Hideki SHIRAKAWA (Tokio, 1936), Alan G. MACDIARMID (Masterton, Nueva Zelanda, 1927 – Drexel Hill, PA, 2007) y Alan J. HEEGER (Sioux City, IA, 1936), compartieron el premio Nobel de Química en 2000 “por el descubrimiento y desarrollo de los polímeros conductores”.

Hideki SHIRAKAWA estudió Ingeniería Química y se doctoró en 1966 en el Instituto de Tecnología Química de Tokio. En 1976 trabajó con MacDiarmid en la Universidad de Pensilvania y en 1979 fue profesor en la Universidad de Tsukuba. En su lección de recepción del Nobel, titulada “El descubrimiento del film de poliacetileno: diseño de la era de los polímeros conductores”, recordó que estaba investigando sobre plásticos, esas sustancias constituidas por cadenas muy largas compuestas por pequeñas moléculas, que se emplean, entre otros usos, como aislantes de cables eléctricos, cuando sintetizó poliacetileno empleando un catalizador orgánico Ziegler- Natta con titanio y aluminio. En uno de los ensayos, ante su asombro, obtuvieron una delgada película del polímero en vez de la masa amorfa habitual ¡Habían empleado por error una cantidad de catalizador mil veces mayor de lo normal! ¡Y el film tenía una conductividad eléctrica del orden de los metales! ¡Chiripa! Shirikawa encontró que en el film estaba constituido por unas microfibras de entre 20 y 100 nanómetros de largo y que el porcentaje de los isómeros cis y trans dependía de la temperatura: a 150ºC todo el polímero era trans y a -78ºC casi todo cis. Después, trabajando con MacDiarmid y en contacto con Heeger, demostraron que era posible sintetizar polímeros conductores y explicaron en profundidad sus características.

Alan MACDIARMID, neozelandés, ganó una beca Fulbrigth en 1951 para la Universidad de Wisconsin, Madison, y se doctoró en 1953 y en 1955. Fue profesor en la Universidad de Pensilvania desde 1964 hasta 2002 cuando se trasladó a la Universidad de Texas, Dallas. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Metales sintéticos: un nuevo rol para polímeros orgánicos”, puntualizó que los nuevos polímeros tienen las propiedades eléctricas, electrónicas, magnéticas y ópticas de un metal, pero mantienen sus propiedades mecánicas. Estos ‘metales’ no son una mezcla física de un polímero no conductor con un metal o con carbón en polvo distribuidos a lo largo del material. Los polímeros orgánicos conjugados son o aislantes eléctricos o semiconductores. Los que tienen su conductividad aumentada en varios órdenes de magnitud se suelen llamar polímeros electrónicos y han adquirido una gran importancia desde 1990 debido a sus aplicaciones. (Por ejemplo, la polianilina dopada incrementa su conductividad desde 0,1 nano siemen por centímetro –aislante- hasta 1000 S/cm –conductor-). La adición controlada de dopantes, usualmente menos del 10%, es reversible y puede realizarse según diversas técnicas: dopaje redox químico o electroquímico; fotodopaje; dopaje por inyección de carga. Se trata de que el polímero adquiera electrones libres o, por el contrario, tenga huecos dejados por la ausencia de electrones. Para su empleo en nanoelectrónica, dijo MacDiarmid, se producen microfibras de polímeros de tamaño en el entorno de 100 nm inyectando una disolución del polímero contra un cátodo metálico a potenciales elevados (esta técnica se llama electrospinning). Sobre las microfibras se pueden depositar capas de catalizadores o de materiales electrónicamente activos.

