-OH hidroxilo -COOH carboxilo -NH2 amino
Cada grupo funcional le confiere propiedades particulares a la cadena de carbono a la cual está unido. Por ejemplo, centrémonos en el grupo hidroxilo. Los compuestos que lo incluyen se llaman alcoholes. Los más sencillos de estos compuestos son el metanol, CH3 -OH, el etanol, CH3 -CH2 -OH, y el propanol, CH3 -CH2 -C2H -OH. Los tres presentan las reacciones químicas típicas del grupo hidroxilo. Sin embargo, el diferente tamaño de la cadena afecta otras de sus ropiedades. Por ejemplo, mientras que el metanol es venenoso (su ingestión provoca ceguera y hasta la muerte), el etanol está presente en todas las bebidas alcohólicas. Cabe aclarar que no por ello deja de ser tóxico.
POLIMERIZACIÓN POR CONDENSACIÓN
En este tipo de polimerización toman parte dos moléculas con diferentes grupos funcionales. Al reaccionar se desprende una molécula más pequeña, que por lo general es de agua.
Un ejemplo sencillo de una reacción de condensación es la del ácido acético (el ácido del vinagre) con el etanol (véase la fórmula 47).
Fórmula 47. En esta reacción de condensación, el agua se forma a partir del -H del ácido y el OH- del alcohol. Los dos fragmentos restantes se reúnen para formar un éster.
El producto de una reacción como ésta (ácido + alcohol) es llamado genéricamente éster. El acetato de etilo es un éster.
Esta reacción, llamada de esterificación, es la base para la fabricación de las fibras poliéster. En este caso se toma una molécula con dos grupos carboxilo (un diácido), como el ácido tereftálico (véase la fórmula 48), y otra molécula con dos grupos funcionales hidroxilo, como el etilenglicol (en los países fríos también se lo utiliza como anticongelante en los motores de automóviles).
Formula 48. Primer paso de la esterificación de un diácido con un dialcohol.
Inicialmente se produce un éster con un grupo carboxilo libre, por un lado, y un grupo hidroxilo, por el otro (véase la fórmula 48).
Posteriormente, ambos grupos libres pueden seguir reaccionando con otras moléculas. El proceso continúa hasta obtenerse largas cadenas de poliéster; el polietilentereftalato (PET) (véase la fórmula 49).
Fórmula 49. En la reacción de la fórmula 48 quedó libre un grupo ácido, HOOC-, y un grupo alcohol, -HO, así que es posible la condensación de más unidades monoméricas hasta producir el polietilentereftalato; la fibra poliéster, un magnifico sustituto del algodón.
El uso más común del polietilentereftalato es la fabricación de fibras textiles y películas transparentes, que se emplean para las cintas de grabadora y para empacar alimentos congelados.
Es altamente probable que usted, amable lector; vista ahora alguna ropa con multitud de macromoléculas de un poliéster. Es más, algunos lectores quedarían completamente desnudos si les pidiéramos que se quitaran todas las prendas con estas fibras.
Recientemente se ha logrado que esta resina alcance un alto grado de cristalinidad, lo que la ha convertido en el termoplástico más rígido. Varias compañías automotrices lo han incluido para reemplazar diversas piezas metálicas.
DE VUELTA A LAS CADENAS PRODUCTIVAS
Este ejemplo de las resinas poliéster nos permite hacer un breve alto para analizar la complejidad del árbol de la petroquímica. El siguiente diagrama muestra la cadena productiva que conduce al polietilentereftalato.
Basta que recordemos que, a su vez, el etileno provino del hidrocarburo de dos carbonos del gas natural (el etano), y el para-xileno fue un producto del tren de aromáticos de la refinería.
Debe quedar claro para el lector que para realizar la producción de fibra poliéster (para ropa, por ejemplo) no debe fallar ninguna de las etapas anteriores. Si por algún error o contingencia se frena un paso de la cadena de producción, la única salida es importar cierta cantidad de un petroquímico intermedio. Desafortunadamente, eso ocurre con cierta frecuencia. En ocasiones sucede por fallas imprevisibles de carácter técnico o de materia prima; en otras, por errores humanos, y en otras más, por deficiente planeación, cuando se retrasan los proyectos de inversión. Es por esto que en México la demanda de algunos productos básicos ha superado la oferta, por lo que ha sido necesario importarlos, cada vez en mayores cantidades.
LA REVOLUCIÓN DEL NAILON
Otros dos grupos funcionales que suelen adicionarse, con la subsecuente eliminación de agua, son los carboxilos (-COOH) y las aminas (-NH2). El resultado es un compuesto que se conoce con el nombre de amida, caracterizado por el enlace -CONH-. Esta reacción es precisamente la que lleva a cabo nuestro cuerpo para fabricar proteínas, como veremos más adelante.
Si, como se planteó para el caso del poliéster; se hacen reaccionar dos compuestos, uno con dos carboxilos y el otro con dos aminas, se obtiene una poliamida.
La reacción entre el diácido de seis carbonos (ácido adípico) y la amina de seis carbonos (la hexametilediamina) produce una poliamida muy especial, llamada nylon 6,6 (véase la fórmula 50).
El nailon es un sólido opaco, blanco, que se utiliza principalmente para hacer fibras textiles. Fue preparado originalmente el 28 de febrero de 1935 por el químico Carothers, en los laboratorios de la compañía Dupont.
Fórmula 50. Nylon 6,6. La letra n indica que un gran número de las unidades encerradas entre paréntesis se repiten, una tras otra, formando la cadena polimérica.
Durante la segunda Guerra Mundial, cuando Japón cerró el acceso a la seda del Lejano Oriente, el nailon probó ser una fibra superior por muchas de sus propiedades. En ese momento se lo utilizó para elaborar artículos militares, como cuerdas para barcos y paracaídas. Posteriormente, su uso en medias femeninas aumentó enormemente su popularidad.
