martes, 30 de octubre de 2012

CARBONO-14: EL RELOJ BIOLÓGICO

El carbono es un elemento esencial en la química de la vida y está presente en gran cantidad en todos los organismos vivos, en el suelo y en la atmósfera de nuestro planeta. Como su número atómico es 6, todos sus átomos tienen 6 protones en su núcleo y éste determina sus propiedades. Sin embarbo, existen tres isótopos naturales del carbono porque la cantidad de neutrones puede variar. Así, unos tienen 6 (C-12 o 12C) , otros 7 (C-13) y unos pocos tienen 8 neutrones (C-14). Ellos difieren en su número de masa o peso atómico (suma de protones y neutrones) y con este número se los diferencia y designa.

La estabilidad de los isótopos también es diferente: mientras el núcleo del C-14 (o radiocarbono o 14C o 14C) es inestable, se desintegra, emite “radiación beta” y se transforma en un átomo de nitrógeno, los núcleos de los otros 2 isótopos son estables (no son radiactivos). Además, la cantidad en que se encuentran es muy diferente: por cada 1000 átomos de carbono de la naturaleza, unos 989 son de C-12, unos 11 son de C-13 y una ínfima cantidad es de C-14 (se calcula que hay un átomo C-14 por cada 1012 átomos de C-12). A pesar de estas diferencias, los tres isótopos tienen idénticas propiedades y se comportan de la misma manera en las reacciones químicas y biológicas, pudiendo pasar a formar parte de los tejidos de los seres vivos.


La técnica de “fechamiento por radiocarbono”, descubierta en 1947 por el químico norteamericano Willard Frank Libby (Premio Nobel de Química, 1960) y sus colaboradores de la Universidad de Chicago, utiliza el C-14 como un reloj “atómico” o “biológico” que, desde hace tiempo, se ha convertido en una herramienta importante para establecer la antigüedad (datación) de restos biológicos, útil en el estudio de nuestro pasado y también para estudios sobre el metabolismo y sobre las reacciones químicas.

El C-14 se forma en las capas superiores de la atmósfera cuando los “rayos cósmicos” (radiación de alto contenido de energía) actúan sobre los átomos de nitrógeno atmosférico, les extrae un protón y los transforma en C-14, el que se combina con 2 oxígenos (forma 14CO2) y se incorpora al ciclo natural del carbono. Se considera que, en los últimos 60 mil años, la cantidad de C-14 que se ha formado ha sido constante y, por el intercambio permanente de moléculas que hay entre los seres vivos y el ambiente (en la fotosíntesis el CO2 ingresa a las plantas, pasa a los animales por sus alimentos y éstos eliminan moléculas por la respiración, orina y heces), en unos miles de años se ha alcanzado un equilibrio, en el que la proporción de los 3 isótopos del carbono es constante en todos los seres vivos y en la atmósfera.

Al morir un animal o planta se activa su reloj biológico o atómico: como ya no ingresa C-14 la cantidad de éste empieza a disminuir (por su desintegración) en forma constante e inexorable a una velocidad dada por su vida media (5730 años). La antigüedad de una muestra se determina comparando la cantidad (o la radiactividad) actual del C-14 con la que tenía al morir o comparando la actual proporción de C-14/C-12 con la que tenía cuando estaba vivo, ya que éstas disminuyen proporcionalmente con el tiempo transcurrido.

Esta técnica sólo es aplicable a muestras que han sido materia viva en el pasado (carbón vegetal, huesos, conchas de moluscos, etc.) e implica la destrucción de la muestra o parte de ella. No es aplicable a la cerámica, vidrio, metales, fósiles o rocas que también son importantes para el arqueólogo. Además, los restos de una antigüedad mayor a 50 mil años tienen un contenido de C-14  tan bajo que no se puede medir con precisión. La edad de objetos muy antiguos como las rocas se puede calcular usando radioisótopos de vida media más larga, como el uranio-238 (vida media 4,5 x 109 años).

Para esta técnica se ha supuesto que el contenido de C-14 en la atmósfera ha sido constante, pero esto no siempre ha sido así: han habido períodos en que su concentración ha sido mucho mayor y otros en que fue mucho menor y ello pone en duda los resultados obtenidos. Esta técnica ha producido notorios errores de datación pero también aciertos verificables por otros medios o usando objetos de antigüedad conocida como restos de árboles que murieron en períodos conocidos o con los anillos de crecimiento de árboles que alcanzaban edades de 2 mil años o más.

El C-14 también se obtiene artificialmente y con él se preparan compuestos “marcados” que sirven como rastreador radiactivo. Así, usando 14CO2 Mervin Calvin pudo estudiar detalladamente el proceso de fotosíntesis. Otras sustancias (como glucosa) marcadas con 14C han permitido estudiar el metabolismo de azúcares y lípidos o la síntesis de colesterol en el hombre.

BIBLIOGRAFÍA
-   Atkins-Jones. “Principios de Química” (2006). Edit. Médica Panamericana.

Q.F. JUAN JOSÉ LEÓN CAM <jjleon@lamolina.edu.pe>
Departamento de Química. U. Nacional Agraria La Molina. PERÚ.

domingo, 14 de octubre de 2012

RADIOISÓTOPOS: TEMIDOS PERO ÚTILES

Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones (o número atómico), el que identifica al átomo y sirve para ubicarlo en la Tabla Periódica. Sin embargo, algunos átomos pueden diferir en su número de neutrones y se les ha llamado isótopos (del griego isos = igual y topos = lugar) porque están en el mismo casillero de la Tabla Periódica a pesar de su diferente número de masa o peso atómico (suma de protones y neutrones).

