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- Herausgeber: Shackleton Books
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: Ciencia
- Sprache: Spanisch
Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos, la química está presente, de una forma u otra, en todos y cada uno de nuestros actos. Reacciones cotidianas no es un libro convencional de química. A pesar de que en él se tratan muchos de los principios fundamentales de esta importantísima disciplina científica, la forma de abordarlos se aleja de la tradicional. En él se analizan muchas de las aplicaciones que la química tiene en nuestras vidas a través de una serie de historias reales: las de los premios Nobel que han luchado contra el cáncer, las avispadas estrategias de marketing de las empresas de alimentación, los casos más mediáticos de dopaje o la creciente quimiofobia. Porque la química forma parte de nuestro día a día, es necesario saber qué información sobre ella es cierta y cuál es fruto de mitos y leyendas. Ningún modo mejor que este libro para conocer la verdad.
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Seitenzahl: 180
Veröffentlichungsjahr: 2020
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Reacciones cotidianas
Reacciones cotidianas
De la batalla contra la Covid-19 a la leche enriquecida, cómo la química está presente en nuestro día a día
José Manuel López Nicolás
Primera edición en Shackleton Books: noviembre de 2020
Reacciones cotidianas
© José Manuel López Nicolás, 2020
© 2020, de esta edición, Shackleton Books, S.L.
www.shackletonbooks.com
Realización editorial: Bonalletra Alcompas, S.L.
Diseño de cubierta: Pau Taverna
Diseño de tripa y maquetación (edición papel): Kira Riera
Composición ebook: Víctor Sabaté (Iglú de libros)
© Ilustraciones (referencias sobre la página de la edición en papel): Jordi Dacs págs. 29 (Ilustración a partir de la de ingenieriatextilbuap), 31 (Ilustración a partir de la de US-Gov [DP]/Wikimedia Commons).
© Fotografías (referencias sobre la página de la edición en papel): todas las imágenes de este volumen son de dominio público excepto las de las páginas 13 (a: Angels Tapias (Archivo Angels Tapias y Fabrice Confalonieri) [CC BY 3.0]/Wikimedia Commons, b: Kateryna Kon/Shutterstock), 15 y 18 (magufos), 50 (Frank Vincentz (Trabajo propio) [GFDL or CC-BYSA-3.0]/Wikimedia Commons), 56 (seehint), 58 (a: Fat Jackey/Shutterstock y b: Sailorr/Shutterstock), 62 (Xabigutierrrezcocinero), 78 y 140 (Designua/Shutterstock), 82 (a: Leonard Zhukovsky/Shutterstock y b: Mildronate (Trabajo propio) [CC BYSA 3.0]/Wikimedia Commons), 92 (api.ning), 96 (a: Sandbh (Trabajo propio) [CC BY-SA 4.0]/Wikimedia Commons y b: (agrega.educacion), 107 (yodito), 125 (salvabecedas), 130 (scientiablog), 133 (Atomic Energy Commission (1946-1975)-NAIL Control Number: NWDNS-326-COM-12NARA [DP]/Wikimedia Commons), 134 (chemistryabout), 137 (Slideplayer), 139 (a y b: Bengt Nyman (Flickr: IMG_7546 y IMG_7464) [CC BY 2.0]/Wikimedia Commons, c: Tomasz A. Wesolowski [CC BY-SA 3.0]/Wikimedia Commons), 147 (Franz Eugen Köhler, Köhler's Medizinal-Pflanzen (Imágenes de Koehler) [DP]/Wikimedia Commons), 148 (Simon A. Eugster (Trabajo propio) [GFDL or CC BY-SA 3.0]/Wikimedia Commons), 151 (Alila MedicalMedia/Shutterstock), 155 a y b: flickr.com/people/69061470@N05 [CC BY-SA 3.0], undefined/Wikimedia Commons, c: University of Chicago), 163 (adaptada de Symmetry_ 2019, _11_(10), 1249; https://doi.org/10.3390/sym11101249), 166 (ilustración adaptada de Centers for Disease Control and Prevention, USA), 168 (Adaptada de: Matencio, A., Navarro-Orcajada, S., Gonzáles-Ramón, A., García-Carmona, F., López-Nicolás, J. M., «Recent advances in the treatment of Niemann Pick disease type c: A mini review», International Journal of Pharmaceutics, 119440, 2020). Icons by Icons8.