Aunque parezca cuento, se han producido películas de nailon diez veces más delgadas que el pelo humano. Se usa también en cuerdas para llantas automotrices y en artículos moldeados.
Las fibras de nailon son muy fuertes, mucho más que cualquiera de las fibras naturales. Otra propiedad de las telas de nailon es que se secan fácilmente. Posteriormente, cuando discutamos la estructura de los carbohidratos, como el algodón, veremos que estas moléculas tienen muchos grupos hidroxilo, -OH, los cuales son muy afines al agua. Por ello el algodón es más difícil de secar que el nailon.
SILICONES
Existen polímeros de condensación no formados por átomos de carbono. Así, por ejemplo, dos moléculas de dihidroxisilano reaccionan entre sí para producir una molécula con enlace Si-O-Si. Esta molécula puede reaccionar de nuevo hasta producir una macromolécula de silicón, como se la llama (véase la fórmula 51).
Fórmula 51. El silicón, formidable sellador, es el polímero por condensación del dihidroxisilano.
La primera huella del hombre en la Luna fue hecha con una bota de silicón.
Hay muchos tipos de silicones, que resultan de emplear diferentes monómeros (puede cambiarse el CH3 por otros grupos). Los aceites, las grasas y los hules de silicón son mucho más resistentes al calor y al ataque de los productos químicos que sus equivalentes derivados del carbono. Esto los ha hecho muy útiles en medicina, para fabricar prótesis, y como selladores y aislantes en determinadas industrias. Son también ampliamente utilizados en electrónica para la fabricación de circuitos integrados. En 1940 apenas se produjeron algunas pocas toneladas en el mundo. No obstante, en 1969 fueron 100 000 y hoy se producen más de 400 000 toneladas.
ÁCIDO SULFÚRICO: DIME CUÁNTO PRODUCES Y TE DIRÉ CUANTO VALES
Alrededor de 90% de la producción mundial del azufre se utiliza para preparar ácido sulfúrico, H2 S04
Ya que éste ha sido catalogado como el producto químico industrial más importante de todos, no se puede dejar de mencionarlo en este viaje del tequesquite al ADN.
Como 60% del ácido sulfúrico producido se emplea para preparar fertilizantes y el resto en importantes empresas fabricantes de resinas sintéticas, papel, detergente y biocidas, la producción de ácido sulfúrico de un país es un buen indicador de su desarrollo industrial.
Como, se mencionó, la producción de H2 S04 parte del azufre. Este se obtiene tanto de yacimientos naturales como a partir del sulfuro de hidrógeno, H2S, que acompaña al gas natural. El azufre se quema en presencia de oxígeno y un catalizador, con lo que se obtiene el óxido S03, que con la adición de agua se transforma en ácido sulfúrico.
Los óxidos del azufre también se producen al quemar combustibles que contienen azufre, y son peligrosos contaminantes atmosféricos. Esta es la razón para que se desulfurice la gasolina. La presencia de estos óxidos en el aire da lugar a la llamada lluvia ácida, ya que basta el contacto con el agua para que se formen ácidos, como el sulfúrico.
La lluvia ácida perjudica tanto a las construcciones como a los seres vivos. Se estima que anualmente se lanzan unos 200 millones de toneladas de óxidos de azufre al aire del planeta, lo cual amenaza y destruye cotidianamente diversas especies acuáticas. La ciudad de México se encontraba fuertemente amenazada por este problema. En 1986 se informó que la acidez de la lluvia era diez veces mayor que la esperada para una atmósfera limpia. Afortunadamente, como se indicó en el capítulo II, actualmente se han podido controlar las emisiones de óxidos de azufre a la atmósfera.
ADITIVOS DE LOS PLÁSTICOS
Muy pocos de los polímeros que hoy se producen alcanzan su uso final sin una modificación. Para ello se cuenta con una gran variedad de aditivos que alteran de diversa manera sus propiedades. Los más comunes son los colorantes y los pigmentos, pero existen otros, como los agentes espumantes, los plastificantes, los materiales de relleno y los estabilizadores. Comentaremos brevemente algunas de sus características.
Los agentes espumantes son hidrocarburos de bajo punto de ebullición que se agregan al plástico. Con el calentamiento, o por una presión reducida, el hidrocarburo se evapora y produce burbujas en el plástico. El llamado hule espuma de poliuretano y la espuma de poliestireno son preparados de esta manera. Los plásticos espumados tienen menor densidad y son mejores aislantes térmicos.
Los plastificantes son sustancias que les imparten flexibilidad a los polímeros. Actúan como lubricantes internos que separan las cadenas poliméricas. El PVC es quebradizo y se rompe fácilmente, pero con la adición de plastificantes se vuelve suave y flexible. Con PVC modificado se fabrican productos como muñecas, paraguas, accesorios de jardín, tubos protectores de instalaciones eléctricas y asientos de automóviles.
En ocasiones se agregan al plástico materiales de relleno que reducen el costo del producto final y mejoran sus propiedades físicas y mecánicas. Los más utilizados son materiales fibrosos, como el asbesto y la fibra de vidrio. Por ejemplo, los poliésteres reforzados con fibra de vidrio tienen amplio uso para fabricar lavabos, carrocerías de vehículos de mar y tierra, y otros objetos diversos.
Muchos de los plásticos empleados en artículos que están expuestos a la luz solar terminan por perder su resistencia original y se vuelven quebradizos. La razón de ello es que la luz ultravioleta, presente en la radiación solar, es capaz de romper algunos de los enlaces químicos de los polímeros. Para evitarlo se agregan moléculas estabilizadoras que absorben la luz ultravioleta y liberan la energía recibida como calor.
¿CONTAMINACIÓN MACROMOLECULAR?
