bibliográfica:
Andrew J. Johnston, Sebastian Busch, Luis Carlos Pardo, Samantha K. Callear, Philip C. Biggin, Sylvia E. McLain. «On the atomic structure of cocaine in solution». Phys. Chem. Chem. Phys.18, 991-999, 2016.