¿Qué es la fosfatidilserina?

La fosfatidilserina es un fosfolípido, del grupo de los glicerolípidos o fosfoglicéridos, que derivan del 1,2-diacil glicerol 3-fosfato. Ya que posee un grupo amino en su estructura, se considera un amino fosfolípido y está presente en membranas de células eucariotas y procariotas.

Fue descrita por primera vez por Folch, en 1941, como un componente secundario de la cefalina del cerebro bovino (un complejo lipídico cerebral conformado también por fosfatidiletanolamina) y, en 1952, Baer y Maurukas dilucidaron parte importante de su estructura química.

En los eucariotas, este fosfolípido representa entre el 3 y el 15% de los fosfolípidos membranales y la variación en su abundancia depende del organismo, del tipo de tejido, del tipo de célula e incluso del momento del desarrollo de la misma.

Distintos estudios han comprobado que está ausente en las mitocondrias de los eucariotas, pero se ha reportado su presencia en membranas celulares de muchas bacterias, aunque las rutas biosintéticas para su síntesis en estos organismos son diferentes.

La distribución de este fosfolípido en las membranas celulares depende, en esencia, de las enzimas responsables de su producción, y su movimiento (translocación) entre las monocapas de la membrana depende de la acción de amino fosfolípido-flipasas (en levaduras) y escramblasas y translocasas (en mamíferos).

Es un lípido esencial para muchas células del sistema nervioso, hasta tal punto, que en la actualidad se han desarrollado suplementos nutricionales que lo incluyen en sus formulaciones, para mejorar determinadas capacidades cerebrales y evitar la degeneración de otras.

Estructura de la fosfatidilserina

La fosfatidilserina es un glicerofosfolípido, y como tal deriva de una molécula de 1,2-diacil glicerol 3-fosfato, es decir, de una molécula de glicerol que en sus carbonos 1 y 2 posee dos cadenas de ácidos grasos esterificadas, y en el carbono 3 tiene un grupo fosfato.

Como todos los lípidos, la fosfatidilserina es una molécula anfipática, con un extremo polar hidrofílico representado por el grupo fosfato y la serina que se une a este, y un extremo apolar hidrofóbico, compuesto por las cadenas de ácidos grasos unidas mediante enlaces éster.

La denominación “fosfatidilserina” alude a todas las posibles combinaciones de ácidos grasos, de longitudes y grados de saturación variables, que se encuentran unidos a un esqueleto de glicerol con una serina unida al grupo fosfato en la cabeza polar.

Síntesis de la fosfatidilserina

• En procariotas. En los procariotas, la producen las enzimas fosfatidilserina sintetasas, que se asocian con la membrana plasmática o con las fracciones ribosomales, dependiendo de si se trata de bacterias gramnegativas o grampositivas, respectivamente. La síntesis de la fosfatidilserina en estos microorganismos está regulada y depende del tipo y la cantidad de lípidos disponibles en el lugar donde se encuentra la enzima sintetasa.
• En levaduras. La fosfatidilserina sintetasa de levaduras sintetiza fosfatidilserina a partir de la reacción entre el CDP-diacilglicerol y la serina, lo que genera fosfatidilserina y CMP. Este fosfolípido, en estos organismos, es un importante intermediario de la síntesis de fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina. Esta reacción es regulada por las concentraciones intracelulares de inositol, que tiene efectos inhibitorios sobre la enzima. Otros mecanismos involucran la fosforilación directa de la sintetasa o de alguna enzima reguladora involucrada en la ruta biosintética.
• En eucariotas superiores (plantas y animales). En organismos, como las plantas y los animales (considerados por algunos autores como eucariotas superiores), la síntesis de la fosfatidilserina ocurre a través de una reacción de cambio de base calcio-dependiente a través de enzimas asociadas con el retículo endoplásmico. En este tipo de reacciones, los fosfolípidos son sintetizados a partir de fosfolípidos preexistentes, de los cuales es removido el grupo polar y es intercambiado con una molécula de L-serina. En las plantas existen dos enzimas fosfatidilserina sintetasas: una que cataliza la reacción de cambio de base calcio-dependiente, y otra que se cataliza en una reacción similar a la que ocurre en las levaduras a partir de CDP-diacilglicerol. Los mamíferos también poseen dos fosfatidilserina sintetasas: una cataliza la síntesis de fosfatidilserina por una reacción de intercambio entre una fosfatidiletanolamina y una serina y la otra hace lo mismo, pero a partir de una fosfatidilcolina como sustrato base.

Funciones de la fosfatidilserina

• En la superficie celular. Además de sus funciones estructurales para el establecimiento de las membranas biológicas, la “redistribución” de la fosfatidilserina marca el inicio de numerosos procesos fisiológicos a nivel celular en los mamíferos, por lo que podría decirse que está implicada en diferentes procesos de señalización celular. Por ejemplo, en la coagulación sanguínea, la fosfatidilserina es traslocada hacia la monocapa externa de la membrana plasmática de las plaquetas, lo que contribuye a la acumulación de diversos factores de coagulación hacia la superficie de estas células. Un proceso similar ocurre durante la maduración de las células espermáticas, pero se considera más bien como una “disipación” de la distribución asimétrica de este fosfolípido (que enriquece la superficie interna de la membrana plasmática).
• Apoptosis. Los eventos iniciales de muerte celular programada también están caracterizados por la exposición de moléculas de fosfatidilserina hacia la superficie celular, que “marca” las células apoptóticas para ser digeridas por las células fagocíticas o los macrófagos.
• En el interior celular. Las funciones intracelulares de la fosfatidilserina se relacionan estrechamente con sus características ligeramente catiónicas, puesto que, a través de su carga, puede asociarse con diversas proteínas periféricas que poseen regiones con carga negativa. Entre estas proteínas pueden destacarse algunas quinasas y GTPasas, que se activan una vez se asocian con el fosfolípido en cuestión. La fosfatidilserina participa en el “etiquetado” de algunas proteínas para dirigirlas hacia los fagosomas en vías de reciclaje o degradación y también en la modificación de la actividad catalítica de otras. Se ha demostrado que la formación de determinados canales iónicos depende de la asociación de las proteínas que los constituyen con la fosfatidilserina.
• Síntesis. Es fuente de precursores para la síntesis de otros fosfolípidos como la fosfatidiletanolamina, que puede formarse a partir de la descarboxilación de la fosfatidilserina (la fosfatidilserina es el precursor de la fosfatidiletanolamina mitocondrial).

¿Dónde se encuentra la fosfatidilserina?

Como la mayor parte de los fosfolípidos, se encuentra en casi todas las membranas celulares y enriquece las membranas de las células de los tejidos nerviosos. En el ojo, es particularmente abundante en la retina.

En las células donde se consigue, en mayor o menor proporción, suele estar en la monocapa interna de la membrana plasmática y en los endosomas, pero es poco común en las mitocondrias.

Junto con la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilserina forma parte de una sustancia conocida como cefalina en el cerebro de muchos mamíferos.

Beneficios de su ingesta

La importancia que tiene la fosfatidilserina en el funcionamiento del sistema nervioso ha sido estudiada extensivamente, y desde hace varias décadas se considera que su ingesta puede ser beneficiosa para la salud del sistema nervioso central.

• Antiedad. Diversos estudios han concluido que la adición de fosfatidilserina en la dieta como un suplemento nutricional puede tener efectos positivos en la mejoría de los declives de memoria, aprendizaje, concentración y humor relacionados con la edad o el envejecimiento.
• Procesos cognitivos. Se piensa que previene la pérdida de la memoria y de otras actividades cognitivas, como el razonamiento, el pensamiento abstracto, el deterioro psicomotor, los cambios en la personalidad y el comportamiento y otras funciones mentales importantes.
• Antioxidante. También se ha sugerido que la fosfatidilserina no asociada con las membranas, ingerida como suplemento (exógena), puede contribuir en la defensa celular contra el estrés oxidativo

Contraindicaciones de la fosfatidilserina

Los primeros estudios y ensayos clínicos realizados con este fosfolípido como suplemento nutricional revelaron que la administración intramuscular puede causar irritación y “quemaduras”, y que su administración intravenosa no tiene efectos adversos conocidos.

Administrada oralmente parece ser un fármaco seguro, pero en dosis superiores a los 600 mg antes de dormir, puede causar insomnio. No obstante, los reportes indican que es seguro y efectivo, sobre todo si se combina con un estilo de vida saludable, que incluya ejercicio físico y buena alimentación.

Aunque gran cantidad de estudios han demostrado que la ingesta de este fosfolípido no produce cambios nocivos en la bioquímica sanguínea, una de las posibles contraindicaciones está relacionada con la transferencia de enfermedades infecciosas, como la encefalopatía espongiforme debida al consumo de extractos cerebrales contaminados con priones.

Referencias

1. Garrett, R., & Grisham, C. Biochemistry (4th ed.). CENGAGE Learning.
2. Kingsley, M. Effects of Phosphatidylserine Supplementation on Exercising Humans.
3. Luckey, M. Membrane structural biology: with biochemical and biophysical foundations. Cambridge University Press.
4. Segawa, K., & Nagata, S. An Apoptotic “Eat Me” Signal: Phosphatidylserine Exposure. Trends in Cell Biology.
5. Vance, J. E., & Steenbergen, R. Metabolism and functions of phosphatidylserine. Progress in Lipid Research.

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¿Qué son los fosfolípidos?

Los fosfolípidos son biomoléculas de naturaleza lipídica que poseen en sus estructuras, específicamente en sus cabezas polares, un grupo fosfato, y que como esqueleto principal pueden tener una molécula de glicerol 3-fosfato o una de esfingosina.

Muchos autores, sin embargo, cuando nombran los fosfolípidos, usualmente aluden a los glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos, que son lípidos derivados del glicerol 3-fosfato al que se encuentran esterificadas, en los carbonos de las posiciones 1 y 2, dos cadenas de ácidos grasos de longitudes y grados de saturación variables.

Los fosfoglicéridos representan el grupo más importante de lípidos de membrana y se distinguen principalmente por la identidad de los grupos sustituyentes unidos al grupo fosfato en la posición C3 del glicerol.

La fosfatidilcolina, la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilserina y el fosfatidilinositol son de los fosfolípidos más destacados, tanto por su abundancia como por la importancia de las funciones biológicas que ejercen en las células.

Características de los fosfolípidos

• Estructura. Son moléculas compuestas principalmente por dos partes estructurales: una “cabeza” polar y dos “colas” hidrofóbicas no polares. La cabeza polar contiene un grupo fosfato cargado y es hidrofílica, lo que significa que es soluble en agua. Las colas están compuestas principalmente por ácidos grasos, son hidrofóbicas y repelen el agua.
• Bicapa lipídica. En las membranas celulares, los fosfolípidos se organizan en una bicapa lipídica. En esta disposición, las cabezas polares de los fosfolípidos están orientadas hacia el agua, mientras que las colas hidrofóbicas se agrupan en el centro de la bicapa, alejadas del agua. Esta estructura de bicapa lipídica es fundamental para la integridad y la función de las membranas celulares.
• Anfipáticos. Son moléculas anfipáticas, es decir, tienen una región hidrofílica y una región hidrofóbica en la misma molécula. Esta propiedad les permite formar una barrera efectiva entre las fases acuosa y lipídica de las membranas celulares.
• Variabilidad de las colas. Los ácidos grasos que componen las colas de los fosfolípidos pueden variar en longitud y saturación de enlaces dobles. Esta variabilidad en las colas de los fosfolípidos afecta las propiedades físicas de las membranas celulares, como su fluidez y permeabilidad.
• Función en las membranas celulares. Son los componentes principales de las membranas celulares. Forman la estructura básica de la membrana y regulan su permeabilidad, permitiendo que ciertas sustancias entren o salgan de la célula. También participan en la organización de proteínas y otros lípidos en la membrana, lo que es esencial para su función.
• Emulsión de grasas. En el cuerpo, desempeñan un papel en la emulsión de grasas en el tracto digestivo, lo que facilita la digestión y absorción de lípidos en el intestino.