Alan HEEGER se doctoró en Física en la Universidad de California, Berkeley, en1961. Entre 1962 y 1982 estuvo en la Universidad de Pensilvania y después fue profesor en el Departamento de Física de la Universidad de California, Santa Bárbara. Sus investigaciones derivaron en la creación de varias empresas. En su discurso del Nobel, titulado “Polímeros semiconductores y metálicos: la cuarta generación de materiales poliméricos”, Heeger dijo que se había abierto un nuevo campo de investigación situado entre la química y la física de la materia condensada que ofrecía una serie de oportunidades como las siguientes. Este campo permite entender las macromoléculas (de Staudinger, Ziegler, Natta y Flory, recordó) con enlace ‘pi’, cuya configuración conduce a la deslocalización electrónica a lo largo de la cadena del polímero. Por ejemplo, en el poliacetileno, (-CH=CH-)n , un polímero conjugado, la banda ‘pi’ se divide en dos: una llena con dos electrones y otra vacía separadas por un intervalo de energía, situación típica de los semiconductores. Asimismo, se pueden estudiar las transiciones aislante – metal por medio del dopaje mediante reacciones redox que conduce a semiconductores tipo P (forma oxidada, polímero con carga negativa) o tipo N (forma reducida, polímero con carga positiva). La concentración del dopante influye: cuando la cantidad es suficientemente alta, la estructura electrónica evoluciona hacia la de un metal, pero las cantidades intermedias conducen a materiales poco homogéneos, problema que se resuelve por medios electroquímicos, con electrodos, donde el voltaje determina la cantidad de dopante. Otros métodos de dopaje se basan en las reacciones ácido – base y en la acción de la luz (fotodopaje). También se investiga sobre materiales que posean propiedades nuevas: polímeros semiconductores y metálicos solubles y procesables en disolventes ordinarios; polímeros metálicos transparentes; semiconductores en los que la energía de Fermi pueda modificarse. Finalmente, Heeger, refiriéndose a las aplicaciones, afirmó que la mayoría de los fenómenos conocidos en los semiconductores inorgánicos convencionales han sido observados en los polímeros semiconductores. Se ha demostrado el alto rendimiento de los aparatos fotónicos fabricados con polímeros conjugados, incluyendo los diodos emisores de luz (LED), las células electroquímicas emisoras de luz (LEC), las células fotovoltaicas, los fotodetectores y los optoacopladores.

Walter KOHN (Viena, 1923 – Santa Bárbara, CA, 2016) fue distinguido con el premio Nobel de Química en 1998 “por el desarrollo de la teoría de la función de densidad”. John A. POPLE (Burnham-on-sea, Somerset, RU, 1925 – Chicago, Il, 2004) compartió el premio “por el desarrollo de métodos de computación en Química Cuántica”.

Walter KOHN, judío vienés, fue llevado a Canadá tras declararse la Segunda Guerra Mundial. Estudió en la Universidad de Toronto y se doctoró en 1946 en Harvard con una tesis sobre el problema de los tres cuerpos dirigida por J.Schwinger. Fue profesor en las universidades de San Diego y Santa Bárbara en California desde 1960 hasta su jubilación como emérito. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Estructura electrónica de la materia. Funciones de onda y funciones de densidad”, comenzó recordando la opinión de Dirac sobre la dificultad de la aplicación de la mecánica cuántica a la química: las ecuaciones son demasiado complejas para resolverlas salvo en el caso de dos electrones, como en la molécula de hidrógeno y el átomo de helio. La teoría de la función de densidad (DFT), dijo, es una aproximación que utiliza la densidad de la distribución electrónica, n(r), en vez de la función de onda de muchos electrones. La densidad electrónica es una magnitud escalar que depende de tres variables espaciales y está determinada por la función de onda normalizada, lo que supone una simplificación del cálculo computado y lo hace asequible a la materia condensada. Con respecto a la estructura de las moléculas, dijo, los teóricos, siguiendo el camino de la ecuación de Schoedinger, utilizan orbitales de partículas con un complicado cálculo de determinantes de Slater; pero la DFT camina en otro sentido: la densidad electrónica n(r) del estado fundamental. Por ejemplo, pueden calcularse superficies con densidad electrónica constante que sirvan para predecir las interacciones con otras moléculas y cargas del entorno. No obstante, Kohn reconoció que la DFT, establecida en 1964, no había sido aceptada por muchos físicos y químicos y que debería ser modificada en varios aspectos en los que trabaja deficientemente: energías de polarización a largas distancias, capas electrónicas parcialmente llenas, barreras de energía y otras. Y afirmó su convicción de que el trabajo cooperativo de las funciones de onda y de densidad servirían para una mejor comprensión de la estructura de la materia. Walter Kohn, estadounidense desde 1957, fue conocido también por sus contribuciones a la teoría de los muchos cuerpos y a la física de los semiconductores.

