Los polímeros naturales incluyen al ARN y al ADN, vitales en genes y en los procesos de la vida. Por cierto, el ARN mensajero es el que hace posible la existencia de las proteínas, los péptidos y las enzimas. Las enzimas colaboran en la química interior de los organismos vivientes y los péptidos conforman algunos de los componentes estructurales más interesantes de la piel, el cabello e inclusive los cuernos de los rinocerontes. Entre otros polímeros naturales se encuentran incluidos los polisacáridos (azúcares) y los polipéptidos como la seda, la queratina y el cabello. El caucho natural es también un polímero natural, constituido sólo por carbono e hidrógeno. Veamos más de cerca cada una de las principales familias de polímeros naturales.
ADN y ARN
El ARN y el ADN contienen estructuras poliméricas basadas en unidades de azúcares. Esto los convierte en polisacáridos, aunque en el caso del RNA y el DNA existen grupos perfectamente ordenados unidos a las unidades de azúcares, que les confieren a dichos polímeros sus particularidades tan especiales.
Madera y Papas
Otra familia de polisacáridos incluye al almidón y la celulosa. El almidón
es un polisacárido de alto peso molecular. Alimentos como el pan, el maíz y las papas se encuentran llenos de almidón. El almidón puede tener hasta 10.000 unidades de azúcar unidas entre sí. El modo en que se encuentran enlazadas estas unidades, ya sea en forma lineal o con algunas de ellas formando ramificaciones, determina el tipo de almidón o polisacárido (más adelante ampliaremos detalles). Otro importante miembro de la familia de los polisacáridos es la celulosa.
Es el principal polímero constituyente de las plantas y los árboles. La madera es principalmente celulosa. Este polímero es distinto al almidón. (Haga clic aquí
para descubrir más.) El almidón es soluble en agua caliente y con él pueden hacerse útiles objetos. La celulosa, por otra parte, es altamente cristalina y prácticamente no se disuelve en nada. El algodón es una forma de celulosa que empleamos en casi toda nuestra ropa. El hecho de que sea insoluble en agua caliente es importante. De lo contrario, nuestra ropa se disolvería al lavarla. La celulosa posee también otra fantástica propiedad que hace posible que se vuelva lisa y achatada cuando la humedecemos y le pasamos una plancha caliente por encima. Esto hace que nuestra ropa de algodón se vea elegante (al menos por un tiempo) pero no obstante permite una fácil limpieza cada vez que la lavamos.
Químicamente la quitina es poli(N-acetilglucosamina). Aquí está su estructura:
A medida que usted vaya observando más de cerca a cada miembro de estas familias de polímeros naturales, recuerde ésto: la naturaleza nos ganó de mano, ¡y cómo! Uno de nuestros trabajos como científicos es averiguar cómo la naturaleza hace un determinado trabajo, así podemos imitarla. Por ejemplo, una vez que averiguamos por qué la seda poseía esas asombrosas propiedades, fuimos capaces de hacer seda sintética en forma de nylons.
Aún nos queda un largo camino por recorrer, sin embargo, antes de que podamos hacer ARN y ADN sintéticos, lo cual conducirá a la vida sintética. Quizás nunca lleguemos a eso y sólo nos quedemos averiguando cosas que nos conduzcan a una variedad de importantes desarrollos en polímeros sintéticos y otras áreas, incluyendo la medicina y la bioquímica. Esto plantea la importante cuestión de que la ciencia es como la vida. No se relaciona sólo con una cosa, sino con un conjunto. La ciencia de polímeros no es la única ciencia e inclusive puede no ser la ciencia más importante (¡aunque en los negocios nos guste pensar eso!). Es una de las áreas que nos pueden ayudar a comprender y emplear el conocimiento que obtenemos a partir del estudio de la naturaleza. En ese sentido, desarrollamos tecnología.
(Nota: Sólo para aclarar esta eterna cuestión de ciencia y tecnología, digamos que ambas cosas son diferentes. La ciencia es el acto de recoger conocimiento mediante la observación y la experimentación. La tecnología es poner este conocimiento en acción. Ejemplo: mediante la ciencia aprendemos que los gases calientes se expanden. Luego, mediante la tecnología, empleamos el principio de expansión de los gases calientes para fabricar un motor a nafta que pueda hacer arrancar un auto. ¿Ve cómo funciona?)