Gran parte de la producción de plásticos es eliminada en forma de desechos… pero esto es un decir. Uno de los más graves problemas asociados con los plásticos es su indestructibilidad. Todos sabemos de la presencia de bolsas, botellas y otros objetos de plástico en playas, ríos, lagunas y predios. Conservadoramente se estima que en el mundo, cada año, alrededor de 250 000 toneladas de plástico tienen como destino final el medio ambiente, en donde se acumulan como basura. En algunas ciudades, parte de ese plástico se recicla y sirve posteriormente para la producción de bolsas.
Estos objetos plásticos, que están por todas partes, no son biodegradables, al igual que algunos detergentes. Debido al gran tamaño de las moléculas de éstos, los microorganismos bacterianos, responsables de la degradación de muchos de los desechos sólidos, son incapaces de atacar a los plásticos. Por otro lado, su combustión puede desprender gases tóxicos, principalmente ácido cianhídrico (que es, nada menos, el de la cámara de gases) y clorhídrico, de ahí que quemarlos no sea una solución para eliminarlos.
La proliferación de basura plástica puede resolverse, pero hace falta que todos participemos. La manera más sencilla de hacerlo es el reciclaje. Si todos clasificáramos nuestra basura y separáramos los objetos plásticos de los de vidrio, metal y materia orgánica, la reutilización de plásticos, metales y vidrio sería más factible.
Otra salida posible es el uso de aditivos que realicen la función inversa a la de los estabilizadores, es decir, que tiendan a destruir el material. Se ha demostrado que un tipo de aditivos sensibles a la luz induce la ruptura de las cadenas poliméricas después de cierto tiempo de exposición, lo cual facilita su posterior degradación bacteriana. Los compuestos llamados tiocarbamatos (véase la fórmula 52) empiezan a usarse con este propósito. Sus efectos pueden apreciarse claramente en la figura 17.
Fórmula 52. Algunos de los aditivos para fotodegradar los plásticos son tiocarbamatos de metales de transición. Aquí se muestra el ion tiocarbamato.
Figura 17. Esta secuencia de fotos muestra la descomposición fotoquímica de un plato de plástico. a) Sin plato. b) El plato se incorpora al jardín. c) En 30 a 90 días el plato se rompe. d) En 60 a 120 días el plato está completamente roto. e) Entre 90 a 150 días sólo quedan fragmentos. f) De seis a doce meses después no hay restos del plato en el jardín. (Tomada de J. W. Hill, Chemistry for Changing Times, Burguess, Minneapolis, 1980).
No obstante los éxitos iniciales de este tipo de aditivos, no han sido incorporados sistemáticamente en las formulaciones de los plásticos, al menos en nuestro país.
Adicionalmente, algunos de los plastificantes más usados, como los bifenilos policlorados, han sido encontrados en los tejidos de vacas, perros y conejos. Sus efectos tóxicos son considerables. Se ha demostrado que dichas sustancias producen mutaciones en animales de laboratorio. Por ello, actualmente algunos de estos plastificantes se han eliminado del mercado.
Al igual que en las demás áreas en las que la contaminación es crítica, en el terreno de los plásticos habrá de desempeñar un papel primordial la creación de una conciencia colectiva. Sin duda, los materiales plásticos han revolucionado al mundo, pero en el futuro su producción deberá acompañarse de soluciones globales, de tal forma que sean más los problemas que resuelvan que los que creen. Sin embargo, para lograr la producción de plásticos con mínimo riesgo ecológico existe una limitante, que es el problema de siempre: el económico. De todas formas, es necesario que tratemos de resolver este problema de la mejor manera posible, con los recursos a nuestro alcance.
LAS TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO
De plástico hay hilos y pelotas, mangueras y gabinetes de radio, sillas y peines. Cada objeto merece un procedimiento especial que conduce a su producción. El diseño de los aparatos para moldear los plásticos en esos objetos útiles que están presentes a nuestro alrededor no corresponde al químico, sino al ingeniero.
Por ejemplo, los hilos se producen por la técnica de extrusión, por medio de la cual se bombea el plástico a muy alta presión y se le hace atravesar una criba con delgadísimos agujeros. Por extrusión se fabrican también mangueras y láminas para el recubrimiento de fachadas, paredes o muebles.
Los objetos abiertos se obtienen por inyección del plástico en moldes fabricados ex profeso, mientras que para objetos cerrados (pelotas, por ejemplo) se utiliza la técnica de moldeo por rotación.
Finalmente, se acostumbra producir las botellas plásticas por la técnica de soplado, en la que aire a presión fuerza al plástico a recubrir las paredes interiores de un molde.
Existe una infinidad de máquinas para procesar objetos plásticos, y cada una sigue ciertas reglas para su adecuado funcionamiento y diseño.
Nuestro país cuenta con una importante industria de procesamiento de polímeros, que ocupa a una notablemente alta proporción de mano de obra, en relación con el capital de inversión que requiere. No obstante, durante muchos años se ha manejado con máquinas de importación y con el aprendizaje empírico que le ha dado la misma actividad productiva. Es por ello que las industrias sobre todo las pequeñas, no siempre pueden resolver los problemas que se presentan, por lo que la producción deja de ser óptima y acaba por afectar los costos del producto. Sin duda, es imperativo que los centros educativos ayuden a la industria y combatan esta deficiencia en la formación de profesionales especializados en el campo de los plásticos, su síntesis y procesamiento.
Desde el punto de vista básico, el problema no es nada sencillo. Entender cómo hacer fluir controladamente a un plástico a través de la maquinaria de procesamiento es un muy serio problema de flujo de fluidos. Igualmente, lograr un proceso para obtener un nuevo polímero es otro serio problema de química sintética. No se pueden improvisar profesionales que aborden estos delicados temas.