ISBN: 978-84-18139-58-1
Reservados todos los derechos. Queda rigurosamente prohibida la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento y su distribución mediante alquiler o préstamo públicos.
Índice de contenido
¿Hay química en nuestras vidas?
La química no goza de una gran popularidad en la sociedad, pero es una disciplina científica indispensable en nuestras vidas. Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos está presente, de una forma u otra, en todos y cada uno de nuestros actos. En la alimentación, en la ropa, en los cosméticos, en las medicinas, en el deporte… la química está por todos lados.
Sin embargo, debemos reconocer que la mala imagen que tiene en la sociedad no está del todo injustificada. Durante muchos años, la industria química no ha hecho las cosas bien. Por un lado, encontramos los problemas que han afectado a áreas como el medio ambiente o la salud (afortunadamente en la actualidad los exhaustivos controles exigidos por la ley han subsanado muchos —si no todos— de esos problemas). Por otro lado, la comunidad científica no ha sabido comunicar al ciudadano los innumerables beneficios de la química. Aquí es donde entra en escena un libro divulgativo como este, en el que se explican las virtudes de la química y se mitigan, con argumentos rigurosos, los miedos sobre sus potenciales riesgos.
Reacciones cotidianas no es un libro convencional de química. A pesar de que en él se tratan muchos de los principios fundamentales de esta importantísima disciplina científica, la forma de abordarlos se aleja de la tradicional. En él se analizarán muchas aplicaciones de la química en nuestras vidas. ¿Cómo? A través de una serie de historias atractivas para el lector y en las que, aunque la química es el actor principal, aparecerán muchos otros actores secundarios.
Por ejemplo, paren un momento de leer y dediquen unos segundos a observar la ropa que llevan puesta. Luego piensen en el desodorante que han empleado esta mañana. Por último, recuerden el perfume que han usado. ¿Creen que no hay química detrás de todos esos productos?
La importante presencia de la química en nuestra alimentación y en la gastronomía de vanguardia es otro de los actores secundarios de este libro. Desde hace años la alta cocina ha estado presente en nuestras vidas de una forma hasta hace poco impensable. Sin embargo, cuando vemos un programa de televisión dedicado a la cocina o leemos un libro escrito por un gran cocinero, jamás nos paramos a pensar que detrás de esos suculentos platos se esconden innumerables procesos químicos. Para paliar esta «carencia», el presente volumen incluye un menú gastrocientífico.
Hemos considerado oportuno incluir también en este volumen un apartado destinado a la química en el deporte. No solo en su vertiente ilícita de herramienta para hacer trampas, pues aunque es cierto que los productos químicos están muy presentes en el dopaje deportivo también es verdad que gracias a la química los deportistas obtienen grandes beneficios. El principal de ellos, cómo no, es la mejora del rendimiento físico así como de su estado de salud. Además, realizaremos un completo repaso a qué sustancias químicas de las que se utilizan en los gimnasios han demostrado su eficacia y cuáles no.
Por su presencia en los medios de comunicación y en la publicidad de muchos productos, hay compuestos químicos que están en boca de todos. Me refiero al grafeno, al siliceno, a los ácidos grasos omega 3, a la taurina, etcétera. Desvelaremos cuáles de las propiedades que se les atribuyen son ciertas y cuáles son fruto de mitos y leyendas.
Hablaremos también de la quimiofobia, una absurda tendencia basada en el miedo irracional a los productos químicos empleados en diferentes sectores como la alimentación o la cosmética. El auge de las pseudociencias tendrá, por supuesto, un hueco en estas páginas. ¿Es la química una pseudociencia? Todo lo contrario… pero sí que sirve para desmontar una de las pseudociencias más famosas.