Estructura de los fosfolípidos

La mayoría de los fosfolípidos son lípidos ensamblados sobre un esqueleto de glicerol 3-fosfato, y por ello se conocen también como glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos.

Su cabeza polar la compone el grupo fosfato unido al carbono en la posición C3 del glicerol al que están unidos los grupos sustituyentes o “grupos cabeza” por medio de un enlace fosfodiéster. Estos grupos le dan la identidad a cada fosfolípido.

La región apolar está representada en las colas apolares, compuestas por las cadenas de ácidos grasos unidas a los carbonos de las posiciones C1 y C2 de la molécula de glicerol 3-fosfato por medio de enlaces éster o éter (éter-fosfolípidos).

Otros fosfolípidos tienen como esqueleto base a una molécula de dihidroxiacetona fosfato a la que los ácidos grasos se unen también a través de enlaces éter.

En muchos fosfolípidos de importancia biológica, el ácido graso en la posición C1 es uno saturado de entre 16 y 18 átomos de carbono, mientras que el de la posición C2 es a menudo insaturado y de mayor longitud (entre 18 y 20 átomos de carbono).

Normalmente, en los fosfolípidos no se encuentran ácidos grasos con cadenas ramificadas.

El fosfolípido más sencillo es el ácido fosfatídico, una molécula de glicerol 3-fosfato unida a dos cadenas de ácidos grasos (1,2-diacil glicerol 3-fosfato). Este es el intermediario clave para la formación de los demás glicerofosfolípidos.

Funciones de los fosfolípidos

• Estructurales. Los fosfolípidos, junto con el colesterol y los esfingolípidos, son los principales elementos estructurales para la formación de las membranas biológicas. Las membranas biológicas hacen posible la existencia de las células que componen todos los organismos vivos, así como la de los orgánulos en el interior de estas células (compartimentalización celular). Las propiedades fisicoquímicas de los fosfolípidos determinan las características elásticas, la fluidez y la capacidad de asociación con proteínas integrales y periféricas de las membranas celulares. En este sentido, las proteínas asociadas con las membranas interaccionan principalmente con los grupos polares de los fosfolípidos, y son estos grupos, a su vez, los que les confieren características especiales de superficie a las bicapas lipídicas de que son parte. Ciertos fosfolípidos, además, contribuyen a la estabilización de muchas proteínas transportadoras y otros ayudan a incrementar o potenciar su actividad.
• Comunicación celular. En términos de la comunicación celular, existen algunos fosfolípidos que cumplen funciones específicas. Por ejemplo, los fosfoinositoles son importantes fuentes de segundos mensajeros que participan en los procesos de señalización celular en las membranas donde se encuentran. La fosfatidilserina, un importante fosfolípido asociado esencialmente con la monocapa interna de la membrana plasmática, ha sido descrita como molécula “indicadora” o “marcadora” en las células apoptóticas, pues es traslocada hacia la monocapa externa durante los procesos de muerte celular programada.
• Energía y metabolismo. Al igual que el resto de los lípidos de membrana, los fosfolípidos son una fuente importante de energía calórica, así como de precursores para la biogénesis membranal. Las cadenas alifáticas (los ácidos grasos) que componen sus colas apolares son empleadas a través de complejas rutas metabólicas por las que se extraen grandes cantidades de energía en forma de ATP, necesaria para llevar a cabo la mayor parte de los procesos celulares vitales.
• Otras funciones. Ciertos fosfolípidos cumplen otras funciones como parte de materiales especiales en algunos tejidos. La dipalmitoil-fosfatidilcolina, por ejemplo, es uno de los principales componentes del surfactante pulmonar, una mezcla compleja de proteínas y lípidos cuya función es la de disminuir la tensión superficial en los pulmones durante la espiración.

Tipos de fosfolípidos

Los ácidos grasos unidos al esqueleto de glicerol 3-fosfato pueden ser muy variados, por lo tanto, un mismo tipo de fosfolípido puede consistir en un gran número de especies moleculares, algunas de las cuales son específicas para determinados organismos, para determinados tejidos e incluso para determinadas células dentro del mismo organismo.

Glicerofosfolípidos

Los glicerofosfolípidos, o fosfoglicéridos, son la clase más abundante de lípidos en la naturaleza. Tanto, que son el modelo empleado comúnmente para describir todos los fosfolípidos. Se encuentran principalmente como elementos estructurales de las membranas celulares, pero también pueden estar distribuidos en otras partes de la célula, aunque en mucha menor concentración.

Su estructura está formada por una molécula de 1,2-diacil glicerol 3-fosfato a la cual se une, mediante un enlace fosfodiéster, otra molécula de características polares que otorga una identidad específica a cada grupo de glicerolípido.

Por lo general, estas moléculas son alcoholes, como la etanolamina, la colina, la serina, el glicerol o el inositol, con lo que se forman las fosfatidiletanolaminas, las fosfatidilcolinas, las fosfatidilserinas, los fosfatidilgliceroles y los fosfatidilinositoles.

Además, pueden existir diferencias entre los fosfolípidos pertenecientes a un mismo grupo relacionadas con la longitud y el grado de saturación de las cadenas alifáticas que componen las colas apolares de los mismos.

Clasificación

De acuerdo con las características de los grupos polares, los glicerofosfolípidos se clasifican como:

• Glicerofosfolípidos cargados negativamente, como el fosfatidilinositol 4,5-bifosfato.
• Glicerofosfolípidos neutros, como la fosfatidilserina.
• Glicerofosfolípidos cargados positivamente, como la fosfatidilcolina y la fosfatidiletanolamina.

Éter-fosfolípidos y plasmalógenos

A pesar de que no se conoce a ciencia cierta la función que ejercen, se sabe que este tipo de lípidos se encuentra en las membranas celulares de algunos tejidos animales y en las de algunos organismos unicelulares.

Su estructura se diferencia de los fosfolípidos más comunes por el tipo de enlace por medio del cual se unen al glicerol las cadenas de ácidos grasos, pues se trata de un enlace de tipo éter y no éster. Estos ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados.

En el caso de los plasmalógenos, las cadenas de ácidos grasos están unidas a un esqueleto de dihidroxiacetona fosfato por medio de un doble enlace a los carbonos C1 o C2.

Los plasmalógenos son especialmente abundantes en las células del tejido cardíaco de la mayor parte de los vertebrados. Y muchos invertebrados, bacterias halófitas y algunos protistas ciliados poseen membranas enriquecidas con este tipo de fosfolípidos.

Entre las pocas funciones conocidas de estos lípidos está el ejemplo del factor activador de plaquetas en los vertebrados, que es un alquil-fosfolípido.

Esfingomielinas

Aunque pudiesen clasificarse junto con los esfingolípidos, dado que en su esqueleto principal contienen una molécula de esfingosina, estos lípidos representan la segunda clase más abundante de fosfolípidos de membrana.

Al grupo amino de la esfingosina se une, por medio de un enlace amida, una cadena de ácido graso, con lo que se forma una ceramida. El grupo hidroxilo primario de la esfingosina está esterificado con una fosforilcolina, que da lugar a una esfingomielina.

Estos fosfolípidos enriquecen las vainas de mielina que rodean las células nerviosas, que tienen gran protagonismo en la transmisión de los impulsos eléctricos nerviosos.

¿Dónde se encuentran los fosfolípidos?

Tal y como sus funciones lo indican, los fosfolípidos se encuentran mayoritariamente como parte estructural de las bicapas lipídicas que componen las membranas biológicas que encierran tanto las células como sus orgánulos internos en todos los organismos vivos.

Estos lípidos son comunes en todos los organismos eucariotas e incluso en muchos procariotas, donde ejercen funciones análogas.

Ejemplos de fosfolípidos principales

• Fosfatidilcolina (lecitina). Es uno de los fosfolípidos más abundantes en las membranas celulares de organismos eucariotas. Se encuentra en alimentos como la yema de huevo y la soja, y es conocida por su capacidad emulsionante. Es un componente importante de la bicapa lipídica de las membranas celulares y es esencial para su estructura y función.
• Fosfatidiletanolamina. Componente esencial de las membranas celulares y se encuentra en diversas proporciones en diferentes tipos de células. Participa en la organización y fluidez de la bicapa lipídica.
• Fosfatidilserina. Fosfolípido que se encuentra en las membranas celulares, especialmente en la membrana interna de las mitocondrias y en la membrana plasmática de algunas células. Cumple funciones importantes en la señalización celular y en la coagulación de la sangre.
• Fosfatidilinositol. Cumple una función clave en la señalización celular. Se puede fosforilar en diferentes posiciones de su cabeza polar para producir diferentes formas de fosfatidilinositol fosfatos (PIP), que actúan como mensajeros secundarios en vías de señalización intracelular.

Referencias

1. Garrett, R., & Grisham, C. Biochemistry (4th ed.). CENGAGE Learning.
2. Koolman, J., & Roehm, K. Color Atlas of Biochemistry (2nd ed.). Thieme.
3. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. Biochemistry (3th ed.). Pearson.
4. Nelson, D. L., & Cox, M. M. Lehninger Principios de Bioquímica. Ediciones Omega (5th ed.).
5. van Meer, G., Voelker, D. R., & Feigenson, G. W. Membrane lipids: where they are and how they behave. Nature Reviews.

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¿Qué es el glucógeno?

El glucógeno es el carbohidrato de almacenamiento de la mayor parte de los mamíferos. Los carbohidratos son comúnmente llamados azúcares y se clasifican de acuerdo al número de residuos originados por hidrólisis (monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos).

Los monosacáridos son los carbohidratos más simples que se clasifican de acuerdo al número de carbonos contenidos en su estructura. Existen entonces las triosas (3C), tetrosas (4C), pentosas (5C), hexosas (6C), heptosas (7C) y octosas (8C).

Según la presencia del grupo aldehído o del grupo cetona, estos monosacáridos se clasifican también en aldosas o cetosas, respectivamente.

Los disacáridos dan origen, por hidrólisis, a dos monosacáridos simples, mientras que los oligosacáridos producen de 2 a 10 unidades de monosacáridos, y los polisacáridos producen más de 10 monosacáridos.

El glucógeno es, desde el punto de vista bioquímico, un polisacárido compuesto por cadenas ramificadas de una aldosa de seis carbonos, es decir, una hexosa conocida como glucosa. Gráficamente puede representarse como un árbol de glucosa, y se conoce como almidón animal.

La glucosa en las plantas se almacena como almidón y en los animales como glucógeno, primordialmente en el hígado y en el tejido muscular.

En el hígado, el glucógeno puede llegar a constituir el 10% de su masa y el 1% de la masa muscular. Como en un hombre de 70 Kg el hígado pesa unos 1.800 g y los músculos unos 35 Kg, la cantidad total de glucógeno muscular es mucho mayor que la hepática.

Estructura del glucógeno

• Peso molecular. Puede llegar a 108 g/mol, que equivalen a 6×105 moléculas de glucosa.
• Formación. Está formado por múltiples cadenas ramificadas de α-D-glucosa. La glucosa (C6H12O6) es una aldohexosa que puede representarse en forma lineal o cíclica.
• Estructura. Posee una estructura muy ramificada y compacta, con cadenas de 12 a 14 residuos de glucosa en forma de α-D-glucosa que se enlazan con enlaces α-(1→4) glucosídicos. Las ramificaciones de la cadena se forman mediante enlaces α-(1→6) glucosídicos.
• Aporte. Al igual que el almidón que se ingiere en la dieta, aporta la mayor parte de los carbohidratos que el cuerpo necesita. En el intestino estos polisacáridos son degradados por hidrólisis y luego absorbidos hacia el torrente circulatorio principalmente como glucosa.
• Enzimas. Tiene tres: la ß-amilasa, la α-amilasa y la amilo-α-(1→6)-glucosidasa, responsables de la degradación intestinal tanto del glucógeno como del almidón. La α-amilasa hidroliza al azar los enlaces α-(1→4) de las cadenas laterales tanto del glucógeno como del almidón, y por ello recibe el nombre de endoglicosidasa. La ß-amilasa es una exoglicosidasa que va liberando dímeros de ß-maltosa rompiendo enlaces α-(1→4) glicosídicos desde los extremos de las cadenas más externas sin llegar a las ramificaciones.
• Dextrina límite. En vista de que ni la ß-amilasa ni la α-amilasa degradan los puntos de ramificación, el producto final de su acción es una estructura altamente ramificada de unos 35 a 40 residuos de glucosa que se denomina dextrina límite. La dextrina límite finalmente es hidrolizada en los puntos de ramificación que poseen enlaces α-(1→6) por medio de la amilo-α-(1→6)-glucosidasa, conocida también como enzima “desramificadora”. Las cadenas liberadas por esta desramificación son luego degradadas por la ß-amilasa y la α-amilasa. Como el glucógeno ingerido ingresa como glucosa, el que se encuentra en los tejidos deberá ser sintetizado por el organismo a partir de glucosa.