A pesar de que en México la investigación sobre materiales poliméricos se encuentra en una etapa temprana, ya existen varios grupos importantes, no sólo en el Distrito Federal, sino también en los estados (en Monterrey, Saltillo y Hermosillo), comprometidos con la formación de posgraduados en esta especialidad. En la Universidad de Sonora se hace hincapié en aspectos tanto básicos como aplicados de la ciencia de los polímeros. En el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), en Saltillo, la investigación tiene un carácter más práctico e industrial.
Figura 18. Arbusto del guayule. Una de las primeras investigaciones realizadas en el CIQA consistió en la extracción y el aprovechamiento del hule del guayule, que es un arbusto que abunda en nuestras zonas áridas.
ASPECTOS DE LA INDUSTRIA DE LOS POLÍMEROS
Es tal la cantidad de objetos de plástico que se fabrican actualmente, que se puede decir que estamos en la era de los plásticos. En países como Alemania y Estados Unidos el consumo volumétrico de materiales plásticos es ya superior al del acero. El cuadro 11 muestra cómo ha evolucionado la producción de plásticos en México y en el resto del mundo. Aquellos con volumen más grande de producción mundial son: polietileno (35%), policloruro de vinilo (21%) y poliestireno (10%).
CUADRO 11. Evolución de la producción de plásticos en México y en el mundo.
Año Producción mundial Producción de México
(Miles de ton) (Miles de ton)
1940 350
1950 700
1960 6 200
1970 25 000 136
1980 60 000 576
1990 90 000 1 400
PLÁSTICOS DE INGENIERÍA
Más de 70% de la producción mundial y mexicana de plásticos corresponde a los llamados plásticos de consumo, como el polietileno, el PVC el polipropileno y el poliestireno.
Otros tipos de plásticos, llamados de ingeniería, tienen mayor resistencia al calor y al impacto que los de consumo. A pesar de que constituyen alrededor del 2.5% de la producción mundial, representan, por sus propiedades particulares, aproximadamente 8% del valor total de la producción.
La disponibilidad de estos materiales hizo que su aplicación en mercados especiales, como el electrónico, el aeronáutico y el automotriz, creciera pronunciadamente.
Además de los de ingeniería, existen los plásticos de especialidad, como ciertos polímidas y plásticos biomédicos, que hasta hace poco eran considerados curiosidades de laboratorio. Estos representan cerca de 0.1% de la producción mundial.
Actualmente los países desarrollados están cerrando plantas productoras de plásticos de consumo debido, entre otras cosas, a que hay una gran competencia con los países productores de petróleo. Por esta razón se están enfocando a la producción de plásticos de ingeniería de especialidad, cuyos costos son, respectivamente, de 4 a 100 veces mayores que los de los plásticos de consumo (véase la figura 19).
Figura 19. Relación precio/volumen de producción para las resinas de consumo y de ingeniería. (Fuente: Comisión Petroquímica Mexicana-SEMIP, Plásticos de ingeniería, México, 1986.)
LA SITUACIÓN EN MÉXICO
En el año de 1950, con la producción de poliestireno empezó a funcionar la primera planta polimerizadora del país. Tres años después, tanto en Monterrey como en la ciudad de México iniciaron operaciones dos plantas productoras de PVC. Anteriormente, todo el plástico se importaba, bien como productos terminados o como maquinaria y materias primas.
En la década de los sesenta se inicia la integración vertical, con la producción nacional de moldes y equipo auxiliar, así como de monómeros (PEMEX en 1966 produce polietileno de baja densidad).
En los setenta, la industria de polímeros se expande ampliamente debido al incremento de la demanda nacional, y se exportan algunos productos. Este crecimiento originó fuertes importaciones, tanto de monómeros como de bienes de capital, y así, paradójicamente, el auge del petróleo acarreó un déficit de monómeros.
En 1981, antes de la crisis económica, ya se importaban 315 000 toneladas de petroquímicos básicos, las dos terceras partes del consumo nacional. Hacia 1984, las importaciones de los dos principales básicos (etileno y propileno) sumaron 220 millones de dólares. No obstante, continúa la exportación de PVC, fibra poliéster y algunos productos manufacturados.
En el cuadro 12 se muestra el consumo aproximado de plástico per cápita en algunos países en 1983.
CUADRO 12. Consumo per cápita de plásticos (1983), en kg/habitante.
Alemania 106
EUA 78
Japón 65
Brasil 16
México 12
Argentina 11
En el mundo 15
En nuestro país, alrededor de 32% de la producción está destinada a objetos de embalaje y envase. Otros mercados importantes son la construcción, los electrodomésticos y los juguetes. Menos de 1% está representado por el sector agrícola.
A pesar de su integración desarticulada, la industria de los polímeros le otorga al petróleo, materia prima de prácticamente todos los monómeros, un alto valor agregado. Por ello este sector tiene gran importancia en el desarrollo económico y tecnológico de nuestro país.
EL ENLACE POR PUENTE DE HIDRÓGENO
Antes de ingresar en el mundo de las macromoléculas que forman parte de los organismos vivos, y dada su importancia en estos sistemas, conviene que el lector se familiarice con un tipo de enlace especial, llamado por puente de hidrógeno.
Cada molécula conserva su estructura debido a la fuerza de los enlaces químicos que mantienen unidos a sus átomos. Ahora bien, una molécula de un compuesto puede interaccionar con el resto de las moléculas de la misma sustancia. De la magnitud de esta interacción intermolecular, que es menor que la del enlace químico, dependen muchas propiedades de las sustancias. Estas fuerzas son responsables, por ejemplo, de la existencia de los líquidos y los sólidos. Si no existieran atracciones intermoleculares, toda la materia sería gaseosa.
En ciertos compuestos que contienen hidrógeno, las fuerzas intermoleculares son especialmente fuertes. El agua es el primer caso notable (véase la fórmula 53). Por ello es que el agua es un líquido en las condiciones ambientales normales de la Tierra, lo cual ha hecho posible la aparición de vida en el planeta.