La diferencia entre cómo la naturaleza hace los nylons y cómo los hacemos nosotros, es notable. Nosotros partimos especialmente de moléculas que tienen muchos grupos CH2 en su estructura. La sección de los nylons muestra las estructuras del nylon 6 y el nylon 6,6, dos de las poliamidas sintéticas más comunes. Estas poseen cuatro, cinco, o seis grupos CH2 entre las unidades amida. La naturaleza, no obstante, es mucho más económica, ya que eligió emplear un único átomo de carbono entre grupos amida. Lo que la naturaleza realiza en forma diferente, es sustituir este carbono con una gran cantidad de grupos y distintos segmentos funcionales.
Esto resulta en dos propiedades clave. En primer lugar, los segmentos individuales y la molécula entera son ópticamente activos, o quirales. Esto significa que son como los guantes: sólo hay una versión derecha y una izquierda. Por alguna razón, la naturaleza eligió emplear sólo la versión izquierda de los aminoácidos que son sintetizados por las plantas y los animales. El hecho de que sea empleado sólo uno de los dos isómeros conduce a algunas consecuencias estereoquímicas asombrosas. Por ejemplo, los polipéptidos naturales pueden formar estructuras helicoidales, mientras que los nylons no. Las conformaciones helicoidales incrementan la estabilidad de los polipéptidos naturales. ¿Sabía usted que ciertas bacterias pueden sobrevivir en agua caliente? Esto es porque sus polímeros naturales han sido estabilizados por esas estructuras helicoidales. La figura de abajo muestra una de ellas, llamada a-hélice.
Los pequeños segmentos de esas estructuras helicoidales son los que la naturaleza emplea para moldear las enzimas en ciertas formas, de modo que puedan realizar su magia catalítica. Por ejemplo, un segmento flexible ovillado al azar puede estar conformado por dos segmentos a-hélice, de modo de poder reaccionar en algún sustrato.
Otra diferencia esencial entre los polipéptidos y los nylons es la forma en la que están constituidos. Los humanos hacemos toneladas de nylons por día en inmensas plantas químicas, donde se unen moléculas simples en grandes cantidades, para dar productos que deseamos o necesitamos. La naturaleza es mucho más cuidadosa y concisa en cómo hacer las cosas. Por cada organismo viviente que fabrique una enzima, debe estar involucrada otra enzima u otras especies activas. La síntesis siempre involucra un patrón o un registro de cómo se unen los aminoácidos individuales para dar el polímero final. Este patrón o mapa, es el ARN mensajero (mARN). El mensaje que lleva, obviamente, es cómo la enzima involucrada en la fabricación del péptido debe hacer el polipéptido. Cada aminoácido es conducido a la enzima por una molécula portadora y es activado para la incorporación por una diversa secuencia de reacciones. La enzima agrega un aminoácido por vez, de acuerdo a lo indicado por el mARN. Este es un proceso lento y tedioso, y lleva mucho tiempo. A veces la enzima se frustra esperando el aminoácido correcto y en su lugar, coloca uno equivocado. Para compensarlo, la enzima retrocede ocasionalmente para verificar su trabajo. Si ha cometido un error, comienza un proceso de remoción del aminoácido equivocado para insertar el correcto. Los humanos nunca hacemos ésto. Si cometemos un error, simplemente rompemos todo y lo tiramos.
Usted probablemente se esté preguntando porqué querríamos hacer el mal trabajo de fabricar análogos sintéticos que la naturaleza realiza tan bien (y si no se lo está preguntando, de todos modos coopera). Existen muchas razones, una de las cuales es simplemente descubrir cómo lo hace la naturaleza. Otra es averiguar porqué los péptidos y las enzimas trabajan de la forma en que lo hacen. No siempre es claro para nosotros, meros mortales, porqué una secuencia dada de aminoácidos hace que un polipéptido asuma una cierta forma o estructura. Estas estructuras son cruciales para saber cómo los polipéptidos hacen el trabajo que la naturaleza les encomendó. A veces, cuando comprendemos el modo en que la naturaleza une estas moléculas, podemos hacer análogos sintéticos que cumplan la misma función, pero que sean más fáciles de fabricar. Esto ha conducido al desarrollo de nuevas drogas y al tratamiento de algunas enfermedades genéticas.