Síntesis del glucógeno

La síntesis de glucógeno recibe el nombre de glucogénesis y sucede sobre todo en el músculo y el hígado. La glucosa que ingresa al organismo con la dieta pasa al torrente circulatorio y de allí al interior de las células, donde inmediatamente es fosforilada por acción de la enzima glucoquinasa.

La glucoquinasa fosforila la glucosa en el carbono 6. El ATP proporciona el fósforo y la energía para esta reacción. Como resultado, se forma la glucosa 6-fosfato y se libera un ADP. Luego, la glucosa 6-fosfato se convierte en glucosa 1-fosfato por la acción de una fosfoglucomutasa que muda el fósforo de la posición 6 a la posición 1.

La glucosa 1-fosfato queda activada para la síntesis de glucógeno, que implica la participación de un conjunto de otras tres enzimas: la UDP-glucosa pirofosforilasa, la glucógeno sintetasa y la amilo-(1,4→1,6)-glicosiltransferasa.

La glucosa-1-fosfato, junto con la uridina trifosfato (UTP, un nucleósido de trifosfato de uridina) y por acción de la UDP-glucosa-pirofosforilasa, forma el complejo uridina difosfato-glucosa (UDP Glc). En el proceso se hidroliza un ion pirofosfato.

Después, la enzima glucógeno sintetasa forma un enlace glucosídico entre el C1 del complejo UDP Glc y el C4 de un residuo terminal de glucosa del glucógeno, y se libera el UDP del complejo activado de glucosa. Para que esta reacción ocurra debe existir una molécula preexistente de glucógeno llamada “glucógeno primordial”.

El glucógeno primordial se sintetiza sobre una proteína cebadora, la glucogenina, que tiene 37 kDa, y que se glicosila en un residuo de tirosina mediante el complejo UDP Glc. A partir de allí se van enlazando residuos de α-D-glucosa con enlaces 1→4 y se forma una pequeña cadena sobre la cual actúa la glucógeno sintetasa.

Una vez que la cadena inicial enlaza como mínimo 11 residuos de glucosa, la enzima ramificante o amilo-(1,4→1,6)-glicosiltransferasa transfiere un pedazo de cadena de 6 o 7 residuos de glucosa a la cadena adyacente en posición 1→6, con lo cual se establece un punto de ramificación. La molécula de glucógeno así construida va creciendo por adiciones de unidades de glucosa con enlaces glucosídicos 1→4 y más ramificaciones.

Degradación del glucógeno

La degradación del glucógeno recibe el nombre de glucogenólisis, y no es equivalente a la vía reversa de su síntesis. La velocidad de esta ruta está limitada por la velocidad de la reacción catalizada por la glucógeno fosforilasa.

La glucógeno fosforilasa se encarga de la escisión (fosforólisis) de los enlaces 1→4 de las cadenas de glucógeno, liberando glucosa 1-fosfato. La acción enzimática se inicia en los extremos de las cadenas más externas y se remueven secuencialmente hasta que quedan 4 residuos de glucosa a cada lado de las ramificaciones.

Luego, otra enzima, la α-(1→4) → α-(1→4) glucano transferasa, deja expuesto el punto de ramificación al transferir una unidad de trisacárido de una rama a otra. Esto permite que la amilo-(1→6)-glucosidasa (enzima desramificante) hidrolice el enlace 1→6 quedando removida la rama que sufrirá la acción de la fosforilasa. La acción combinada de estas enzimas termina escindiendo completamente al glucógeno.

Como la reacción inicial de la fosfomutasa es reversible, se puede formar glucosa 6-fosfato a partir de los residuos de glucosa 1-fosfato escindidos del glucógeno. En el hígado y en el riñón, pero no en el músculo, existe una enzima, la glucosa-6-fosfatasa, capaz de desfosforilar la glucosa 6-fosfato y convertirla en glucosa libre.

La glucosa defosforilada puede difundir a la sangre, y es así como la glucogenólisis hepática se refleja en un aumento de los valores de glucosa sanguínea (glicemia).

Regulación de la síntesis y la degradación

De la síntesis

Este proceso se ejerce sobre dos enzimas fundamentales: la glucógeno sintetasa y la glucógeno fosforilasa, de manera tal que cuando una de ellas está activa la otra está inactiva. Esta regulación evita que reacciones opuestas de síntesis y degradación ocurran simultáneamente.

La forma activa y la inactiva de ambas enzimas es muy diferente, y la interconversión de las formas activas e inactivas de la fosforilasa y de la glucógeno sintetasa está sometida a un estricto control hormonal.

La adrenalina es una hormona que se libera desde la médula suprarrenal, y el glucagón es otra que se produce en la parte endocrina del páncreas. El páncreas endocrino produce insulina y glucagón. Las células α de los islotes de Langerhans son las que sintetizan el glucagón.

Adrenalina y glucagón son dos hormonas que se liberan cuando se necesita energía en respuesta a la disminución de los niveles de glucosa en sangre. Estas hormonas estimulan la activación de la glucógeno fosforilasa e inhiben la glucógeno sintetasa, estimulando la glucogenólisis e inhibiendo la glucogénesis.

Mientras que la adrenalina ejerce su acción sobre el músculo y el hígado, el glucagón solo actúa sobre el hígado. Estas hormonas se unen a receptores membranales específicos en la célula blanco, lo que activa la adenilato ciclasa.

La activación de la adenilato ciclasa inicia una cascada enzimática que, por un lado, activa una proteinquinasa dependiente de AMPc que inactiva la glucógeno sintetasa y activa la glucógeno fosforilasa por fosforilación (directa e indirectamente, respectivamente).

El músculo esquelético posee otro mecanismo de activación de la glucógeno fosforilasa a través del calcio, que se libera como consecuencia de la despolarización de la membrana muscular al inicio de la contracción.

De la degradación

Las cascadas enzimáticas anteriormente descritas terminan aumentando los niveles de glucosa y cuando estos alcanzan cierto nivel, se activa la glucogénesis y se inhibe la glucogenólisis, inhibiéndose también la ulterior liberación de adrenalina y glucagón.

La glucogénesis se activa por medio de la activación de la fosforilasa fosfatasa, una enzima que regula la síntesis de glucógeno por varios mecanismos, que implican la inactivación de la fosforilasa quinasa y de la fosforilasa α, un inhibidor de la glucógeno sintetasa.

La insulina promueve el ingreso de la glucosa al interior de las células musculares, aumentando los niveles de glucosa 6-fosfato, que estimula la desfosforilación y activación de la glucógeno sintetasa. Así se inicia la síntesis y se inhibe la degradación del glucógeno.

Funciones del glucógeno

• Energía. El glucógeno muscular constituye una reserva energética para el músculo que, al igual que las grasas de reserva, le permiten al músculo cumplir con sus funciones. Siendo una fuente de glucosa, el glucógeno muscular se utiliza durante el ejercicio. Estas reservas aumentan con el entrenamiento físico.
• Hígado. En este órgano, el glucógeno también constituye una fuente importante de reserva tanto para las funciones hepáticas como para el aporte de glucosa al resto del cuerpo.
• Estabilidad de la glucosa. Esta función se debe al hecho de que el hígado contiene glucosa 6-fosfatasa, una enzima capaz de eliminar el grupo fosfato de la glucosa 6-fosfato y convertirla en glucosa libre. La glucosa libre, a diferencia de la glucosa fosforilada, puede difundirse a través de la membrana de los hepatocitos (las células del hígado). Así, el hígado puede aportar glucosa a la circulación y mantener los niveles de glucosa estables, aun en condiciones de ayuno prolongado. Esta función es de gran importancia, ya que el cerebro se nutre casi exclusivamente de la glucosa sanguínea, por lo que las hipoglucemias severas (muy bajas concentraciones de glucosa en sangre) pueden producir pérdida de conocimiento.

Enfermedades relacionadas con el glucógeno

Las enfermedades relacionadas con el glucógeno reciben el nombre genérico de “enfermedades por almacenamiento de glucógeno”.

Estas enfermedades constituyen un grupo de patologías hereditarias caracterizadas por el depósito en los tejidos de cantidades o tipos anormales de glucógeno.

La mayor parte de las enfermedades de almacenamiento de glucógeno se producen por un déficit de naturaleza genética de cualquiera de las enzimas involucradas en el metabolismo del glucógeno.

Se clasifican en ocho tipos, la mayoría de los cuales tienen nombres propios y cada una de ellas se produce por un déficit enzimático distinto. Algunas son mortales en etapas muy tempranas de la vida, mientras que otras se acompañan de debilidad muscular y déficit durante el ejercicio.

Ejemplos destacados

Algunas de las enfermedades relacionadas con el glucógeno más destacadas son las siguientes:

• La enfermedad de Von Gierke, o enfermedad por almacenamiento de glucógeno de tipo I, se produce por un déficit de glucosa 6-fosfatasa en hígado y el riñón. Está caracterizada por el crecimiento anormal del hígado (hepatomegalia) debido a la acumulación exagerada de glucógeno e hipoglucemia, ya que el hígado se vuelve incapaz de aportar glucosa a la circulación. Los pacientes con esta condición presentan alteraciones de crecimiento.
• La enfermedad de Pompe, o de tipo II, se debe a un déficit de la α-(1→4)-glucano 6-glicosiltransferas en el hígado, el corazón y los músculos esqueléticos. Esta enfermedad, al igual que la de Andersen o de tipo IV, es letal antes de los dos años de vida.
• La enfermedad de McArdle, o de tipo V, presenta un déficit de fosforilasa muscular y se acompaña de debilidad muscular, disminución de la tolerancia al ejercicio, acumulación anormal de glucógeno muscular y ausencia de lactato durante el ejercicio.

Referencias

1. Bhattacharya, K. Investigation and management of the hepatic glycogen storage diseases. Translational Pediatrics.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. Glycogen Storage Disease Type III. Gene Reviews.
3. Guyton, A., & Hall, J. Textbook of Medical Physiology (11th ed.). Elsevier Inc.
4. Mckiernan, P. Pathobiology of the Hepatic Glycogen Storage Diseases. Curr. Pathobiol. Rep.
5. Nelson, D. L., & Cox, M. M. Lehninger Principios de Bioquímica. Ediciones Omega (5th ed.).

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¿Qué es la benzoína?

La benzoína o benzoe es un sólido blanco cristalino con olor a alcanfor que consiste en un compuesto orgánico. Es una acetona, específicamente, una acetofenona con un hidroxi y fenil carbonos adyacentes. Se produce mediante la condensación catalítica del benzaldehído, con el cianuro de potasio como catalizador.

Fue reportada por vez primera en 1828 por Julius Von Liebig y Friedrich Woehler, durante sus investigaciones sobre un aceite de almendra amarga, que consistía en benzaldehído y ácido cianhídrico. La síntesis catalítica de la benzoína fue mejorada después por Nikolai Zinin.

La benzoína es prácticamente insoluble en agua, pero soluble en alcohol caliente y otros solventes orgánicos, como disulfuro de carbono y acetona.

Este nombre también se utiliza para referirse a la resina benzoína, obtenida del árbol Styrax benzoina. La resina contiene ácido benzoico, ácido fenilpropiónico, benzaldehído, ácido cinámico, benzoato de bencilo y vainillina, la cual le confiere un olor a vainilla.