Tampoco podemos olvidar que la química desempeña un papel fundamental en la medicina moderna: premios Nobel, grandes batallas, las más innovadoras técnicas químicas y muchas enfermedades que, desgraciadamente, están muy presentes en nuestras vidas aparecerán en el libro para explicarnos el papel de la química en la salud.
Además, este libro contiene una sorpresa. Por primera vez, un investigador, quien suscribe, explica en una obra de divulgación científica un proyecto de investigación que aún está dando sus primeros pasos y que tiene como objetivo, ni más ni menos, que ayudar a combatir la pandemia provocada por el SARS-CoV-2 que está asolando a todo el planeta.
«Todo es química». Esta afirmación, muy popular en los últimos tiempos, no es del todo cierta. La ciencia actual no se basa en disciplinas científicas compartimentadas, sino en la asociación entre todas ellas. Los avances científicos no se entienden sin estrechas colaboraciones entre la química y otras ramas tradicionales de la ciencia como la física, la biología o las matemáticas, entre otras. Además, en esta primera parte del siglo xxi han nacido y se han consolidado nuevas disciplinas como la nanotecnología, la biotecnología o la cronobiología, que están suponiendo una gran revolución científica. Sin duda, la fuerte vinculación existente entre las «nuevas» ramas de la ciencia y la química tradicional, demuestra que la interdisciplinariedad es la base no solo de la química del futuro sino del futuro de la ciencia.
Comencemos.
Moda, aseo y belleza: la química inteligente
En este capítulo hablaremos de aromas eternos, de sujetadores revolucionarios, de desodorantes que no te abandonan, de pastillas que se supone que nos embellecen, de agentes químicos presuntamente peligrosos, y conoceremos el papel que desempeñan en todos ellos moléculas tan de moda como las ciclodextrinas o las maltodextrinas. Sabremos qué son y qué función desempeñan las enzimas, qué compuestos químicos son los que forman la licra o el spandex, por qué tienen mala fama los parabenos químicos, qué moléculas forman parte de la piel y de las cremas hidratantes, en qué consisten procesos tan vanguardistas como la encapsulación molecular o la polimerización interfacial, qué relación hay entre la famosa nutricosmética y la vitamina C o qué microorganismos hacen posible que olamos mejor.
Perfumes duraderos
A diario se producen en la naturaleza infinidad de procesos que, independientemente de la utilidad que los humanos podamos obtener de ellos, son de gran importancia para muchos otros seres vivos. Un fascinante ejemplo es el que vamos a descubrir a continuación: a través de un paseo por la química, la microbiología, la enzimología, la biotecnología y la nanotecnología analizaremos cómo una lucha a muerte entre dos microorganismos por obtener una fuente de alimentación puede dar lugar a un revolucionario perfume.
Imagínense un ring de boxeo. En una esquina del cuadrilátero se encuentra Lactobacillus helveticus, un tipo de bacteria empleada para hacer derivados lácteos. En la otra esquina está su eterno rival, Thermococcus sp. strain B1001, una arqueobacteria hipertermofílica que vive en ambientes extremadamente calientes. Se enfrentan para adueñarse del almidón presente en una patata situada en el centro del ring. Ambas quieren utilizarlo como fuente de energía.
Persiguen el mismo fin, pero emplean estrategias diferentes. Lactobacillus expulsa al medio de reacción extracelular en el que se encuentra el almidón, un sistema catalítico formado por las enzimas (proteínas que actúan como catalizadores que aceleran las reacciones) β-amilasa, α-amilasa, pululanasa e isoamilasa. Quiere que dichas enzimas degraden el almidón presente en la patata para convertirlo en otras sustancias químicas como las maltodextrinas y la maltosa. A continuación, y gracias a una proteína presente en la pared celular, las maltodextrinas y la maltosa entrarían en el interior de la célula donde servirían como fuente de carbono.
Thermococcus sp. strain B1001 y Lactobacillus helveticus.