La naturaleza también hace cosas en forma diferente a nosotros, sintetizando polipéptidos en agua. La mayor parte de nuestras síntesis, de hecho, no emplean agua. Sintetizamos nuestras poliamidas en tóxicos solventes orgánicos. Esto nos ocasiona un problema: ¿qué hacemos con los solventes orgánicos cuando terminamos la síntesis? A veces los incineramos, pero más frecuentemente, intentamos reciclarlos. En primer lugar, no sólo se están cotizando cada vez más caros (comparados con la económica agua que tenemos en todas partes, o en casi todas) sino que debemos responsabilizarnos de su reciclado, purificación y ubicación final. Un ejemplo de cómo la naturaleza emplea el agua en este sentido y que ni siquiera hemos averiguado aún, es la producción de seda de araña. Las arañas tejen sus telas a partir de soluciones de polipéptidos en agua. Estas soluciones pasan a través de la diminuta glándula hilandera de la araña y son rápidamente extendidas para formar las telarañas que todos hemos visto y a veces en las que nos hemos enredado. Lo realmente extraño es que una vez que estas telarañas se forman, ya no son solubles en agua. Si tan sólo pudiéramos averiguar cómo las arañas hacen primero la seda en agua y luego tejen sus telas a partir de la misma, podríamos hacer nylon de la misma forma. Esto nos ahorraría muchos problemas de tratamiento de residuos... y dinero. Esta es un área de investigación básica donde necesitamos mucha ayuda; quizás usted pueda pensar algo que podríamos probar.
¡Si tiene alguna idea, háganosla saber en el formulario!
¡Quitina: El Polímero de los Amantes de los Mariscos Dentro Suyo!
Otro miembro de los polisacáridos es la quitina. Constituye el caparazón de los langostinos, camarones, cangrejos, langostas de mar y otros crustáceos. Es rígida, insoluble... y en cierto modo flexible. Hasta ahora no hemos logrado hacer polímeros sintéticos que posean esta maravillosa combinación de propiedades. Tampoco hemos descubierto qué hacer con la quitina, si bien empleamos la celulosa para un montón de aplicaciones químicas y para fabricar papel, casas de madera, calzado de madera, etc. Existe un gran campo de investigación acerca de los usos de la quitina para diferentes cosas y quizás algún día podamos hacer ropas o plásticos a partir de ella. Es un área de investigación sumamente importante desde el momento en que se emplean polímeros naturales que provienen de deshechos o recursos renovables. (¿Usted sabe cuántos camarones pierden anualmente sus caparazones para nosotros?)
Aprendemos de la Naturaleza
Proteínas y Polipéptidos
Proteínas
Las proteínas fueron los primeros ejemplos de poliamidas (una palabra elegante para el nylon).
Ambos comparten muchos rasgos en común, pero son muy distintos en su estructura y en sus propiedades físicas. Son similares en el sentido de que ambos contienen enlaces amida en la cadena principal. Las amidas provienen de los ácidos carboxílicos y las aminas, a través de la pérdida de agua. (Para más detalles, haga clic aquí.)
El segmento molecular amida es muy particular en su estructura y en las interacciones intermoleculares. Debido a la hibridación del nitrógeno, el carbono y el oxígeno del grupo amida, el segmento es básicamente plano. Más importante aún, el hidrógeno unido al nitrógeno y el oxígeno del carbonilo pueden originar una fuerte interacción denominada enlace por puente de hidrógeno. Por esta razón, los grupos amida se unen entre sí, de modo de formar fuertes asociaciones que le confieren propiedades inusuales a los polímeros que los contienen. Este tipo de interacción también es discutido en la sección de los nylons y es la similitud clave entre las poliamidas naturales y sintéticas.