Fórmula 53. En el agua se establece un débil enlace intermolecular entre el oxígeno de una molécula y el hidrógeno de otra. Debido a ello el agua es líquida en condiciones ambientales, y es necesario emplear calor para romper los enlaces de hidrógeno y vaporizarla.
Es muy frecuente la presencia del enlace por puente de hidrógeno, el cual ocurre entre un hidrógeno (que generalmente presenta una ligera carga positiva) y un átomo sobre el cual exista una carga negativa neta (generalmente es el oxígeno, aunque el flúor y el nitrógeno también son buenos ejemplos). Más adelante tendremos oportunidad de ver varios casos de este tipo de interacción, que es crucial en multitud de eventos biológicos.
MACROMOLÉCULAS NATURALES
Nuestra piel, las plumas del pavo real, los cuernos de los toros, la seda, las garras de las águilas, la lana, el algodón, el ARN y el ADN, todos los aspectos de la vida misma están sustentados en las macromoléculas naturales. A continuación comentaremos algunos ejemplos específicos de ellas.
Tal vez el dímero más común en nuestras vidas sea la sacarosa, nombre químico del azúcar de mesa. Empecemos con él.
POLISACÁRIDOS
Los polisacáridos son polímeros de los azúcares, sustancias que llevan el nombre químico de carbohidratos. Éstos son compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, los dos últimos en la misma proporción que en el agua, es decir, dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno. Tal vez el carbohidrato más conocido sea la sacarosa, con fórmula C12 H22 O11, pues es el azúcar que utilizamos comúnmente en las comidas.
La sacarosa es un disacárido, o sea, está formada por dos moléculas de carbohidratos (monosacáridos) que se unen por condensación (véase la fórmula 54), con la eliminación de una molécula de agua. Uno de ellos, la glucosa C6 H12 O6, es el carbohidrato más utilizado por nuestro cuerpo como fuente de energía. El otro, la fructosa, un isómero con la misma fórmula, es el responsable del sabor dulce de algunas frutas. Precisamente de ahí toma su nombre.
Fórmula 54. La sacarosa, o azúcar común, es disacárido. Para simplificar, no se muestra que en cada vértice de los hexágonos y pentágonos hay un átomo de carbono, excepto en los que aparece el símbolo del oxígeno.
Otros disacáridos ampliamente conocidos son la lactosa, que se encuentra en la leche, y la maltosa, producto de la cebada.
La celulosa y el almidón son polisacáridos de la glucosa, donde el prefijo poli sí representa una multitud de moléculas de glucosa que se unen por condensación. La celulosa es uno de los principales elementos estructurales de las plantas, y el almidón constituye su reserva energética.
La celulosa es la sustancia orgánica más abundante en la tierra y únicamente algunas bacterias pueden digerirla, como las que se encuentran en el sistema digestivo de las termitas.
Por otra parte, una enorme cantidad de animales digiere el almidón, que es abundante en cereales y tubérculos, como el maíz y las papas.
La mayor diferencia estructural entre la celulosa y el almidón es la manera en que se unen las moléculas de glucosa, a través de uno de sus grupos OH (véase la fórmula 55).
Fórmula 55. a) La glucosa, que corresponde a la primera fórmula hexagonal de la fórmula 54, se muestra aquí en su acomodo espacial real. b) En ocasiones, la fórmula de (a) se simplifica de esta manera. c) Almidón. d) Celulosa. Los dos últimos son polímeros de la glucosa.
Esta diferencia puede parecer mínima, pero el resultado es espectacular.
a) En la celulosa, las moléculas de glucosa están colocadas en línea recta. Los enlaces por puente de hidrógeno entre cadenas vecinas dan lugar a estructuras relativamente rígidas, en las que hay pocas posibilidades de que penetren moléculas de agua. Al ser un polímero lineal, resulta óptima para construir microfibrillas, a partir de las cuales se constituyen todas las estructuras vegetales (del tallo, hojas y raíz).
b) Por el contrario, en el almidón las cadenas adquieren una configuración espiral, que hace al polisacárido menos rígido. Existe un menor número de enlaces por puentes de hidrógeno, así que el agua puede penetrar más fácilmente entre las cadenas. El almidón animal se encuentra en el hígado y los músculos. Se utiliza en las comidas como fuente de energía.
El algodón es la forma más pura de la celulosa. Contiene las fibras más largas, por lo que se emplea para fabricar ropa. Su capacidad de absorber agua se debe a que no todos sus átomos de oxígeno están contenidos en enlaces por puentes de hidrógeno, por lo que algunos de sus grupos -OH pueden interaccionar con moléculas de agua. La celulosa de la madera es de fibra más corta y no se puede utilizar en la industria textil, pero sí para fabricar papel.
Tal como lo conocemos, el papel es un invento chino de hace aproximadamente 2 000 años. Hoy se puede fabricar con un grosor menor que el del cabello humano.
La pulpa de la madera puede emplearse también en la preparación de otros productos, como los siguientes:
– Nitrato de celulosa. Se utiliza en la fabricación de explosivos, lacas y plásticos.
– Acetato de celulosa. Se emplea para hacer las películas de cine y, en forma de fibra, como la materia textil llamada rayón.
– Xantato de celulosa. Es ampliamente conocido con el nombre comercial de celofán. Se usa también para fabricar cuerdas de llantas.
PROTEÍNAS O POLIPÉPTIDOS
Las proteínas forman parte de todos los seres vivos y, como su nombre lo indica (proviene del griego proteios, que significa primero), son de primordial importancia para todos los organismos, desde un virus hasta una ballena. Participan en multitud de procesos biológicos esenciales, los cuales se resumen en el cuadro 13.
CUADRO 13. Función biológica de las proteínas.