Este aceite esencial no debe confundirse con el compuesto benzoína, el cual tiene diferente composición y origen.

Estructura de la benzoína

En la imagen de arriba se muestra la estructura molecular de la benzoína con un modelo de esferas y barras. Puede apreciarse que posee dos anillos aromáticos separados por dos carbonos portadores de oxígenos, de izquierda a derecha, CHOH, y CO. Nótese asimismo que los anillos tienen diferentes orientaciones en el espacio.

Predomina en su estructura la parte hidrofóbica, mientras que los oxígenos contribuyen ligeramente a su momento dipolar, ya que ambos anillos aromáticos atraen densidad electrónica hacia ellos, dispersando la carga de manera más homogénea.

El resultado es que la molécula de benzoína no es demasiado polar, lo cual justifica que sea poco soluble en agua.

Enfocándose en ambos átomos de oxígeno, se verá que el grupo OH podría formar un puente de hidrógeno intramolecular con el grupo carbonilo adyacente. Es decir, no unirían dos moléculas de benzoína, sino que se reforzaría una conformación espacial específica, impidiendo que rote demasiado el enlace H(OH)C-CO.

Aunque no se considera la benzoína como una molécula de alta polaridad, su masa molecular le otorga la suficiente fuerza de cohesión para definir un cristal blanco monoclínico, el cual funde alrededor de los 138 °C, y dependiendo del nivel de impurezas puede ser a una temperatura menor o mayor.

Propiedades de la benzoína

• Nombres. Algunos de sus muchos nombres adicionales son: 2-hidroxi-1,2-difeniletanona, benzoilfenilcarbanol, 2-hidroxi-2-Fenilacetofenona, 2-hidroxi-1,2-difenil-etano-1-ona.
• Fórmula molecular. C₁₄H₁₂O₂ o C₆H₅COCH(OH)C₆H_5.
• Masa molar. 212,248 g/mol.
• Descripción física. La benzoína es un sólido cristalino blanco a amarillo blancuzco con olor a alcanfor. Cuando se rompe, las superficies frescas tienen un color blanco lechoso. También puede presentarse como un polvo seco o cristales blancos o amarillos.
• Sabor. No descrito. Ligeramente acre.
• Punto de ebullición. 344 °C.
• Punto de fusión. 137 °C.
• Punto de Ignición. 181 °C.
• Solubilidad en agua. Prácticamente insoluble.
• Solubilidad en solventes orgánicos. Soluble en alcohol caliente y disulfuro de carbono.
• pH. En solución alcohólica es ácida, determinándose mediante papel litmus.
• Estabilidad. En estable. Es un compuesto combustible e incompatible con agentes oxidantes fuertes.
• Otra propiedad experimental. Reduce la solución de Fehling.

Síntesis de la benzoína

En la imagen inferior se tiene la reacción de condensación del benzaldehído para originar benzoína. Esta reacción se favorece en presencia de cianuro de potasio en disolución de alcohol etílico.

Dos moléculas de benzaldehído se unen covalentemente mediante la liberación de una molécula de agua.

¿Cómo sucede esto? Mediante el mecanismo ilustrado arriba. El anión CN^– actúa como un nucleófilo atacando el carbono del grupo carbonilo del benzaldehído. Al hacerlo, y con la participación del agua, el C=O se transforma en C=N, pero ahora el H está sustituido por un OH, y el benzaldehído pasa a ser el enolato de nitrilo (segunda fila de la imagen).

La carga negativa del nitrógeno se deslocaliza entre él y el carbono ^–C-CN. Este carbono se dice entonces que es nucleófilo (busca cargas positivas). Tanto es así que ataca el grupo carbonilo de otra molécula de benzaldehído.

Nuevamente, interviene una molécula de agua para producir un OH^– y desprotonar un grupo OH, el cual posteriormente forma un doble enlace con el carbono para dar lugar a un grupo C=O, a la vez que el grupo CN emigra como anión cianuro. Así, el CN^– cataliza la reacción sin consumirse.

Usos de la benzoína

• Agente intermediario. La benzoína interviene en la síntesis de compuestos orgánicos a través de la polimerización catalítica. Es intermediario para la síntesis de la oxima α-benzoína, un reactivo analítico para metales. Es un agente precursor del benzilo, el cual actúa como fotoiniciador. La síntesis del benzilo procede por oxidación orgánica mediante el uso de cobre (III), ácido nítrico u ozono. La benzoína se usa en la preparación de drogas farmacéuticas como la oxaprozina, el ditazol y la fenitoína.
• En alimentos. La benzoína se usa como agente saborizante de alimentos.
• Medicina humana y veterinaria. En veterinaria se usa como un antiséptico de aplicación tópica, empleado en el tratamiento de ulceraciones de la piel para producir su sanación. También se emplea en medicina, en las formulaciones para la elaboración de inhalantes para el tratamiento de la bronquitis y expectorantes de uso oral.
• Cuidado personal. La benzoína se usa en la elaboración de desodorantes.

Usos del aceite esencial de benzoína

• Estimula la circulación. Se ha señalado que este aceite esencial es un estimulante de la circulación. También se ha reportado una acción beneficiosa en el sistema nervioso, manifestada por un alivio de la ansiedad y el estrés.
• Antiséptico. Desinfecta las heridas abiertas.
• Bactericida y fungicida. Algunos compuestos presentes en el aceite esencial de benzoína, como el benzaldehído, el ácido benzoico y benzoato de bencilo, son sustancias bactericidas y fungicidas que previenen una situación de sepsis.
• Antiflatulento. Se ha señalado que tiene acción antiflatulenta y carminativa, efecto atribuido a su acción relajante de la musculatura abdominal.
• Diurético. Se le atribuye una acción diurética que contribuye a la eliminación de sustancias tóxicas para el organismo.
• Expectorante. Se emplea como expectorante que alivia la congestión de las vías respiratorias.
• Calmante. Se ha usado para aliviar la artritis, mediante la aplicación tópica que permite la absorción de los componentes medicinales a través de la piel.

Toxicidad de la benzoína

La benzoína por contacto produce enrojecimiento e irritación de piel y los ojos. Por inhalación del polvo del compuesto, se produce una irritación de las vías respiratorias, manifestada por tos. Sin embargo, en general no es un compuesto muy tóxico.

A la tintura de benzoína, un extracto alcohólico de la resina del árbol Stirax benzoina, se le han señalado un conjunto de acciones tóxicas. Quizás debido a que la tintura es una mezcla de compuestos, entre ellos, ácido benzoico, benzaldehído, etc.

El contacto con la piel no produce una irritación significativa. Pero el contacto con los ojos puede producir irritación, manifestada por enrojecimiento, dolor, lagrimeo y vista nublada.

La inhalación de los vapores de la tintura de benzoína puede provocar la irritación de las vías respiratorias, tos, estornudos, moqueo, ronquera y dolor de garganta.

Por último, la ingestión de la tintura puede producir irritación gastrointestinal, manifestada por dolor abdominal, náuseas, vómitos y diarrea.

Referencias

1. Benzoin (organic compound). Recuperado de en.wikipedia.org.
2. Benzoin. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Tim Soderberg. Vitamin B1. Recuperado de chem.libretexts.org.
4. Meenakshi Nagdeve. 11 wonderful benefits of benzoin essential oil. Recuperado de organicfacts.net.
5. Benzoin Essential Oil Beloved by Ancient Royalty. Recuperado de monq.com.

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¿Qué es el dodecil sulfato de sodio?

El dodecil sulfato de sodio (SDS) es una sal orgánica aniónica, sintética y anfifílica. La parte apolar e hidrofóbica, corresponde a la cadena hidrocarbonada, mientras que la parte polar e hidrofílica, es debida al sulfato, con carga negativa.

El SDS es un surfactante: sus moléculas se colocan sobre la superficie de las soluciones acuosas, produciendo una disminución de la tensión superficial. Esta característica permite su uso en champús, cremas dentales, jabones y otros artículos de cuidado personal y limpieza del hogar.

El dodecil sulfato de sodio se une a la proteína y produce su desdoblamiento, adquiriendo una forma alargada. Los grupos sulfatos quedan expuestos al agua, adquiriendo las proteínas cargas negativas, cuyo número es proporcional al peso molecular de las mismas.

Por esta razón, el SDS permite la determinación de los pesos moleculares de las proteínas mediante la electroforesis en poliacrilamida.

Aunque se ha sospechado un posible efecto carcinogénico del SDS, no se ha demostrado concluyentemente. El SDS puede producir, al igual que otros detergentes, irritación en la piel y en los ojos.

Estructura del SDS

En la primera imagen se mostró la molécula de SDS con un modelo de esferas y barras. Como se aprecia, tiene una cola carbonada hidrofóbica y apolar (esferas negras y blancas), y a la vez, una cabeza polar, gracias a la presencia del grupo -SO₄^– (esferas amarillas y rojas).

Aunque no se muestre, debería haber una esfera de color morado representando al catión Na⁺, justo al lado del grupo -SO₄^–, interaccionando electrostáticamente.

Dicho esto, se comprende a simple vista por qué este compuesto es anfifílico, e igualmente un tensioactivo aniónico, ya que la carga del SDS es negativa y puede atraer otros cationes, además del Na⁺.

La molécula da la falsa impresión de ser rígida, una estructura lineal inamovible. Sin embargo, es todo lo opuesto. El SDS podría compararse a un “gusano”, cuya cola carbonada presenta múltiples vibraciones y rotaciones de sus enlaces simples. Esto le hace capaz de adoptar distintas conformaciones o dobleces en el medio. En agua, por ejemplo.

Cristales

Si bien es cierto que el dodecil sulfato de sodio es una molécula dinámica, en el estado sólido no tiene necesidad de moverse demasiado, comportándose como una “simple” barra. Y así, cada molécula o barra se posiciona de tal modo que incremente las interacciones entre las colas carbonadas y, al mismo tiempo, las de sus cargas iónicas.

El resultado es la formación de un cristal monoclínico, donde las moléculas de SDS se empaquetan en varias columnas de barras (imagen superior). Las fuerzas intermoleculares que las unen son tales, que estos cristales requieren de una temperatura de 206 ºC para fundirse a la fase líquida.

Micelas

Fuera de la comodidad de sus cristales, la molécula de SDS ya no puede quedarse quieta. Empieza a retorcer su cola para aumentar o disminuir las interacciones con el medio exterior.

Si este medio es el agua, ocurre un fenómeno llamado formación de micelas: las colas carbonadas e hidrofóbicas se unen para acorazarse, mientras que las cabezas polares, los grupos -SO₄^–, permanecen en la superficie interaccionando con las moléculas de H₂O.

Entonces, la micela adquiere una morfología de elipsoide oblato (como la Tierra, pero más aplastada). En el cristal están como bloques de barras, y en un medio acuoso como micelas elipsoides. ¿Y si el medio fuera aceitoso? La micela se invertiría: las cabezas polares SO₄^– irían al núcleo, mientras que sus colas carbonadas quedarían expuestas al aceite.

Propiedades del dodecil sulfato de sodio

• Nombres. Dodecilsulfato sódico (SDS), laurilsulfato sódico (SLS).
• Fórmula molecular. C₁₂H₂₅O₄SNa.
• Masa molecular. 288,378 g/mol.
• Descripción física. Varias presentaciones: polvo seco, líquido o sólido húmedo. Sus cristales presentan una coloración blanca o cremosa.
• Olor. Olor tenue de las sustancias grasas, inodoro.
• Punto de fusión. 206 °C.
• Solubilidad en agua. 1·10⁵ mg/L. 1 g disuelto en 10 mL de una solución opalescente.
• Densidad. 1,01 g/cm³.
• Estabilidad. Es estable bajo las condiciones de almacenamiento recomendadas.
• Descomposición. Cuando se calienta a descomposición emite un humo blanco de óxido de azufre y óxido de sodio.
• Tensión superficial. 39,5 dinas/cm a 25 °C.
• Concentración molar crítica. Es 8,2 mM en agua pura a 25 °C.