La arqueobacteria Thermococcus es mucho más inteligente y usa una táctica totalmente distinta. En vez de utilizar el sistema de enzimas amilasas/pulanasas que despliega en el ring su adversario, Thermococcus excreta al medio extracelular una enzima llamada ciclodextrina-glicosil-transferasa (CGT-asa). Esta emplea el mismo sustrato que las amilasas, el almidón, pero el producto de la reacción no son ni maltodextrinas ni maltosas, sino unas moléculas denominadas ciclodextrinas. ¿Por qué las ciclodextrinas producidas por Thermococcus a partir del almidón de la patata le dan la victoria a este microorganismo? En primer lugar porque inactivan el centro activo de las enzimas empleadas por su gran rival, Lactobacillus, para degradar el almidón. En segundo lugar el sistema de amilasas/pulanasas que tiene Lactobacillus no es capaz de degradar la ciclodextrina generada por Thermococcus. Estas dos razones provocan que Lactobacillus se quede sin fuente de carbono tras el combate en el ring. Thermococcus ha ganado el combate, o eso cree él.
Enzimas, las proteínas catalizadoras
Las enzimas se clasifican en seis grandes categorías según la reacción química orgánica que es catalizada. Estas seis categorías son: oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas.
Las oxidorreductasas catalizan las reacciones de oxidación-reducción, es decir, la transferencia de electrones desde una molécula donante (el agente reductor) a otra aceptora (el agente oxidante). Un ejemplo es la enzima lipoxigenasa, responsable de la oxidación de ácidos grasos poliinsaturados como el ácido linoleico o araquidónico a sus correspondientes hidroperóxidos. Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo de una molécula a otra. Un ejemplo es la enzima glucoquinasa que cataliza la reacción de la glucosa con el ATP para formar glucosa-6-fosfato y ADP. El grupo transferido es un grupo fosforilo del ATP a la glucosa.Las hidrolasas son enzimas que catalizan la ruptura de diferentes tipos de enlaces químicos por hidrólisis, es decir, por una reacción entre una molécula de agua y otra molécula, en la cual la primera se divide y sus átomos pasan a formar parte de otra especie química.Las liasas son las enzimas encargadas de catalizar la ruptura de enlaces químicos en compuestos orgánicos por un mecanismo distinto a la hidrólisis y a la oxidación. También pueden catalizar la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. La piruvato descarboxilasa pertenece a esta clase de enzimas, ya que descompone al piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono. Las isomerasas son las responsables de catalizar las reacciones de isomerización, es decir, los cambios estructurales dentro de una misma molécula. Un ejemplo es la enzima glucosa-6-fosfato isomerasa presente en gran parte de los seres vivos y que cataliza el paso reversible de glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato.Las ligasas, llamadas también sintetasas, son aquellas enzimas que catalizan la unión de dos moléculas a partir de la formación de enlaces covalentes acompañado por la hidrolisis del ATP. Uno de los grupos más importantes dentro de la clasificación de las ligasas son las ADN ligasas. La unión de las ADN ligasas está formada por dos cadenas de ADN que se forman usando un diéster fosfórico.Para culminar su gran triunfo Thermococcus solamente tiene que introducir la ciclodextrina sintetizada en el interior de la célula y emplearla como fuente de carbono. Sin embargo, justo antes de que «se la coma» para obtener energía, llegan los seres humanos, conocedores del maravilloso valor industrial de esta molécula, e intervienen en el sistema mediante dos estrategias. Por un lado le robamos la ciclodextrina a Thermococcus y, por otro, ideamos mecanismos para producir aún más cantidad de esta sustancia. De esta forma el pobre Thermococcus se queda también sin comida por culpa del afán del hombre por apropiarse de su alimento.
Para incrementar la cantidad de estas, se emplean dos estrategias. La primera de ellas consiste en aislar aquellos microorganismos como Thermococcus que contengan la enzima responsable de formar la ciclodextrina (CGT-asa), purificarla y finalmente emplearla para degradar almidón de forma que se sintetice la ciclodextrina. La segunda estrategia se basa en el diseño, mediante ingeniería genética, de la CGT-asa sin necesidad de emplear los microorganismos como fuente para su fabricación.