Tipo general Función biológica
Estructural Constituyentes de pelo, lana, plumas (protección), músculos, seda, piel.
Respiratorio Transporte y almacenaje de oxígeno.
Enzimático Catálisis biológica. Reacciones de síntesis, oxidación, hidrólisis, etc.
Anticuerpos Defensa del organismo contra el ataque de agentes extraños, como virus y bacterias.
Hormonal Regulación del metabolismo.
Nucleoproteica Transmición hereditaria, síntesis de proteínas para formar tejidos.
Las proteínas son macromoléculas con pesos moleculares que van de 5 000 a varios millones de uma. La unidad fundamental (monómero) son los aminoácidos. A diferencia de los polisacáridos, en donde únicamente una molécula (la glucosa) se repite gran cantidad de veces, en las proteínas se tiene el agrupamiento de 20 aminoácidos diferentes. Por ello podemos decir que las proteínas son copolímeros. A partir de veinte diferentes monómeros, las posibilidades de construcción de polímeros son enormes, de allí que haya tal variedad de proteínas.
Los veinte aminoácidos naturales tienen en común la presencia de dos grupos funcionales, el grupo amino (-NH2) y el ácido carboxílico (-COOH), colocado éste sobre el mismo carbono que soporta al amino.
Fórmula 56. Estructura general de un aminoácido.
La fórmula 56 presenta la estructura general de un aminoácido y en el cuadro 14 se encuentran algunos ejemplos de los radicales R.
CUADRO 14. Algunos de los veinte aminoácidos naturales.
Fórmulas 57 a 66.
El aminoácido más simple es la glicina, en la que el radical R es un átomo de H. Al interactuar con otro aminoácido, como la alanina, con R=CH3, ambas moléculas se condensan, formando un dipéptido a través de la eliminación de una molécula de agua (véase la fórmula 67). El resultado descrito se denomina glicil-alanina.
Fórmula 67. Formación de un dipéptido. A partir de los aminoácidos más simples (glicina y alanina) puede formarse un dímero o dipéptido. Como se observa, la glicil-alanina contiene aún un grupo amino y un grupo ácido, por los cuales puede continuar reaccionando con otros aminoácidos para formar un polipéptido mayor.
Sin embargo, pudiera ocurrir que la molécula de agua se eliminara a partir del -OH de la alanina y el H de la glicina, con lo cual se forma la alanil-glicina. Así, un par de aminoácidos pueden formar dos dipéptidos.
Fórmula 68. El enlace peptídico es el lazo de unión entre los residuos de los aminoácidos de un polipéptido.
El enlace que se forma entre los dos aminoácidos se conoce como enlace peptídico (véase la fórmula 68). Es el mismo que se presenta en la polimerización del nailon.
La reacción entre dos dipéptidos genera un tetrapéptido. A partir de cuatro aminoácidos diferentes que reaccionen en todas las combinaciones posibles se puede producir un gran total de veinticuatro (4x3x2x1) tetrapéptidos. Si se utilizan 20 aminoácidos diferentes pueden obtenerse 2.43 X 1018 diferentes polipéptidos de veinte unidades, ¡nada menos que casi dos y medio trillones! Como vemos, hay una enorme cantidad de polipéptidos, de los cuales sólo una pequeña fracción constituye las proteínas de los seres vivos.
Desde luego, si pensáramos en combinar cualquier tipo de aminoácidos, y no sólo los 20 naturales, el número de polipéptidos sería impensable. La figura 20 presenta la secuencia de aminoácidos de una de las proteínas más simples.
ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS
La estructura de las proteínas es muy complicada, por lo que acostumbra analizarse en tres diferentes niveles.
La estructura primaria corresponde a la diferente secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica (véase la figura 20).
Figura 20. La insulina es una enzima producida por el páncreas que interviene en el metabolismo de los azúcares. Su ausencia causa la diabetes. Consiste de dos cadenas polipeptídicas con 21 y 30 residuos de aminoácidos. Ambas cadenas están enlazadas a través de puentes disolfuro provenientes del azufre de la cisteína. Cada terna de letras en la figura representa una abreviatura del nombre (en inglés) del aminoácido original (Gly=glicina, Val=valina, etcétera).
La estructura secundaria es el resultado de las interacciones entre diferentes porciones de la cadena proteica. En muchos casos tienen lugar a través de enlaces por puente de hidrógeno, lo cual origina que las cadenas adopten forma de hélice (véase la figura 21).
Figura 21. a) Las cadenas de polipéptidos pueden adquirir formas helicoidales. b) Su estructura de hélice se mantiene gracias a la presencia de enlaces de hidrógeno entre dos enlaces peptídicos que se encuentran a diferentes alturas.
El estadounidense Linus Pauling recibió el Premio Nobel de química en 1954 por sus estudios en la estructura de las proteínas. Años más tarde, su espíritu pacifista lo llevó también a obtener el Premio Nobel de la paz.
La estructura terciaria de las proteínas es consecuencia de la interacción entre las cadenas helicoidales a través, por ejemplo, de enlaces por azufre o de puentes de hidrógeno. Como resultado de ella, las hélices proteicas pueden adoptar diferentes formas (véase la figura 22).
Figura 22. Las hélices de polipéptidos pueden doblarse y enrollarse en formas complejas, lo que dota a las proteínas de estructura terciaria.
Como resultado de esta complejidad estructural, la variedad de funciones que adoptan las proteínas es muy amplia, como ya mencionamos.
Por ejemplo, el pelo humano y las plumas de las aves están formados de queratina. Esta proteína adopta la forma de una fibra, similar a los cables marinos de siete cabos, que constan de una hélice central y otras seis arrolladas a su alrededor.
Como otro ejemplo estructural, tanto la seda como las telas que tejen las arañas están hechas de fibroma, una proteína con estructura secundaria laminar, en lugar de helicoidal.