Usos del dodecil sulfato de sodio

• Cuidado personal y limpieza doméstica. El dodecil sulfato es un surfactante que se usa en numerosos productos, como jabones de tocador, baños de espuma, cremas de afeitar, etc. Asimismo, se utiliza para eliminar manchas de ropa difíciles, en limpieza de los pisos y los baños, fregados de los artículos de la cocina, etc.
• Veterinaria. Se emplea como repelente de pulgas y garrapatas, presentes en animales. También se utiliza como humectante en algunos antibióticos, para uso oral o tópico.
• Medicina. Es microbicida contra los virus con envoltura, como el VIH, tipos 1 y 2, y el virus del herpes simple (HSV-2). También actúa sobre virus sin envoltura: el papilomavirus, reovirus, rotavirus y poliovirus. Sin embargo, este uso no está aprobado. Se ha sugerido el uso del SDS como ducha vaginal que suministre protección contra virus de transmisión sexual. Asimismo, en el procesamiento de la leche materna para eliminar o disminuir la posibilidad de la transmisión del VIH vía lactancia materna. Además de su acción antiviral, el SDS actúa sobre bacterias y hongos patógenos. El SDS elimina los factores de resistencia a las drogas y de transferencia de sexos de la E. coli, y bloquea el crecimiento de numerosas bacterias grampositivas.
• En el laboratorio. El SDS se une a las proteínas provocando su desnaturalización, suministrándoles cargas negativas y un cambio conformacional. Esto permite la determinación de sus pesos moleculares mediante la electroforesis en poliacrilamida. También se utiliza el SDS en la preparación de las muestras de tejido cerebral para su uso en microscopía óptica. Además, se emplea en la preparación de las muestras de sangre para el contaje de eritrocitos. El SDS es usado en la purificación de los ácidos nucleicos, debido a su capacidad para disolver las membranas y su acción inhibitoria sobre la actividad de las enzimas ARNasa y DNAasa. Además, el SDS es usado en la caracterización de compuestos de amonio cuaternarios.
• Aditivo de alimentos. El SDS se usa como emulsionante y espesante de los alimentos. Mejora la estabilidad y la textura de los productos horneados. Adicionalmente, se emplea como auxiliar en el batido de productos de huevo seco.
• Industria. El SDS se emplea en la industria de la galvanoplastia, particularmente del níquel y cinc, como emulsionante y penetrante en barniz y removedor de pintura, en la formulación de explosivos moldeados por inyección, y en los propulsores sólidos de cohetes como espumante.

Riesgos del SDS

La exposición constante a SDS puede provocar hiperplasia de la piel en cobayas. El conejo y los seres humanos son menos susceptibles a estas lesiones. El contacto directo con SDS a una concentración ≤ 20%, puede causar inflamación moderada e irritación de la piel.

Por otro lado, la exposición prolongada al SDS puede producir dermatitis, con signos de enrojecimiento, hinchazón y formación de ampollas.

El SDS puede producir por contacto irritación ocular. Puede además ser muy reactivo en algunas personas, y causar por inhalación irritación de las vías respiratorias y dificultad respiratoria.

En raras ocasiones, la ingestión de SDS puede provocar lesiones cáusticas. Pero ha sido reportado en niños que han ingerido SDS, vómitos profusos de rápido desarrollo, depresión del SNC y dificultad respiratoria.

No se han encontrado evidencias de genotoxicidad o de acción teratogénica en el SDS. En 242 pacientes con dermatitis eccematosa se halló un 6,4% de los pacientes con alergia, atribuible al uso del SDS.

Referencias

1. Sodium dodecyl sulfate. Recuperado de en.wikipedia.org.
2. Sodium dodecyl sulfate. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Hammouda, B. Temperature Effect on the Nanostructure of SDS Micelles in Water. Journal of research of the National Institute of Standards and Technology.
4. Sodium Dodecyl Sulfate. Recuperado de sciencedirect.com.
5. Sodium lauryl sulfate. Toxnet. Recuperado de toxnet.nlm.nih.gov.

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¿Qué es la estructura terciaria de las proteínas?

La estructura terciaria de las proteínas es la conformación tridimensional que adquieren las cadenas polipeptídicas al plegarse sobre sí mismas. Esta conformación aparece por interacciones entre las cadenas laterales de los residuos aminoácidos del polipéptido. Las cadenas laterales pueden interaccionar independientemente de su posición en la proteína.

Debido a que depende de las interacciones entre los grupos R, la estructura terciaria muestra aspectos no repetitivos de la cadena, pues estos grupos son diferentes para cada residuo aminoácido. La estructura secundaria, en cambio, depende de los grupos carboxilo y amino, presentes en todos los aminoácidos.

Algunos autores sugieren que las proteínas fibrosas poseen una estructura terciaria simple, pero otros señalan que esta estructura es propia de las proteínas globulares.

Proteínas fibrosas

En las proteínas fibrosas, las cadenas polipeptídicas están dispuestas en forma de largos filamentos o láminas, generalmente están conformadas por un tipo único de estructura secundaria. Esta estructura secundaria es, en la mayoría de los casos, más importante que la estructura terciaria en la determinación de la forma de la proteína.

Su función biológica es estructural, confiriéndole fuerza y/o elasticidad a los órganos y estructuras donde se encuentran, a la vez que las mantiene unidas. Todas las proteínas fibrosas son insolubles en agua, debido a la gran cantidad de residuos aminoácidos hidrófobos que presentan.

Entre estas proteínas fibrosas se encuentran las queratinas y el colágeno. Las primeras se hallan en tejidos conjuntivos y en estructuras como pelos, uñas (α-queratinas), escamas y plumas (β-queratinas). El colágeno, por su parte, se encuentra en huesos, tendones y piel, entre otros.

α-queratinas

Estas proteínas forman parte de las denominadas proteínas de los filamentos intermedios, que juegan un papel relevante en el citoesqueleto de organismos pluricelulares. Además, son el constituyente principal de pelos, uñas, lana, cuernos, pezuñas, y una de las principales proteínas de la piel animal.

La estructura de la molécula es una hélice α. Dos hebras de α-queratina pueden disponerse en forma paralela y enrollarse una sobre otra con sus grupos R hidrófobos interaccionando entre ellos. De esta manera se crea una estructura superhelicoidal u ovillo con arrollamiento hacia la izquierda.

La estructura terciaria de la α-queratina es simple y se encuentra dominada por la estructura secundaria de la α-hélice. Por otro lado, también está presente la estructura cuaternaria, puesto que participan dos moléculas en la estructura superhelicoidal, las cuales interaccionan por medio de enlaces no covalentes.

β-queratinas

La estructura primaria es similar a la de las α-queratinas, pero su estructura secundaria está dominada por láminas β. Son constituyente principal de las escamas de los reptiles y las plumas de las aves.

Colágeno

Esta proteína puede llegar a representar más del 30% de la masa total de proteína de algunos animales. Se encuentra en cartílagos, huesos, tendones, la córnea y la piel, entre otros tejidos.

La estructura secundaria del colágeno es única, estando representada por una hélice levógira con 3,3 residuos aminoácidos por cada vuelta. Tres cadenas de hélice levógiras (cadenas α) se enrollan unas sobre otras, dando una molécula superenrollada dextrógira, denominada por algunos autores como tropocolágeno.

Las moléculas de tropocolágeno se juntan para formar una fibra de colágeno que posee una gran resistencia, superior a la del acero y comparable con la del cobre de alta resistencia.

Otras proteínas fibrosas

Otros tipos de proteínas fibrosas las constituyen la fibroína y la elastina. La primera está formada por láminas β, constituidas principalmente por glicina, alanina y serina.

Las cadenas laterales de estos aminoácidos son de pequeño tamaño, por lo cual pueden empaquetarse estrechamente. El resultado es una fibra que es a la vez muy resistente y muy poco extensible.

En la elastina, por su parte, la valina sustituye a la serina entre sus aminoácidos constituyentes principales. Al contrario de la fibroína, la elastina es muy extensible, de allí su nombre. En la constitución de la molécula, también actúa la lisina, que puede participar en entrecruzamientos que permiten a la elastina recuperar su forma al cesar la tensión.

Proteínas globulares

Las proteínas globulares, al contrario que las fibrosas, son solubles y generalmente presentan varios tipos de estructuras secundarias. Sin embargo, en estas son más importantes las conformaciones tridimensionales que adquieren al plegarse sobre sí mismas (estructura terciaria).

Estas conformaciones tridimensionales particulares le confieren actividad biológica específica a cada proteína. La principal función de estas proteínas es reguladora, tal como ocurre con las enzimas.

Características de la estructura terciaria de proteínas globulares

La estructura terciaria de las proteínas globulares posee algunas características importantes:

• Son compactas gracias al empaquetamiento al plegarse la cadena polipeptídica.
• Los residuos aminoácidos distantes en la estructura primaria de las cadenas polipeptídicas quedan próximos, pudiendo interaccionar entre ellas a causa del plegado.
• Las proteínas globulares de mayor tamaño (de más de 200 aminoácidos) pueden poseer varios segmentos compactos, independientes entre ellos y con funciones particulares, y cada uno de estos segmentos recibe el nombre de dominio. Un dominio puede tener entre 50 y 350 residuos aminoácidos.

Reglas generales del plegamiento de las proteínas globulares

Como ya se señaló, las proteínas presentan formas particulares de plegado, que les confieren características también particulares. Este plegado no es aleatorio y se ve favorecido tanto por la estructura primaria y secundaria como por algunas interacciones no covalentes, e igualmente existen algunas restricciones físicas al plegado, por lo cual se han formulado algunas reglas:

• Todas las proteínas globulares poseen patrones de distribución definidos, con los grupos R hidrófobos dirigidos hacia el interior de la molécula y los residuos hidrófilos en la capa externa. Para ello se requieren al menos dos capas de estructura secundaria. El lazo β-α-β y el vértice α-α pueden aportar esas dos capas.
• Las láminas β se disponen generalmente en forma enrollada levógira.
• En una cadena polipéptida, pueden ocurrir diferentes giros para pasar de una estructura secundaria a otra, tales como los giros β o γ, que pueden lograr invertir la dirección de la cadena en cuatro residuos aminoácidos o menos.
• Las proteínas globulares poseen hélices α, láminas β, giros y segmentos estructurados irregularmente.

Desnaturalización proteica

Si una proteína pierde su estructura tridimensional nativa (natural), pierde su actividad biológica y la mayoría de sus propiedades específicas. A este proceso se le conoce con el nombre de desnaturalización.

La desnaturalización puede ocurrir cuando cambian las condiciones ambientales naturales, por ejemplo, al variar la temperatura o el pH. El proceso es irreversible en muchas proteínas. Sin embargo, otras pueden recuperar espontáneamente su estructura natural al restablecerse las condiciones ambientales normales.

Referencias

1. C.K. Mathews, K.E. van Holde & K.G. Ahern. Biochemestry. 3th edition. Benjamin / Cummings Publishing Company.
2. R. Murray, P. Mayes, D.C. Granner & V.W. Rodwell. Harper’s Biochemestry. Appleton & Lange.
3. J.M. Berg, J.L. Tymoczko & L. Stryer. Biochemestry. 5th edition. W. H. Freeman and Company.
4. W.M. Becker, L.J. Kleinsmith & J. Hardin. World of the Cell. 6th Edition. Pearson Education Inc.
5. A. Lehninger. Bioquímica. Ediciones Omega, S.A.

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¿Qué es la estructura secundaria de las proteínas?

La estructura secundaria de las proteínas es la conformación plegada localmente de algunas partes de la cadena polipeptídica. Esta estructura consta de varios patrones que se repiten de forma regular.

Existen muchas formas en las que se pliegan las cadenas de las proteínas. Sin embargo, solo unas pocas formas son muy estables. En la naturaleza, las formas más frecuentes que adquieren las proteínas son la hélice α y la lámina β. Estas estructuras pueden ser descritas por los ángulos de enlace ψ (psi), y φ (phi) de los residuos aminoácidos.

Las interacciones que se establecen entre las cadenas laterales de los residuos aminoácidos pueden ayudar a estabilizar o, por el contrario, desestabilizar la estructura secundaria de las proteínas. Esta estructura puede observarse en la constitución de muchas proteínas fibrosas.