La mayoría de elementos de la naturaleza son mezclas de isótopos y para referirnos a un isótopo en particular se añade el número de masa al símbolo o al nombre del elemento. Por ejemplo, los 3 isótopos del hidrógeno son: el H-1 (99,985% de abundancia), H-2 o deuterio (0,015 %) y H-3 o tritio (artificial). Unos elementos tienen un solo isótopo natural (como el flúor-19), otros tienen varios isótopos (el estaño tiene 10). La masa atómica del elemento es el promedio de todos sus isótopos, considerando su abundancia y su masa.

En la naturaleza hay 88 elementos y unos 330 isótopos. Artificialmente se han fabricado unos 20 elementos y más de 1000 isótopos. Los isótopos tienen idéntico comportamiento químico y biológico, pero unos son radiactivos y otros no. La radiactividad se debe a que los núcleos de algunos isótopos son inestables, por lo que sufren una “desintegración espontánea”, emitiendo unas partículas nucleares o “radiación” y se transforman en núcleos más estables. Los isótopos radiactivos pueden ser rastreados por la radiación que emiten.


La radiactividad es un proceso espontáneo e inevitable: la radiación se seguirá emitiendo hasta que todos los núcleos radiactivos se desintegren. La velocidad con que se produce este proceso es característica de cada núcleo y es muy variable. Se llama vida media al tiempo necesario para que la mitad de una muestra radiactiva se desintegre en sus productos.

ISOTOPO
Yodo-131
Cobalto-60
Estroncio-90
Radio-226
Carbono-14
V. MEDIA
8 días
5,27 años
28 años
1600 años
5730 años

La radiactividad contiene una gran cantidad de energía y es peligrosa para los seres vivos. Según la cantidad y tipo de radiación, pueden romperse enlaces y dañar moléculas de proteínas y ácidos nucleicos, afectar las células, producir mutaciones o células que se multiplican sin control (cáncer).

La radiactividad está formada por 3 tipos distintos de rayos llamados: “alfa”,  “beta” y “gamma”. Los rayos alfa son partículas de carga positiva formadas por 2 protones y 2 neutrones. Por su gran masa tienen muy poco poder de penetración y causan daños graves sólo a distancias muy cortas. Los rayos beta tienen carga negativa porque son electrones que viajan a alta velocidad. Son menos dañinos pero de mayor poder de penetración que los rayos alfa. Los rayos gamma son radiación electromagnética de alta energía, son menos dañinos pero muy penetrantes y siempre acompañan a los rayos alfa o beta.

Los principales usos de los radioisótopos son de 2 tipos: como rastreadores, en las que el objetivo es detectar su presencia y como fuente de energía (irradiación). La medicina utiliza sustancias preparadas con un radioisótopo el que sirve como rastreador para detectar anormalidades. Por ejemplo, los problemas de la tiroides se estudian suministrando al paciente un yoduro de sodio que tenga yodo-123 (radiactivo), el que es captado por la tiroides y, por la cantidad de yodo incorporada, se deduce si la tiroides está sana o no. Los desórdenes circulatorios se detectan usando una solución de cloruro de sodio que tenga sodio-24 (radiactivo). Midiendo la radiación emitida, se puede saber si la circulación de la sangre es anormal. Las embolias (coágulos de sangre) y algunas anormalidades pulmonares se detectan usando xenón-133.

El tecnecio se concentra en áreas de crecimiento celular descontrolado y el tecnecio-99m (isótopo artificial, la “m” indica meta-estable), ayuda a localizar tumores en el cerebro, tiroides y riñones. La “Tomografía de emisión de positrones” o PET utiliza radioisótopos que emitan positrones (como flúor-18 o carbono-11) para estudiar desórdenes cerebrales. El paciente recibe glucosa que tenga carbono-11 y la emisión de positrones va disminuyendo conforme es metabolizada la glucosa marcada. Así se sabe que el cerebro de un esquizofrénico metaboliza sólo un 20% de la glucosa metabolizada por un cerebro normal. El fósforo-32 ayuda a detectar cáncer a los huesos y la radiación gamma del cobalto-60 destruye los tejidos cancerosos. Los pacientes con cáncer de tiroides reciben yoduro de sodio que tenga yodo-131. La radiación emitida por este radioisótopo (que es captado por la tiroides), destruye las células cancerosas sin afectar el resto del organismo.

La irradiación destruye bacterias, mohos y levaduras y son éstos los que hacen que los alimentos se deterioren. Con la irradiación los alimentos pueden conservarse durante años en buen estado (a temperatura ambiente y adecuadamente empacados). También se usa en la esterilización de productos médicos desechables (inyectables, mascarillas, batas quirúrgicas y otros).
BIBLIOGRAFÍA
- Química. (2005) Edición GenChem. ACS. Editorial Reverté. España.
Q.F. JUAN JOSÉ LEÓN CAM <jjleon@lamolina.edu.pe>
Dpto. de Química. U. Nacional Agraria La Molina. PERÚ.