Ahora llega la gran pregunta: ¿qué propiedades tienen esas ciclodextrinas para ser tan deseadas? Pues que son compuestos muy simples formados por diferentes moléculas de glucosa unidas por enlaces α-1-4-glucosídicos. El número de unidades de glucosa determina el nombre de cada ciclodextrina, que es designada por una letra griega: α-CD (6 unidades de glucosa), β-CD (7 unidades de glucosa), γ-CD (8 unidades de glucosa), etcétera. Además, las ciclodextrinas están sujetas a posibles adiciones, sustituciones o eliminaciones que den lugar a modificaciones en su estructura.
La peculiaridad de estas maravillosas moléculas es que, estructuralmente, tienen forma de anillo o tronco cónico con un interior altamente apolar y un exterior muy hidrofílico, lo que les otorga capacidad para encapsular una amplia variedad de moléculas orgánicas e inorgánicas, comúnmente denominadas moléculas huésped, dentro de su cavidad interna.
La encapsulación molecular
Los procesos de encapsulación fueron desarrollados por primera vez entre los años 1930 y 1940. La utilización de microcápsulas formadas por una cubierta externa que «atrapa» principios activos en su interior se suele emplear en una amplia gama de campos como la liberación controlada de sabores, colores, aromas, perfumes, fármacos y fertilizantes.
En la actualidad se emplean diferentes métodos de encapsulación dependiendo de las propiedades fisicoquímicas del agente encapsulante y la sustancia a encapsular, las aplicaciones para el material microencapsulado, el mecanismo de liberación deseado y el costo. Dentro de estos métodos de encapsulación destacan:
los procesos físicos (secado por aspersión, extrusión y recubrimiento por aspersión);los procesos fisicoquímicos (coacervación simple o compleja y atrapamiento en liposomas o ciclodextrinas);los procesos químicos (inclusión molecular y la polimerización interfacial).Proceso de encapsulación molecular.
Las ciclodextrinas producidas por la arqueobacteria Thermococcus tienen otra particularidad. No son cápsulas cerradas, sino que presentan forma de «dónuts», por lo que las moléculas que quedan atrapadas en su interior son liberadas poco a poco al medio externo. Pues bien, ese fenómeno de liberación controlada o release está siendo aprovechado por diferentes sectores industriales. Entre ellos destacan el de la alimentación, donde las ciclodextrinas forman parte de alimentos funcionales, el de la medicina, en la que se emplean en el tratamiento de determinadas enfermedades, el de la farmacología, donde se usan en el diseño de nuevos fármacos, el de la industria textil, en la que se usan como blanqueadores de tejidos… y también en cosmética, uno de los sectores empresariales con mayor facturación anual.
Ciclodextrinas naturales.
¿Para qué usan las principales marcas cosméticas las ciclodextrinas? Como sabemos, uno de los grandes inconvenientes que tienen muchos perfumes es que los compuestos responsables del olor se volatilizan al poco tiempo de usarlos y la fragancia desaparece. Lo mismo ocurre con el sabor de los chicles. Pues bien, las empresas de belleza más importantes del mundo están empleando la encapsulación molecular para solventar este problema.
La primera compañía que empleó ciclodextrinas en la formulación de sus perfumes fue Shiseido, una de las marcas de cosmética líderes. La compañía japonesa decidió emplear estas moléculas, originadas en la lucha entre Thermococcus y Lactobacillus, para diseñar uno de sus perfumes. Mediante un innovador proceso, diferentes aromas fueron encapsulados en el interior de las ciclodextrinas. Al aplicar el perfume sobre la piel los aromas se liberaban poco a poco y de esta forma su intensidad perduraba, y todo gracias a la encapsulación molecular.