Historia de la estructura secundaria de las proteínas

En la década del 30 del siglo pasado, William Atsbury, trabajando con rayos X, encontró que la proteína del cabello y la de las púas del puercoespín, poseían en su estructura segmentos que se repetían regularmente.

Con base en esos resultados, y con el conocimiento de la importancia que representan los enlaces de hidrógeno en la orientación de los grupos polares de los enlaces peptídicos, William Pauling y sus colaboradores determinaron hipotéticamente las posibles conformaciones regulares que podrían poseer las proteínas.

Pauling, en la década del 50, estableció varios postulados que debían cumplirse en los enlaces de las cadenas polipeptídicas, entre ellos, y en primer lugar, que dos átomos no pueden acercarse mutuamente a una distancia menor a la de sus respectivos radios de Van der Waals.

También indicaron que se necesitan enlaces no covalentes para estabilizar el plegado de las cadenas.

Basándose en estos postulados y los conocimientos previos, y empleando modelos moleculares, lograron describir algunas conformaciones regulares de las proteínas, entre ellas, las que posteriormente se demostró que eran las más frecuentes en la naturaleza, como la hélice α y la lámina β.

Hélice α

Es la estructura secundaria más simple, donde la cadena de polipéptidos se dispone en forma enrollada y compactada alrededor de un eje imaginario. Además, las cadenas laterales de cada aminoácido sobresalen de este esqueleto helicoidal.

Los aminoácidos, en este caso, se disponen de manera que presentan unos ángulos de enlace ψ de -45° a -50°, y φ de -60°. Estos ángulos se refieren al enlace entre el carbono α y el oxígeno del carbonilo y el enlace entre el nitrógeno y el carbono α de cada aminoácido, respectivamente.

Adicionalmente, los científicos han determinado que por cada giro de la hélice α se presentan 3,6 residuos aminoácidos, y que este giro siempre es dextrógiro en las proteínas. Además de ser la estructura más sencilla, la hélice α es la forma predominante en las α-queratinas, y cerca del 25% de los aminoácidos de las proteínas globulares adoptan esta estructura.

La hélice α está estabilizada gracias a que presenta numerosos puentes de hidrógeno. Así, en cada giro de la hélice se establecen tres o cuatro enlaces de este tipo.

En los puentes de hidrógeno, interaccionan el nitrógeno de un enlace peptídico y el átomo de oxígeno del grupo carbonilo del cuarto aminoácido subsecuente, en dirección del lado amino-terminal de esa cadena.

Los científicos han demostrado que una hélice α puede formarse con cadenas de polipéptidos formadas por L- o por D-aminoácidos, con la condición de que todos los aminoácidos tengan la misma configuración estereoisómera. Además, los L-aminoácidos naturales pueden formar hélices α con giro tanto hacia la derecha como hacia la izquierda.

Sin embargo, no todos los polipéptidos pueden formar hélices α estables, debido a que su estructura primaria afecta la estabilidad de esta. Las cadenas R de algunos aminoácidos pueden desestabilizar la estructura, impidiendo la conformación de las hélices α.

Lámina β

En la lámina β, o lámina plegada β, cada uno de los residuos aminoácidos presenta una rotación de 180° con relación al residuo aminoácido precedente. De esa forma, se obtiene como resultado que el esqueleto de la cadena de polipéptidos queda extendida y en forma zigzagueante o de acordeón.

Las cadenas polipeptídicas plegadas en forma de acordeón pueden colocarse adyacentes unas a otras y producir puentes de hidrógeno lineales entre ambas cadenas.

Dos cadenas polipeptídicas adyacentes pueden estar dispuestas en forma paralela, es decir, ambas pueden estar orientadas en dirección amino-carboxilo, formándose la lámina β paralela, o pueden estar ubicadas en direcciones opuestas, formándose entonces la lámina β antiparalela.

Las cadenas laterales de los residuos aminoácidos adyacentes sobresalen del esqueleto de la cadena en direcciones opuestas, dando lugar a un patrón alternante. Algunas estructuras proteicas limitan los tipos de aminoácidos de las estructuras β.

Por ejemplo, en proteínas densamente empaquetadas, son más frecuentes los aminoácidos de cadenas R corta, tales como glicina y alanina en sus superficies de contacto.

Otras conformaciones de la estructura secundaria

Hélice 3₁₀

Esta estructura se caracteriza por presentar 3 residuos aminoácidos por vuelta, en lugar de los 3,6 que presenta la hélice α, y un bucle de enlaces de hidrógeno compuesto por 10 elementos. Esta estructura ha sido observada en algunas proteínas, pero no es muy frecuente en la naturaleza.

Hélice π

Esta estructura, por su parte, presenta 4,4 residuos aminoácidos por giro de la espiral y un bucle de enlaces de hidrógenos de 16 elementos. Aunque esta configuración es estéricamente posible, nunca ha sido observada en la naturaleza.

La posible causa de ello puede ser su centro hueco, demasiado grande para permitir la actuación de las fuerzas de Van der Waals que ayudarían a estabilizar la estructura, y que, sin embargo, es demasiado pequeño para permitir el paso de moléculas de agua.

Estructura supersecundaria

Las estructuras supersecundarias son combinaciones de estructuras secundarias de hélices α y láminas plegadas β. Estas estructuras pueden presentarse en muchas proteínas globulares. Existen distintas combinaciones posibles, cada una de las cuales posee características particulares.

Algunos ejemplos de estructuras supersecundarias son: la unidad βαβ, en la cual dos láminas β paralelas están unidas por un segmento de hélice α. La unidad αα, caracterizada por dos hélices α sucesivas pero separadas por un segmento no helicoidal, asociadas por compatibilidad de sus cadenas laterales.

Varias láminas β pueden replegarse sobre sí mismas dando una configuración de barril β, mientras que una lámina β antiparalela replegada sobre sí constituye una estructura supersecundaria denominada llave griega.

Referencias

1. C.K. Mathews, K.E. van Holde & K.G. Ahern. Biochemestry. 3th edition. Benjamin / Cummings Publishing Company.
2. R. Murray, P. Mayes, D.C. Granner & V.W. Rodwell. Harper’s Biochemestry. Appleton & Lange.
3. J.M. Berg, J.L. Tymoczko & L. Stryer. Biochemestry. 5th edition. W. H. Freeman and Company.
4. J. Koolman & K.-H. Roehm. Color Atlas of Biochemistry. 2nd edition. Thieme.
5. A. Lehninger. Bioquímica. Ediciones Omega, S.A.

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¿Qué son los choques elásticos?

Los choques elásticos, o colisiones elásticas, consisten en interacciones breves pero intensas entre objetos, en las cuales tanto la cantidad de movimiento como la energía cinética se conservan. Los choques son sucesos muy frecuentes en la naturaleza: desde partículas subatómicas hasta galaxias, pasando por bolas de billar y autos de choque en los parques de atracciones, todos son objetos capaces de colisionar.

Durante una colisión o choque, las fuerzas de interacción entre los objetos son muy intensas, mucho más que las que puedan actuar externamente. De esta forma, se puede afirmar que durante la colisión las partículas forman un sistema aislado.

En tal caso se cumple que:

Donde P es el vector cantidad de movimiento, cuya magnitud es mv (masa por velocidad). Si la derivada de P es nula, significa que P es constante. Y esto quiere decir que no varía, que se conserva. Por lo tanto, podemos afirmar que:

P_o = P_f

La cantidad de movimiento P_o antes de la colisión es la misma que después de la colisión. Esto se cumple para cualquier tipo de colisión, elástica o inelástica.

Ahora hay que considerar lo siguiente: durante una colisión los objetos experimentan una cierta deformación. Cuando el choque es elástico, los objetos recobran rápidamente su forma original.

Conservación de la energía cinética

Normalmente, durante un choque parte de la energía de los objetos se gasta en calor, deformación, sonido y en ocasiones hasta en producir luz. Así que la energía cinética del sistema después de la colisión es menor que la energía cinética original.

Cuando la energía cinética K se conserva, entonces:

K_o = K_f

Lo cual significa que las fuerzas que actúan durante la colisión son conservativas. Mientras dura la colisión, la energía cinética se transforma brevemente en energía potencial y luego vuelve a ser energía cinética. Las energías cinéticas respectivas varían, pero la suma se mantiene constante.

Las colisiones perfectamente elásticas no son frecuentes, aunque las bolas de billar son una aproximación bastante buena, así como las colisiones que tienen lugar entre las moléculas de los gases ideales.

Choques elásticos en una dimensión

Examinemos una colisión de dos partículas de este en una sola dimensión; es decir, las partículas que interactúan se mueven, digamos, a lo largo del eje x. Supongamos que tienen masas m₁ y m₂. Las velocidades iniciales de cada una son u₁ y u₂ respectivamente. Las velocidades finales son v₁ y v₂.

Podemos prescindir de la notación vectorial, ya que el movimiento se realiza a lo largo del eje x, sin embargo, los signos (-) y (+) indican el sentido del movimiento. A la izquierda es negativo y a la derecha positivo, por convención.

Fórmulas para las colisiones elásticas

Para la cantidad de movimiento

m₁u₁ + m₂u₂ =m₁v₁ + m₂v₂

Para la energía cinética

½ m₁u²₁ + ½ m₂u²₂ =½ m₁v²₁ +  ½ m₂v²₂

Siempre que se conozcan las masas y las velocidades iniciales, es posible reagrupar las ecuaciones para encontrar las velocidades finales.

El problema es que, en principio, es necesario hacer un poco de álgebra bastante tediosa, pues las ecuaciones para la energía cinética contienen los cuadrados de las velocidades, lo cual hace engorroso el cálculo. Lo ideal sería encontrar expresiones que no los contengan.

Lo primero es prescindir del factor ½ y reordenar ambas ecuaciones, de tal forma que aparezca un signo negativo y las masas se puedan factorizar:

m₁u₁ – m₁v₁ =  m₂v₂ – m₂u₂

m₁u²₁ – m₁v²₁  = +   m₂v²₂ – m₂u²₂

Quedando expresadas de esta manera:

m₁(u₁ – v₁ ) = m₂(v₂ – u₂)

m₁(u²₁ – v²₁ )= m₂ (v²₂ – u²₂)

Simplificación para eliminar los cuadrados de las velocidades

Ahora hay que usar el producto notable suma por su diferencia en la segunda ecuación, con lo cual se obtiene una expresión que no contiene los cuadrados, tal como se quería originalmente:

m₁(u₁ – v₁ ) = m₂(v₂ – u₂)

m₁(u₁ – v₁ ) (u₁ + v₁ )= m₂ (v₂ – u₂) (v₂ + u₂)

El siguiente paso es sustituir la primera ecuación en la segunda:

m₂(v₂ – u₂) (u₁ + v₁ )= m₂ (v₂ – u₂) (v₂ + u₂)

Y al estar repetido el término m₂(v₂ – u₂) a ambos lados de la igualdad dicho término se cancela y queda así:

(u₁ + v₁)= (v₂ + u₂)

O aún mejor:

u₁ – u₂= v₂ –  v₁

Velocidades finales v₁ y v₂ de las partículas

Ahora se dispone de dos ecuaciones lineales con las que es más fácil trabajar. Las volveremos a colocar una debajo de la otra:

m₁u₁ + m₂u₂ =m₁v₁ + m₂v₂

u₁ – u₂= v₂ –  v₁

Multiplicando la segunda ecuación por m₁ y sumando término a término queda:

m₁u₁ + m₂u₂ =m₁v₁ + m₂v₂

m₁u₁ – m₁u₂= m₁v₂ – m₁ v₁

—————————————–

2 m₁u₁ + ( m₂ – m₁) u₂ = (m₂ + m₁) v₂

Y ya es posible despejar v₂. Por ejemplo:

Un tratamiento semejante se puede hacer para encontrar una ecuación para v₁. Se le deja al lector como ejercicio demostrar que:

Casos especiales en las colisiones elásticas

Como se dispone de ecuaciones para las velocidades finales de ambas partículas, es hora de analizar algunas situaciones especiales.