Finalmente, la función catalítica que llevan a cabo las enzimas es un ejemplo casi mágico de la importancia de la estructura proteica. Estas proteínas globulares son las responsables de acelerar la multitud de reacciones químicas de un organismo. La manera como lo logran es adoptando un arrollamiento tal que sólo da cabida a que se fije sobre su superficie (y en cierto sitio específico) una determinada molécula, la que debe reaccionar, y no otra (véase la figura 23). Lo que parece como de cuento es que este tipo de moléculas hayan aparecido, y sus medios de acción se hayan perfeccionado a lo largo de los 4 000 millones de años de existencia de condiciones propicias para el surgimiento y evolución de los seres vivos sobre la Tierra.
Figura 23. Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones biológicas. Para que sean activas requieren la presencia de una coenzima (como las vitaminas del complejo B). Estas parejas logran llevar a cabo reacciones específicas en los organismos vivos. En la figura se muestra la ruptura de un sustrato cualquiera. Las enzimas se emplean también en multitud de procesos industriales, como la manufactura de alimentos, vino y cerveza, fármacos, detergentes, textiles, cuero y papel.
ÁCIDOS NUCLEICOS O POLINUCLEÓTIDOS
La información genética (color de piel amarillo, pelo negro, ojos cafés, etc.) se encuentra guardada en los genes del núcleo de las células, en una macromolécula llamada ADN (ácido desoxirribonucleico). Esta información es transmitida a las células que fabrican las proteínas a través de otra macromolécula, el ARN (ácido ribonucleico), que es muy semejante al ADN. Estas dos macromoléculas, conocidas como ácidos nucleicos, son las más largas que se han descubierto hasta el momento y tienen masas moleculares superiores a 20 000 millones de uma. Son la parte fundamental de los sistemas de reproducción de todos los seres vivos, desde los virus hasta el homo sapiens. Pero ¿cómo están constituidas?
LAS BASES
Tanto en el ADN como en el ARN se encuentran diferentes moléculas cíclicas con varios átomos de nitrógeno. Por sus propiedades básicas son conocidas como bases púricas (aquellas derivadas de la purina) y bases pirimídicas (derivadas de la pirimidina). La fórmula 69 presenta las cinco bases de los ácidos nucleicos.
Fórmula 69. Fórmulas de las dos bases púricas y de las tres bases pirimídicas que forman parte de los ácidos nucleicos.
El ADN contiene cuatro de estas moléculas, y difiere del ARN en que la timina reemplaza al uracilo. Así, si damos la siguiente nomenclatura: A= ademina, G= guanina, C= citosina, U= uracilo, y T= timina, entonces los dos ácidos nucleicos contienen las siguientes bases:
ADN= A, G, C, T.
ARN= A, G, C, U.
LOS NUCLEÓSIDOS
Los nucleósidos consisten en la unión de una base púrica o pirimídica a una molécula de azúcar (sacárido). Los azúcares que se presentan contienen sólo cinco átomos de carbono y no seis, como en el caso de la glucosa y la fructosa. La ribosa (en el ARN) o la desoxirribosa (en el ADN) son los dos azúcares presentes en los ácidos nucleicos (véase la fórmula 70). La única diferencia entre estas dos moléculas es la presencia de un grupo OH adicional en la ribosa. Este simple cambio tiene, sin embargo, un profundo efecto en las funciones biológicas de la macromolécula.
Fórmula 70. La ribosa (a) y la desoxirribosa (b). Cuando estos azúcares se enlazan químicamente a las bases de la fórmula 69, se forman agregados que reciben el nombre de nucleósidos.
LOS NUCLEÓTIDOS
Se llama nucleótido al resultado de la unión de un nucleósido con un grupo fosfato (H2 PO-4). Es decir; están formados por una base (púrica o pirimídica), un azúcar (ribosa o desoxirribosa) y fosfato (véase la fórmula 71).
Fórmula 71. Estructura de un nucleótido con guanina como base y ribosa como azúcar.
ÁCIDOS NUCLEICOS O POLINUCLEÓTIDOS
Un nucleótido se une a otro por una reacción de condensación, formando polinucleótidos.
El ADN y el ARN son polinucleótidos en donde los fosfatos actúan como puentes de unión de diferentes nucleótidos. Con ello se forman larguísimas cadenas. La columna vertebral de la cadena está constituida por el grupo fosfato y el azúcar. Las bases pueden considerarse como ramificaciones. Como en el caso de las proteínas, la estructura primaria de estas macromoléculas se encuentra definida por la secuencia de los nucleótidos, la que, a su vez, depende de la base ligada al azúcar (véase la fórmula 72).
Figura 24. a) La doble hélice del ADN consiste en dos polinucleótidos enlazados a través de puentes de hidrógeno entre bases de cada cadena. b) Una timina de un lado se une con una adenina del otro. c) Una citosina con una guanina.
La ya famosa doble hélice corresponde a la estructura secundaria de los polinucleótidos. La forma helicoidal se adquiere gracias a la existencia de enlaces por puente de hidrógeno entre las bases de dos diferentes cadenas. Aquí se encuentra el secreto de la vida (véase la figura 24).
Fórmula 72. Segmento de polinucleótido. El orden en que se arreglan las bases a lo largo de la cadena es la clave de la información hereditaria de un individuo. En estas cadenas radica la química de la herencia.
J. Watson, F. Crick y M. Wilkins ganaron el Premio Nobel en 1962 por la elucidación de la estructura secundaria del ADN.
El orden en que están acomodadas las diferentes bases púricas y pirimídicas a lo largo de la hélice determina el mandato genético para producir, por ejemplo, una hormona humana o una célula sexual de una mosca.