Pues bien, desde que Shiseido decidió incorporar las ciclodextrinas a la formulación de sus perfumes para realizar procesos de encapsulación, los departamentos de Investigación y Desarrollo de muchas empresas de cosméticos hacen lo propio a diario con aromas químicos como el linalool, el mentol, el geraniol y otras sustancias para asegurar que el olor de sus fragancias no se pierda rápidamente, y todo gracias a los estudios que descubrieron cómo Lactobacillus y Thermococcus luchaban por el almidón presente en los alimentos.
¿Por qué tu desodorante nunca te abandona?
Hace unos años hizo fortuna una campaña publicitaria de un famoso desodorante que se presentaba bajo el eslogan de «No te abandona». Pues bien, ese compromiso, que durante mucho tiempo no tuvo más sentido que el publicitario, ya que en la composición del producto no existía ningún ingrediente que permitiese efectuar tal afirmación, ya está respaldado por la ciencia.
Tal y como se puede leer en los envases, una gran parte (que no todos) de los desodorantes de esa marca emplean un sistema que, según promete, se activa con cada movimiento, lo que permite que su efecto perdure más tiempo. ¿Y eso es posible? Sí.
Si observamos con detenimiento la lista de ingredientes de este tipo de desodorantes vemos que entre ellos aparece uno llamado maltodextrina, un polisacárido con capacidad encapsulante obtenido por la hidrólisis parcial, ácida y/o enzimática, del almidón de arroz, maíz o papa.
Desde el punto de vista químico, las maltodextrinas están formadas por unidades de D-glucosa unidas con enlaces alfa (1-4) y con un bajo número de enlaces alfa (1-6) en posición aleatoria, y se caracterizan por tener entre 2 y 20 equivalentes de dextrosa. A la vez poseen una gran solubilidad, una alta capacidad para unirse a moléculas huésped y, sobre todo, tienen un bajo costo comparadas con otros materiales encapsulantes.
Pues bien, si seguimos fijándonos en la lista de ingredientes observamos que también aparece una serie de compuestos aromáticos, como es el caso del geraniol, el linalool y otros muchos. ¿Qué tienen que ver estos aromas con las maltodextrinas? Gracias a su capacidad encapsulante estas son capaces de atrapar a las sustancias aromáticas presentes en la composición del desodorante, liberándolas poco a poco al medio externo. Es exactamente el mismo proceso que en el perfume del ejemplo anterior.
¿Y cómo se liberan las sustancias aromáticas? Cuando nos ponemos desodorante, las microcápsulas maltodextrinas/agente aromático se adhieren a nuestro cuerpo. A medida que vamos desarrollando nuestra actividad diaria, estas microcápsulas se van rompiendo por la fricción con la piel, y los compuestos olorosos se liberan de forma constante y gradual permitiendo que el olor agradable perdure y se prolongue la eficacia del desodorante durante un período superior al que se alcanzaría si los aromas no estuviesen encapsulados en las maltodextrinas. Y este es el motivo por el que el desodorante nunca te abandona. Así de fácil.
No daremos por zanjado el tema de los desodorantes sin antes abordar un tema polémico: los parabenos, principales conservantes químicos empleados en el mundo de los productos de belleza. El hecho de que en la mayoría de los productos cosméticos existan altas concentraciones de carbohidratos, aceites, minerales, proteínas y agua provoca que estos productos sean un caldo de cultivo perfecto que favorece el crecimiento de microorganismos. Por esta razón se hace necesaria la presencia de agentes conservantes, como los parabenos, que impidan que desodorantes, cremas y otros cosméticos se echen a perder. Estas sustancias se utilizan desde hace más de setenta años porque son excelentes conservantes. Se trata de moléculas inodoras, incoloras, no volátiles, estables y efectivas en un amplio espectro de pH.
Por causas que nada tienen que ver con el rigor científico, la presencia en las etiquetas de los cosméticos de nombres químicos como metilparabeno, propilparabeno o butilparabeno suelen encender todas las alarmas entre una parte muy significativa de la población, que está convencida de que estos compuestos son altamente peligrosos. ¿Es eso cierto? No. Aunque en 2004 un grupo de científicos publicó en la revista Journal of Applied Toxicology