Dos masas idénticas

En ese caso m₁ = m₂ = m y:

v₁ = u₂

v₂ = u₁

Las partículas simplemente intercambian sus velocidades después de la colisión.

Dos masas idénticas, una de las cuales estaba inicialmente en reposo

De nuevo, m₁ = m₂ = m y suponiendo que u₁ = 0:

v₁ = u₂

v₂ = 0

Después del choque, la partícula que estaba en reposo adquiere la misma velocidad de la partícula que se venía moviendo, y esta a su vez se detiene.

Dos masas diferentes, una de ellas inicialmente en reposo

En este caso supongamos que u₁ = 0, pero las masas son distintas:

¿Qué pasa si m₁ es mucho mayor que m₂?

Sucede que m₁ sigue en reposo y m₂ se devuelve con la misma rapidez con la que impactó.

Coeficiente de restitución o regla de Huygens-Newton

Anteriormente se dedujo la siguiente relación entre las velocidades para dos objetos en colisión elástica: u₁ – u₂ = v₂ –  v₁. Estas diferencias son las velocidades relativas antes y después de la colisión. En general, para una colisión se cumple que:

u₁ – u₂ = -(v₁ –  v₂)

El concepto de velocidad relativa se aprecia mejor si el lector imagina que está sobre una de las partículas y desde esta posición observa la velocidad con que la otra partícula se mueve. La ecuación anterior se reescribe así:

Si la energía cinética no se conserva, entonces el cociente señalado será menor que 1. Llamemos e al valor de dicho cociente adimensional:

O bien:

El valor de e está comprendido entre 0 y 1 y se denomina coeficiente de restitución. Cuando el choque es elástico, e = 1. Cuando es totalmente inelástico, e = 0, mientras que si tiene algún otro valor intermedio, algo de la energía cinética se ha dispersado en otros tipos de energía.

Ejercicios resueltos

Ejercicio resuelto 1

Una bola de billar se mueve hacia la izquierda a 30 cm/s, colisionando de frente con otra bola idéntica que se mueve hacia la derecha a 20 cm/s. Las dos bolas tienen la misma masa y el choque es perfectamente elástico. Encontrar la velocidad de cada bola después del impacto.

Solución

u₁ = -30 cm/s

u₂ = +20 cm/s

Se trata del caso especial en que dos masas idénticas colisionan en una dimensión elásticamente, por lo tanto las velocidades se intercambian.

v₁ = +20 cm/s

v₂ = -30 cm/s

Ejercicio resuelto 2

El coeficiente de restitución de una pelota que rebota en el suelo es igual a 0,82. Si cae desde el reposo, ¿qué fracción de su altura original alcanzará la pelota después de rebotar una vez? ¿Y después de 3 rebotes?

Solución

El suelo puede ser el objeto 1 en la ecuación del coeficiente de restitución. Y siempre queda en reposo, de manera que:

Se escoge la dirección negativa hacia abajo y la positiva hacia arriba. La velocidad de un objeto que se suelta libremente desde cierta altura h_o es:

El signo (–) indica que la pelota desciende:

Con esta velocidad rebota:

El signo + indica que se trata de una velocidad ascendente. Y de acuerdo a ella, la pelota alcanza una altura máxima de:

Ahora regresa al suelo de nuevo con velocidad de igual magnitud, pero signo contrario:

Y rebota con:

Con ello alcanza una altura máxima de:

Llega de nuevo al suelo con:  

Rebotes sucesivos

Cada vez que la pelota rebota y asciende hay que multiplicar la velocidad de nuevo por 0.82:

Y alcanza una altura máxima determinada por el cuadrado de dicha velocidad:

A estas alturas h₃ es aproximadamente el 30% de h_o. ¿Cuál sería la altura al 6to rebote sin necesidad de hacer cálculos tan detallados como los anteriores?

Sería h₆ = 0.82¹² h_o = 0.092h_o o apenas el 9% de h_o.

Ejercicio resuelto 3

Un bloque de 300 g se mueve hacia el norte a 50 cm/s y choca contra un bloque de 200 g que se dirige hacia el sur a 100 cm/s. Suponga que el choque es perfectamente elástico. Encuentre las velocidades después del impacto.

Datos

m₁ = 300 g ; u₁ = + 50 cm/s

m₂ = 200 g ; u₂ = -100 cm/s

Ejercicio resuelto 4

Se libera una masa de m₁ = 4 kg desde el punto indicado sobre la pista sin fricción, hasta que colisiona con m₂ = 10 kg en reposo. ¿Hasta qué altura se eleva m₁ después de la colisión?

Solución

Puesto que no hay rozamiento, se conserva la energía mecánica para encontrar la velocidad u₁ con que m₁ impacta a  m_2. Inicialmente, la energía cinética es 0, puesto que m₁ parte del reposo. Cuando se mueve sobre la superficie horizontal no tiene altura, por lo cual la energía potencial es 0.

mgh = ½ mu₁ ²

u₂ = 0

Ahora se calcula la velocidad de m₁ después de la colisión:

El signo negativo significa que se ha devuelto. Con esta velocidad asciende y se conserva la energía mecánica de nuevo para encontrar h’, la altura a la cual logra ascender después del choque:

½ mv₁² =mgh’

Obsérvese que no regresa al punto de partida a 8 m altura. No tiene energía suficiente porque cedió parte de su energía cinética la masa m_1.

Referencias

1. Giancoli, D. Physics: Principles with Applications. 6^th. Ed Prentice Hall.
2. Rex, A. Fundamentos de Física. Pearson.
3. Serway, R., Vulle, C. Fundamentos de Física. 9^na Cengage Learning.
4. Tipler, P. Física para la Ciencia y la Tecnología. 5ta Ed. Volumen 1. Editorial Reverté.
5. Tippens, P. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. MacGraw Hill.

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¿Qué es un globo aerostático?

Un globo aerostático es una nave aérea que permite elevar carga y personas por el aire y que funciona mediante el principio de flotabilidad. No requiere de alas ni aspas ni de motor para elevarse. Basta que en una bolsa, balloon o globo, esté encerrado un gas más liviano que el aire circundante.

Este gas suele ser aire caliente, ya que al ser más liviano que el aire frío circundante le permite ascender o flotar. Sujeta al globo va una canasta o cabina, donde se coloca carga y/o pasajeros.

Generalmente, los globos aerostáticos no tienen ningún tipo de propulsor, por lo que la dirección de vuelo la determina el viento, aunque la mayoría de globos aerostáticos tienen un sistema que permite controlar la altura.

Historia del globo aerostático

La invención del globo aerostático corresponde a los hermanos Montglofier, Joseph-Michel y Jacques-Étienne, quienes lo mostraron públicamente el 4 de junio de 1783 en Francia, aunque sus primeros modelos habían sido realizados un año antes.

Joseph y Etienne soñaban con la posibilidad de volar desde largo tiempo atrás, pero no habían encontrado la manera.

La inspiración llegó cuando Joseph sostuvo su camisa por el cuello en el aire caliente que ascendía por la chimenea, y se dio cuenta de que ese aire podía elevarla. Entendieron que el aire caliente es más liviano que el aire frío y por eso flota.

La tarea a realizar era encerrar ese aire en una bolsa lo suficientemente grande como para elevar una carga. Evidentemente, a mayor carga, mayor debía ser el volumen de la bolsa que contendría el aire caliente.

En septiembre de 1782 construyeron un globo de un metro cúbico de capacidad que llenaron con aire caliente que logró elevarse hasta 30 metros. Ya para diciembre, construyeron uno de mayor capacidad, tres metros cúbicos, con el que siguieron sus experimentos.

En abril de 1783 lograron elevar hasta 365 metros un globo de 10 metros de diámetro, de 850 metros cúbicos de volumen. En junio de ese mismo año hicieron una demostración pública del invento.

La demostración ante el rey Luis XVI

La gran demostración ocurrió en septiembre de 1783 en Versalles, ante la mirada del rey Luis XVI, la reina María Antonieta, toda la corte francesa y un público de 130.000 personas, quienes quedaron perplejas por la demostración.

A bordo de la canasta del globo iban un gallo, una oveja y un pato. Un mes después ocurrió el primer vuelo de un humano en globo aerostático.

El primer hombre que se elevó por los cielos con globo aerostático fue Jean-François Pilâtre de Rozier (octubre de 1783). Lamentablemente, dos años después Jean-François y un acompañante murieron en un accidente de globo aerostático.

Otro hito histórico ocurrió en 1792, cuando por primera vez se usó el globo aerostático con propósitos militares. La demostración del Real Colegio de Artillería de Segovia fue hecha ante la presencia del rey Carlos IV de España.

En octubre de 1797 André Jacques Garnerin hizo el primer salto en paracaídas desde un globo aerostático que volaba por los cielos parisinos.

Características del globo aerostático

Los principales rasgos característicos de un globo aerostático son:

• Es un artefacto flotador, no volador.
• Son necesarias adecuadas condiciones de corriente de aire para garantizar la flotabilidad y la seguridad.
• Tiene una envoltura o globo de tela resistente y liviana que se llena de aire caliente.
• El aire que llena la envoltura se calienta mediante unos quemadores a gas.
• La carga y los tripulantes van en una canasta que cuelga del globo y está confeccionada con materiales livianos.

Partes del globo aerostático

Las tres partes principales de un globo aerostático son:

• La envoltura.
• Los quemadores.
• La canasta o barquilla.

La envoltura o vela tiene forma abultada o de globo, está hecha de tiras de tela liviana e impermeable que se cosen para dar la forma esférica.

Actualmente, las telas e hilos usados para la confección de la envoltura son de fibra de nylon o de poliéster, pero es de hacer notar que estas fibras no existían cuando los primeros globos aerostáticos aparecieron. La fibra de nylon se inventó en 1938 y el poliéster en 1946. La envoltura de los primeros globos se confeccionaba con seda o papel.

La función de la vela o envoltura es la de almacenar el aire caliente y garantizar la flotabilidad del globo aerostático. A pesar de que la tela es resistente, es necesario en la confección de la vela colocar cintas longitudinales y transversales de refuerzo.

La parte superior de la vela tiene una válvula de solape o desgarro, conocida como paracaídas, que se acciona mediante una cuerda que al jalarse permite la salida de aire caliente, de modo tal que pueda controlarse el ascenso o la altura.

Quemadores y combustible

En la parte superior externa de la vela se tienen unas cuerdas que van unidas al final de las cintas de carga y ayudan en el inflado y desinflado de la vela. Los quemadores están orientados de tal modo que el fuego apunta hacia la entrada o boca de la envoltura.

El combustible que se usa para calentar el aire y llenar la envoltura es el propano. Los tanques de propano que sirven para llenar el globo de aire al comienzo permanecen en tierra. A bordo pueden ir otros más pequeños, como tanques de mantenimiento.

La cesta o canasta del globo aerostático sigue construyéndose con mimbre. Se han intentado otros materiales livianos y resistentes, pero el mimbre sigue teniendo cuatro características primordiales: es barato, liviano, resistente y absorbe los impactos del aterrizaje.

El piso de la cesta está hecho de madera contrachapada y tiene cables de acero que la rodean vertical y longitudinalmente para ser enganchada en las cintas de refuerzo de la vela y en los soportes del quemador.

Equipamiento moderno

Aparte de este equipamiento básico, en la actualidad los tripulantes de globos disponen de algunos instrumentos de vuelo como:

• Altímetro.
• Termómetro.
• Brújula.
• Extintores de fuego.
• GPS.
• Equipos de radio.

Funcionamiento del globo aerostático

Antes de hacer funcionar un globo hay que cuidar todos los preparativos, entre ellos, y no menos importante, elegir adecuadamente el lugar de vuelo.

En esta elección ha de tenerse en cuenta que el lugar no presente torres o cables de alta tensión eléctrica, la dirección y la velocidad del viento y hacia qué área será dirigido el globo.