…AL ADN
Fue en 1973 cuando, por primera vez, los bioquímicos lograron separar pedazos de genes de ciertas especies animales e introducirlos en otra especie. Es decir; hoy es perfectamente factible tomar un pedazo de ADN humano (el responsable de producir la insulina, por ejemplo) y pegarlo a un plásmido que se introduce a una bacteria. El resultado sorprendente es una colonia bacteriana que produce insulina humana. Con ello puede atenderse la necesidad de los enfermos de diabetes, que no pueden producir esta hormona pancreática.
Esta manipulación bioquímica ha generado una nueva rama de la ciencia, que se conoce como tecnología del ADN recombinante (rADN) o ingeniería genética. Y no es que el bioquímico pretenda tomar el lugar del ingeniero, sino que ahora él está en posibilidad de diseñar un nuevo tipo de estructuras: ¡las de los seres vivos!
No queremos terminar este libro sin mencionar y dar reconocimiento a un destacado científico mexicano: Francisco Bolívar Zapata. Fue el primero en describir; en 1977, un procedimiento para unir eficientemente moléculas de ADN y luego estabilizarlas en células bacterianas. Su artículo ha servido de base para más de 6 000 trabajos en la bibliografía mundial, lo cual constituye el récord para un científico latinoamericano. Bolívar estudió la carrera de química y luego la maestría en bioquímica en México. Fundó el Centro de Investigación en Ingeniería Genética y Biotecnología (hoy Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México) en Cuernavaca, Morelos. Por sus contribuciones recibió a fines de 1991 el Premio Príncipe de Asturias y en 1992 el Premio Nacional de Ciencias y Artes.
Ha terminado el camino del tequesquite al ADN. La trayectoria tomada puede haber parecido caótica y desarticulada, pero su elección ha pretendido mostrar algunos frutos de la ciencia central.
Esperamos que el lector haya podido apreciar la aportación de la química a algunos aspectos de nuestra sociedad moderna. No le debe caber duda alguna de que la ciencia ha actuado en los últimos 300 años como un enorme elemento transformador de nuestro modo de vida. Si tomamos la debida precaución en los efectos ecológicos de estas transformaciones y las guiamos con un estricto sentido ético, la ciencia nos proporcionará muchos beneficios y muy pocos dolores de cabeza.
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
Chow, S., Petroquímica y sociedad, colección La Ciencia desde México, Fondo de Cultura Económica, México, 1987.
Comisión Petroquímica Mexicana, Plásticos de ingeniería, SEMIP, México, 1988.
Eguiluz, "Diagnóstico de la industria de los polímeros en México", en Memorias del Segundo simposio nacional de polímeros, Urea, México, 1986.
Jones, M. M., J. T. Netterville, D. O. Johnson, y J. L. Wood, The World of Chemistry, caps. 15 y 16, Saunders, Filadelfia, 1992.
Hughes, T., Chemistry: Ideas to Interpret Your Changing Environment, caps. 9 y 10, Dickenson, Encino, 1975.
Mark, H. F., Móleculas gigantes, Colección Científica, Time Life, México, 1972.
Paladini, A. C. y M. Burachik, Macromoléculas. Monografías de química, núm. 3, OEA, Washington, 1968.
Ureta Barrón, E., Polímeros, ANUIES, México, 1975.
Contraportada
"La química es la ciencia de las transformaciones de la materia", proponen los autores de este libro como definición de la que consideran "ciencia central". En efecto, parece mentira que si tomamos un metal muy activo —el sodio— y un gas tóxico de tono verdoso —el cloro— obtengamos nada menos que la sal común de mesa con que condimentamos nuestros alimentos. Esta aparente "magia" del cambio químico ha fascinado al hombre desde sus primeros tiempos, y aún nos atrae, como a los primitivos, la visión del fuego, visión inexplicable, que transforma definitivamente los objetos que toca.
Pese a que el hombre a lo largo del tiempo aprendió en forma pragmática numerosos principios de la química, e incluso inventó una seudociencia paralela, la alquimia, apenas han pasado unos doscientos años desde que la química cuenta con una base sólida y un método científico propios. Mas en este corto tiempo, la química ha servido al hombre para crear nuevos materiales y, sobre todo, para interpretar una multitud de fenómenos que nos rodean, entre ellos el origen mismo de la vida.
En tiempos de cambios vertiginosos, los autores consideran perentorio presentar una imagen útil, cotidiana y, especialmente, accesible, de la química, en la estimación de que es "indispensable modificar radicalmente los esquemas prevalecientes de la difusión y enseñanza de las ciencias" en la esperanza, acorde con los principios de esta colección, de animar al lector a que profundice en sus lecturas sobre la materia y vencer, en los estudiantes, la fobia existente contra el aprendizaje de las ciencias.
Se inicia así el largo camino del tequesquite, la sal alcalina utilizada como condimento por los antiguos mexicanos al ADN, la estructura helicoidal que encierra el "secreto de la vida", ambos sustancias químicas: una sal y un polinucleótido.
Andoni Garritz y José Antonio Chamizo son profesores de tiempo completo del posgrado de la Facultad de Química de la UNAM, donde hicieron su licenciatura y maestría. Garritz se doctoró en esta facultad y Chamizo en la de Sussex, Inglaterra. Ambos son miembros del Sistema Nacional de Investigadores. Preocupados por la enseñanza de la química, han insistido en la necesidad de corregir la metodología didáctica de la ciencia en los niveles básicos. En esa concordancia, este libro ofrece un enfoque atractivo y pedagógico de varios lemas de la química, hecho de manera que justifique para esta disciplina el calificativo de "ciencia central".
Diseño: Carlos Haces/Fotografía: Carlos Franco
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Dr. Juan Ramón de la Fuente
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Dr. Tomás Garza
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Coordinadora:
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Primera edición (La Ciencia para todos), 1989
Segunda edición, 1995
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D.R. © 1989 FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S.A. DE C. V.
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