John POPLE se doctoró en matemáticas en 1951 bajo la dirección de Lennard-Jones en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, con una tesis sobre pares de electrones solitarios. En 1964 se trasladó a la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, EEUU, y en 1993 a la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. En su lección del Nobel, titulada “Modelos en Química Cuántica”, Pople, como Kohn, también comenzó recordando las palabras de Dirac sobre la dificultad de los cálculos cuánticos y aludió a la necesidad de los métodos aproximados, utilizando modelos que consigan correspondencia con datos experimentales tales como los potenciales de ionización y los calores de reacción, mediante programas de computadora eficientes y sencillos de usar. Los modelos pueden ser, dijo, ‘ab inicio’, que utilicen solamente constantes fundamentales, o semiempíricos, que introduzcan algunos datos experimentales. En concreto, el método de aproximación autoconsistente de Hartree- Fock Slater trata con 2 n electrones moviéndose en un set de n orbitales moleculares independientes. La pesadilla de las integrales, dijo Pople, se resuelve con la introducción de parámetros obtenidos empíricamente. Pople y sus colaboradores hicieron los programas informáticos GAUSSIAN, con un algoritmo para aumentar la eficiencia disminuyendo las operaciones aritméticas, con modelos CISD (interacción de configuración) y CCSD (racimos acoplados) que no desprecien la correlación entre los movimientos de los electrones de espín antiparalelo, y empleando la configuración cuadrática QCISD, intermedia entre las anteriores. Pero, ¿cómo funciona el programa para una molécula sencilla? En principio se seleccionan los enlaces de, por ejemplo, un átomo de carbono central con los diversos radicales, obteniéndose un bosquejo de la molécula. Después se dan instrucciones al computador para que determine la estructura de la molécula, que se completa en la pantalla, y finalmente se pide que calcule algunas propiedades del sistema. Los programas de Sir John Anthony Pople han sido empleados en todos los campos de la Química, incluso en la determinación de la estructura de la materia estelar a partir de las frecuencias recogidas en los radiotelescopios.

Martin KARPLUS (Viena, 1930), Michael LEVITT (Pretoria, Sudáfrica, 1947) y Arieh WARSHEL (Israel, 1940) compartieron el premio Nobel de Química en 2013 “por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos”.

Martin KARPLUS pertenece a una familia judía que huyó de Viena al llegar los nazis. Se doctoró en 1953 en el Caltech con una tesis titulada “Una discusión mecano cuántica sobre el ion bifluoruro” dirigida por Linus Pauling. Después de su paso por otras universidades y laboratorios europeos fue profesor (1967) y emérito en la Universidad de Harvard. En su lección del Nobel, titulada “Desarrollo de sistemas multiescala para sistemas químicos complejos. Desde H + H2 hasta las biomoléculas”, citó de nuevo la opinión de Dirac sobre lo complicadas que eran las ecuaciones, pero recordó que también había hablado de aproximaciones mecano cuánticas para simplificarlas. Karplus señaló que Dirac no se refirió a la mecánica clásica, a las leyes clásicas del movimiento de los átomos en las superficies de potencial en que se mueven. Él dedujo estas leyes para la simulación de la dinámica de la reacción de intercambio H + H2 ===> H2 + H , una reacción que venía estudiando desde que era discípulo de Linus Pauling. Y estableció que para predecir con precisión el curso de las reacciones en los sitios en los que tienen lugar se requieren cálculos basados en la mecánica cuántica, pero que para las otras partes de la molécula sólo se necesitan cálculos menos complicados de la mecánica clásica. Elaboró el programa informático CHARMM y lo aplicó a moléculas con muchos átomos, como el inhibidor de la tripsina pancreática bovina (BPTI), una enzima de pequeño tamaño, y el polieno retinal (aldehído de la vitamina A), estudiando cómo se transforman sus confórmeros mediante colisiones reactivas y no reactivas que tienen lugar en femtosegundos.

Michael LEVITT nació en Sudáfrica en el seno de una familia judía originaria de Lituania. Se doctoró en Cambridge, GB, con una tesis sobre conformación de proteínas. En 1980 fue profesor de Química Física en el Instituto Weizmann de Israel hasta 1987, fecha en que pasó a la Universidad de Stanford como profesor de Biología Estructural. En su lección del Nobel, titulada “Nacimiento y futuro de los modelos multiescala para sistemas macromoleculares”, habló del pasado, presente y futuro de la biología estructural por computadora. El nacimiento,dijo, llegó aupado a hombros de gigantes: Crick y Watson, Perutz y Kendrew y Linus Pauling. En Israel, Levitt se unió en la investigación de los cálculos de energía de moléculas a Shneior Lifson y a su discípulo Warshel. Utilizaron simplificaciones para calcular, por ejemplo, la energía del plegamiento de una proteína: colapsaban todos los átomos de una cadena lateral en un solo centro de interacción y todos los átomos de la cadena principal en un segundo centro de interacción. Levitt y Warshel, combinando la química cuántica y la clásica, crearon programas informáticos potentes. Con ellos, Levitt estudió las reacciones de la lizosima, simuló la dinámica de las proteínas en disolución y el desplegamiento por la temperatura de una hélice alfa en agua, y fue capaz de abordar el estudio de las reacciones en grandes sistemas como el ARN polimerasa II y el ribosoma. Con respecto a las investigaciones futuras, Levitt habló de las aplicaciones a la biomedicina mediante cálculos que sustituyesen al experimento, concretamente, de la modelización por computadora de anticuerpos humanizados, por ejemplo, de un anticuerpo que se una a la interleucina 2, el factor de crecimiento de los linfocitos T.