Enzimas
Las enzimas son unos de los principales tipos de polipéptidos y son cruciales para la vida en la tierra. Todos los organismos vivientes emplean enzimas para hacer, modificar y cortar los polímeros que hemos discutidos aquí. Las enzimas son catalizadores destinados a trabajos específicos. Con gran frecuencia, cada enzima realiza sólo un tipo de tarea o una sola clase de molécula. Esto significa que debe haber montones de enzimas diferentes, todas constituidas por distintas combinaciones de aminoácidos unidos de modos únicos en los polipéptidos, para realizar todas las tareas que cualquier organismo viviente necesita. Sabemos que cada criatura sobre la tierra posee cientos o aún miles de enzimas diferentes para realizar lo que la misma requiere. Lo realmente extraño es que cada una de las enzimas tiene que estar constituida por otras enzimas. Esto conduce a mecanismos de control sumamente complicados: no tenemos ni la más mínima idea (en la mayoría de los casos) de cómo y cuándo la naturaleza decide qué enzimas son necesarias, ni cómo éstas son activadas o desactivadas. Estamos comenzando a descubrirlo y el estudio de estos sistemas constituye una importante parte de la bioquímica y la biología.
Recorriendo el Camino de la Seda
Uno de los polipéptidos exclusivos que empleamos desde los comienzos dado a sus excelentes propiedades fue la seda. La seda fue descubierta por los chinos, mucho antes del nacimiento de Cristo. Está constituida por diminutas orugas tratando de hilar capullos para su transformación en mariposas. Nosotros les robamos la seda a las orugas, lo cual las deja sin hacer nada. La seda es hilada para formar fibras. Las agrupaciones de delgados polímeros individuales conducen a un material más resistente. Esta es la forma en la que hacemos sogas, por medio de débiles hebras individuales unidas entre sí, de modo tal de que el conjunto sea flexible y resistente. Por tratarse de un polipéptido, la estructura de las moléculas de seda es inusual. Posee montones de glicina, un aminoácido no sustituido. Los segmentos de glicina son capaces de formar cadenas planas extendidas que pueden empaquetarse perfecta y apretadamente. Esto le confiere a la seda su particular resistencia y su lustrosa flexibilidad. Estas propiedades exclusivas, especialmente en los climas cálidos y húmedos, hizo que la seda dominara el comercio en el oriente durante siglos. El comercio de la seda entre China y Japón controló la economía de las civilizaciones en esa región por mucho más tiempo del que cada país quiere admitir. Inclusive en Estados Unidos, la seda fue importante antes de la Segunda Guerra Mundial, para la fabricación de medias. Cuando fue luego empleada para hacer cuerdas de paracaídas, las mujeres norteamericanas se vieron sumamente disgustadas. Esto provocó que las compañías químicas se pusieran a sintetizar seda artificial, el nylon, para hacer medias de nylon y así permitir que las mujeres mantuvieran sus pies tibios y los hombres volvieran a luchar en sus guerras.
Nuestras Limitadas Capacidades
Estamos comenzando a comprender cómo la naturaleza agrupa estas moléculas y hemos encontrado la forma de hacerlo nosotros mismos. Sin embargo, no somos muy buenos en ésto y no podemos lograr que las grandes moléculas varíen de modo eficiente. La razón es que si cometemos un error, arruinamos toda la molécula y no sabemos cómo repararla. El instrumento que fue empleado para fabricar análogos sintéticos de polipéptidos se llama "sintetizador de péptidos". Dicho instrumento está construido alrededor de diminutas hebras de polímero que unimos al primer aminoácido que deseamos colocar en nuestra cadena polipeptídica. (Esto se denomina Método de Síntesis de Merrifield. El empleo de hebras poliméricas fue una idea sumamente creativa y Robert Merrifield ganó el premio Nobel por ésto, allá en los años '50). Podemos tomar un aminoácido activado, similar a lo que emplea la naturaleza y unirlo por medio de un enlace amida. Repetimos este proceso una y otra vez, tratando de que esta reacción se verifique en todo momento, en cada molécula y en cada hebra. A veces no somos muy afortunados y perdemos algún aminoácido. Esto quiere decir que algunos de los polipéptidos tienen unidades faltantes, lo cual siempre conduce a mezclas de productos buenos y malos, en los cuales los primeros pueden ser los minoritarios. Esto empeora cuanto más grande sea el polipéptido que estamos tratando de hacer y es uno de los principales problemas que tenemos en la fabricación de polipéptidos. Si pudiéramos descubrir cómo volver atrás y revisar cada una de nuestras adiciones, corrigiendo los errores que vayamos cometiendo, quizás podríamos hacer un trabajo tan bueno como el de la naturaleza. Quizás.
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