Arieh WARSHEL nació en un kibbutz y sirvió en el ejército israelí en las guerras de los Seis Días y del Yom Kippur. Se doctoró en Química Física en 1969 con Lifson en el Instituto Weitzmann, trabajó en Harvard y en Cambrige y desde 1976 es profesor de la Universidad Southern California. En su lección del Nobel, titulada “Modelos multiescala de funciones biológicas: de las enzimas a las máquinas moleculares”, comenzó señalando que para el estudio de las macromoléculas es fundamental usar simulaciones que describan cómo se relacionan las fuerzas moleculares para una función determinada; pero al ser imposible obtener una representación mecano cuántica total, se divide en partes en la región donde se rompen los enlaces. Es el modelo QM/MM (mecanismo cuántica / mecanismo molecular). Por ejemplo , en la lizosima el sitio activo se divide en una pequeña zona QM reactiva y el resto del sitio se describe mediante un modelo clásico MM. Warshel demostró cómo se deslocalizan los dipolos en el sitio activo de la enzima durante el estado de transición. También dedujo la foto isomerización del retinal en el proceso de la visión: la luz transformaba el 11-cis retinal en trans retinal por torsión del enlace 11-12. Asimismo, estudió la hidrólisis del ATP en el F1-ATPasa, y el acoplamiento entre el ribosoma y el translocón, el canal translocador a través de las membranas formado por un complejo de proteínas. Con respecto al futuro, Warshel considera importante el estudio de la resistencia a los antibióticos, de los inhibidores de virus y de los aparatos nanotecnológicos, aunque estos no sean sistemas biológicos.

Jens C. SKOU (Lemvig, Dinamarca, 1918 – Aarhus, 2018) recibió la mitad del premio Nobel de Química en 1997 “por el primer descubrimiento de una enzima transportadora de iones Na+, K+ –ATPasa”.

Paul D. BOYER (Provo,UT, 1918 – Los Ángeles, 2018) y John E. WALKER (Halifax, UK, 1941) compartieron la otra mitad del mismo premio “por la elucidación del mecanismo enzimático que subraya la síntesis de adenosin trifosfato ATP”.

Jens SKOU cursaba los siete años de medicina cuando Alemania, en 1940, invadió Dinamarca. En 1944 empezó a trabajar en un hospital como cirujano de causas leves. En 1954 se doctoró en la Universidad de Aarhus con una tesis sobre anestésicos locales. En la misma Universidad fue profesor de Fisiología en 1963 y de Biofísica en 1977. En su lección del Nobel, titulada “La identificación de la bomba Na – K”, Skou recordó que en 1925 Gorter y Grendel demostraron que la membrana celular estaba formada por una bicapa de lípidos de unos 40 angstrom de espesor, con los grupos hidrofílicos orientados hacia la fase acuosa y los hidrofóbicos juntándose en el centro de la membrana. En 1935, dijo, Danielli y Davson sugirieron que había una capa de proteínas adsorbida en cada lado de la bicapa de lípidos. Además, se sabía que la concentración de K+ dentro de la célula era mayor que en el exterior y que la concentración de Na+ era menor dentro que fuera; pero, ¿cómo se mantenía la diferencia de concentraciones? Hacia los años 1950 se admitió que había un efluvio iones sodio y un influjo de iones potasio producidos por una especie de bomba molecular. Skou había comprobado que los anestésicos locales aumentaban la permeabilidad de la membrana al sodio porque bloqueaban el cambio conformacional de las proteínas. También se supo que la ouabaína, un glucósido, inhibía el transporte de Na+ y K+ en los glóbulos rojos de la sangre, mientras que Robert Post publicaba que el ATP de la membrana participaba en el transporte activo de sodio y potasio en los eritrocitos humanos. En 1957, Skou describió la primera bomba molecular descubierta: una enzima localizada en la membrana de la célula, en el lado del citoplasma, que catalizaba la hidrólisis del ATP, era inhibida por los glucósidos cardiacos y transportaba Na+ y K+. La enzima, denominada ATPasa, mantenía los gradientes de Na+ y K+ dentro y fuera de la célula, lo que representaba una fuente de energía. Después se descubrieron otros transportes de iones, otras bombas, otras ATPasa. Finalmente, Skou aludió a la magnitud del problema al que se había enfrentado: se trataba de discernir cómo 1320 aminoácidos ubicados en un volumen de 60x60x100 angstrom podían acoplarse en una máquina eficiente que convertía la energía química de la hidrólisis del ATP en el trabajo de transportar cationes en contra del gradiente electroquímico y, además, distinguir los iones potasio de los de sodio. En un problema tan complejo el progreso del conocimiento ha de ser lento ¡A mí me costó treinta años de esfuerzos!, dijo.

Paul BOYER estudió en la Universidad Brigham Young de Provo, Utah, pero no era mormón sino que coincidía con Kroto en el pensamiento ateo y en la acción humanista. Se doctoró en Bioquímica en la Universidad de Wisconsin en 1943. Trabajó con Hugo Theorell, premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1955, en enzimas y en el año del premio. En 1963 adquirió la condición de profesor de la Universidad de California Los Ángeles, donde fue director del Instituto de Biología Molecular y, en 1990, emérito. Curiosamente, nació y murió en los mismos años que Jens Skou, a ambos faltando unos pocos meses para llegar a centenarios. En la ‘lectura’ del Nobel, titulada “Energía, vida y ATP”, Boyer recordó que hacía unos cincuenta años que se demostró la fosforilación oxidativa, un proceso por el que nuestros cuerpos captan energía de los alimentos para usarla en las funciones celulares esenciales. Nosotros demostramos, dijo, que este proceso está consumado por una máquina molecular que enlaza el ATP a enzimas. (El ATP, adenosin trifosfato, es el portador universal de energía en las células de los seres vivos. Fue descubierto por Karl Lohman en 1929, clarificada su función por Fritz Lipmann y sintetizado por Alexander Todd en 1957). Cuando se usa la energía que almacena el ATP, siguió diciendo, se rompe el enlace y se forma adenosin difosfato (ADP) y fosfato inorgánico (Pi). Para sintetizar de nuevo el ATP se necesita aportar energía a una reacción catalizada ATP sintasa, una enzima abundantemente presente en las membranas celulares de las mitocondrias animales, en los cloroplastos de las plantas, en las bacterias y en otros organismos. El ATP sintetizado es transportado fuera de las mitocondrias y es usado para las funciones musculares cerebrales, renales y demás. El fosfato que se libera al emplear el ATP vuelve a las mitocondrias para sintetizar de nuevo el ATP con la energía donada por las oxidaciones. Las reacciones se pueden expresar así: Pi + ADP <===> ATP + H2O , con la ATP sintasa como catalizador tanto de la síntesis (reacción directa) como de la hidrólisis del ATP (inversa). La formación y uso del ATP es la reacción más importante del mundo, dijo Boyer. La enzima posee tres sitios catalíticos, que cooperan sucesivamente en rotación con intervención en los cambios de enlaces de los protones (H+) liberados en las oxidaciones. De la explicación más detallada de estas cuestiones se encargó Walker.

John WALKER se doctoró en la Universidad de Oxford, GB, en 1969, bajo la dirección del investigador en antibióticos E.P.Abraham. Desde esta fecha hasta 1974 estuvo en la Universidad de Wisconsin primero y en el Instituto Pasteur después. Volvió a Cambridge, al Laboratorio de Biología Molecular donde coincidió con Sanger, Klug, Crick, Brenner, H.Huxley, John Smith y Milstein. En su lección del Nobel, titulada “Síntesis de ATP por catálisis rotatoria”, Walker se preguntaba: ¿qué intermediario existe entre el NADH y el ATP? Por que Peter Mitchel estableció que el NADH (nicotinamida adenin dinucleótido, forma reducida), un producto clave en los metabolismos de carbohidratos y grasas, generaba energía en las mitocondrias mediante un gradiente de potencial debido a un flujo de protones a través de la membrana celular. Se demostró, dijo, que la fuerza motriz de los protones estaba sostenida por la enzima ATP sintasa, la cual conducía a la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi no sólo en la mitocondria sino también en los cloroplastos. En 1990 Walker obtuvo la estructura de la enzima ATP sintasa mediante cristalografía por difracción de rayos X, y dedujo que constaba de dos partes diferenciables: F0 y F1. El dominio F1-ATPasa, adherido a la membrana, contenía cinco subunidades con nueve polipéptidos, de los cuales unos se unían a F0 y otros catalizaban. El dominio hidrofóbico F0 era un motor rotatorio, movido por la fuerza motriz de los protones, que transmitía la energía a F1 para que, en sus tres sitios catalíticos, se sintetizase el ATP. Sir John Walter confía en que se demuestre en el futuro una relación entre la constitución del dominio F0 y los motores que mueven los flagelos de las bacterias.