Para inflar el globo, se coloca en el suelo y mediante un ventilador se llena de aire caliente. El proceso detallado del inflado es como sigue:

• Se estira la vela desplegándola horizontalmente mediante el uso de las cintas de carga de ambos lados de la misma. Para esta operación se requiere como mínimo de dos personas.

• Es muy importante verificar que los cierres o velcros del paracaídas o válvula de corona estén sellados, para que no se escape el aire caliente durante el llenado.
• La vela se llena mediante ventiladores que, si son suficientemente potentes, inflan el globo. Luego se procede a encender los quemadores para introducir más aire caliente que complete el llenado de la vela.
• Con la vela bien abierta y sujeta al menos por dos personas, se dirigen los quemadores hacia el interior del globo y se encienden por intervalos cortos hasta que el globo se eleve y tense los cables y cuerdas que lo sujetan a la cesta. La cesta debe estar anclada a tierra para evitar una elevación no deseada.
• Una vez llena de aire caliente, la vela se eleva, indicando que el globo está listo para su uso. El globo debe estar sujeto al suelo para evitar que se eleve sin control.

¿Cómo maniobrar el globo?

Al soltar las amarras, el globo sube. La dirección del mismo la determinan las corrientes de aire. Pero a distintas alturas, estas corrientes pueden tener direcciones diferentes, por lo que controlando la altura también es posible elegir la dirección del vuelo.

Cuando se quiere ascender o se quiere mantener la altura, se activan los quemadores, pero para bajar se desactivan, de modo tal que el aire en el interior del globo se enfría y se hace más pesado, por lo que comienza a descender.

Si se observa que el descenso es muy rápido deben activarse nuevamente los quemadores para reducir la velocidad de bajada.

Es muy importante que una vez que la cesta toque tierra, los pasajeros permanezcan en ella hasta que esté completamente amarrada al suelo. De lo contrario, el globo puede comenzar a elevarse nuevamente y ocasionar un percance no deseado.

Tipos de globos aerostáticos

Los globos aerostáticos pueden clasificarse en varios tipos, dependiendo de sus características.

• No dirigibles. Carecen de sistema de propulsión, por lo que su desplazamiento en distancia y dirección queda determinado por las corrientes de aire atmosféricas. Tienen una gran bolsa que retiene el aire que calienta un quemador situado en la entrada inferior o boca de la vela, que dirige el aire caliente hacia su interior. En este tipo de globos los pasajeros van en una cesta que se une a la vela mediante cables y correas. Las maniobras se limitan a controlar el ascenso y el descenso. Sin embargo, a distintas alturas, las corrientes de aire pueden apuntar hacia direcciones distintas, lo que da a este tipo de globos aerostáticos cierto margen de direccionalidad.
• Dirigibles. A veces se les conoce con el nombre de dirigibles, o en alemán, zeppelin. La principal característica es que tienen un motor propulsor que les permite decidir y mantener la dirección del vuelo, incluso contra el viento. Por lo general, el globo es cerrado y se llena con un gas más liviano que el aire, como el hidrógeno o el helio. El hidrógeno es altamente inflamable, mientras que el helio, por ser un gas noble, no tiene el riesgo de incendiarse o explotar. En los dirigibles, la altura del globo es relativamente constante.
• Mixtos. Son aquellos que tienen una porción de gas liviano, como helio, encerrado en globos que aligeran el peso total, pero también poseen la vela que se llena con el aire caliente proveniente de los quemadores. Pueden tener o no sistema de propulsión.
• No tripulados. Generalmente se usan para fines publicitarios, en ferias y otros eventos. Se mantienen amarrados a una altura constante. Este tipo de globos usan gas en vez de aire caliente. Entre los globos no tripulados están los globos metereológicos, que van ascendiendo permanentemente y envían datos a tierra mediante señales de radio. Estos datos son altura, temperatura, velocidad y dirección del viento, presión atmosférica y otros datos de interés.
• Tripulados, Requieren de un tripulante y son generalmente de aire caliente. Este tipo de globos es usado por aficionados al vuelo, pero puede tener fines comerciales y turísticos. También hay competiciones en las que se establecen puntos de partida y llegada y se evalúa la capacidad de los tripulantes para lograr las metas propuestas.

Cómo hacer un globo aerostático casero

Este tipo de globos se comercializa también con el nombre de los globos del deseo, porque generalmente se pide un deseo cuando se eleva.

Materiales

• Una bolsa grande de las que se usan para basura, buscando que sea de plástico delgado, no las ultra fuertes que son de plástico más grueso.
• Un par de alambres delgados pero rígidos. Puede utilizarse el alambre que se usa en construcción. Los alambres de los colgadores de ropa son muy gruesos y pesados (no sirven para el experimento).
• Alambre delgado de cobre o de los que se usan para los arreglos florales.
• Una mota de algodón o papel de baño o sanitario.
• Alcohol de quemar.
• Un mechero de alcohol.
• Cuatro trocitos de cinta adhesiva.

Procedimiento

• Abrir la bolsa, de modo que se puedan tomar las medidas de la boca abierta de la bolsa.
• Una vez obtenidas las medidas, cortamos dos alambres que se unirán formando una cruz, cuya finalidad es la de mantener el extremo inferior de la bolsa bien abierto. Los extremos de estos alambres deben estar doblados en L de longitud aproximada de 1 cm.
• Para unir la cruz usamos el cable delgado de cobre. También en la intersección de los dos alambres fijamos la mota de algodón o de papel de baño que impregnamos de alcohol de quemar.
• Fijamos la cruz al extremo abierto de la bolsa para que quede bien abierta.
• Luego sujetamos la bolsa por la parte superior para que tome la forma de globo.
• Para calentar el aire en el interior de la bolsa, al comienzo se coloca un mechero de alcohol en el suelo, lo que hará que el aire caliente entre a la bolsa y desplace el aire frío.
• Cuando se observe que la bolsa está bien hinchada, se enciende la mota de algodón o papel que está en la base en forma de cruz y se suelta el globo en cuanto nos percatemos de que quiere elevarse.

Referencias

1. Briceño, G. Globo aerostático. Recuperado de euston96.com.
2. Como hacer un globo aerostático casero. Recuperado de espaciociencia.com.
3. Descripción de un globo. Recuperado de ballooning.es.
4. El vuelo en globo aerostático. Recuperado de pasionporvolar.com.
5. Globo aerostático. Recuperdo de es.wikipedia.org.

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¿Qué son los choques inelásticos?

Los choques inelásticos, o colisiones inelásticas, son una breve e intensa interacción entre dos objetos en la cual la cantidad de movimiento se conserva, pero no así la energía cinética, de la cual un porcentaje es transformado en algún otro tipo de energía.

Los choques o colisiones son frecuentes en la naturaleza. Las partículas subatómicas colisionan a altísimas velocidades, mientras que muchos deportes y juegos consisten en continuas colisiones. Hasta las galaxias son capaces de colisionar.

En realidad, la cantidad de movimiento se conserva en cualquier tipo de colisión, siempre y cuando las partículas que colisionan conformen un sistema aislado. Así que en este sentido, no hay problema. Ahora bien, los objetos poseen energía cinética asociada al movimiento que tienen. ¿Qué puede suceder con esa energía al momento de chocar?

Las fuerzas internas que tienen lugar durante el choque entre los objetos son intensas. Cuando se afirma que la energía cinética no se conserva, significa que se transforma en otros tipos de energía. Por ejemplo, en energía sonora (una colisión aparatosa tiene un sonido distintivo).

Más posibilidades de uso para la energía cinética: calor por fricción, y desde luego, la inevitable deformación que sufren los objetos al colisionar, como las carrocerías de los coches de la figura de arriba.

Ejemplos de colisiones inelásticas 

• Dos masas de plastilina que chocan y quedan juntas, moviéndose como una sola pieza después del choque.
• Una pelota de goma que rebota contra una pared o un piso. La pelota se deforma al impactar la superficie.

No toda la energía cinética se transforma en otros tipos de energía, salvo en contadas excepciones. Los objetos pueden quedarse con cierta cantidad de esta energía. Más adelante veremos cómo calcular el porcentaje.

Cuando las piezas que chocan quedan unidas, la colisión se denomina perfectamente inelástica, y ambas suelen terminar moviéndose juntas.

Colisiones perfectamente inelásticas en una dimensión

La colisión de la figura muestra dos objetos de distintas masas m₁ y m₂, moviéndose uno hacia el otro con velocidades v_i1 y v_i2 respectivamente. Todo ocurre sobre la horizontal, es decir, se trata de una colisión en una dimensión, las más sencillas de estudiar.

Los objetos colisionan y luego quedan unidos moviéndose hacia la derecha. Es una colisión perfectamente inelástica, así que basta con que conservemos la cantidad de movimiento:

P_o = P_f

La cantidad de movimiento es un vector cuyas unidades en SI son N.s. En la situación descrita, puede prescindirse de la notación vectorial al tratarse de colisiones en una dimensión:

mv_o = mv_f

La cantidad de movimiento del sistema es la suma vectorial de la cantidad de movimiento de cada partícula.

m₁ v_i1  + m₂ v_i2 = (m₁ + m₂)v_f

La velocidad final viene dada por:

v_f = (m₁ v_i1  + m₂ v_i2)/ ( m₁ + m₂)

Coeficiente de restitución

Hay una cantidad que puede indicar cuán elástica es una colisión. Se trata del coeficiente de restitución, el cual se define como el cociente negativo entre la velocidad relativa de las partículas después del choque y la velocidad relativa antes del choque.

Sean u₁ y u₂ las velocidades respectivas de las partículas inicialmente. Y sean v₁ y v₂ las velocidades finales respectivas. Matemáticamente, el coeficiente de restitución se puede expresar así:

El coeficiente de restitución es una cantidad adimensional, puesto que es el cociente entre velocidades. Pero la información que suministra es muy interesante:

• Si ε = 0 equivale a afirmar que v₂ = v₁. Significa que las velocidades finales son las mismas y el choque es inelástico, como el que se describió en el apartado anterior.
• Cuando ε = 1 significa que las velocidades relativas, tanto antes como después del choque, no cambian, en este caso el choque es elástico.
• Si 0 < ε < 1 parte de la energía cinética de la colisión se transforma en alguna otra de las energías mencionadas anteriormente.

¿Cómo determinar el coeficiente de restitución?

El coeficiente de restitución depende de la clase de materiales que intervengan en la colisión. Una prueba muy interesante para determinar cuán elástico es un material para fabricar balones consiste en dejar caer el balón sobre una superficie fija y medir la altura de rebote.

En este caso, la placa fija siempre tiene velocidad 0. Si a esta se le asigna el índice 1 y al balón el índice 2 queda:

La velocidad inicial depende de la altura h₁ desde la cual se dejó caer:

El signo negativo indica dirección hacia abajo. Y la velocidad final está relacionada con la altura máxima h₂ que alcanza en el rebote:

Sustituyendo en el coeficiente de restitución se tiene:

Explosiones

Al comienzo se ha sugerido que toda la energía cinética puede transformarse en otros tipos de energía. Después de todo, la energía no se destruye. ¿Es posible que objetos que venían con movimiento colisionen y se unan formando un solo objeto que súbitamente quede en reposo? Esto no es tan sencillo de imaginar.

Sin embargo, imaginemos que sucede al revés, como en una película vista en retroceso. Entonces el objeto estaba en reposo inicialmente y luego explota fragmentándose en varias partes. Esta situación es perfectamente posible: se trata de una explosión.

De manera que una explosión puede pensarse como una colisión perfectamente inelástica vista hacia atrás en el tiempo. La cantidad de movimiento igualmente se conserva, pudiendo afirmarse que:

P_o = P_f

Ejemplos resueltos

Ejercicio 1

Se conoce a partir de mediciones que el coeficiente de restitución del acero es 0.90. Se deja caer una bola de acero desde 7 m de altura sobre una placa fija. Calcule:

a) Hasta qué altura rebotará.

b) Cuánto tiempo tarda entre el primer contacto con la superficie y el segundo.

Solución

a) Se utiliza la ecuación que se dedujo anteriormente en el apartado sobre la determinación del coeficiente de restitución:

Se despeja la altura h₂:

0.90² . 7 m = 5.67 m

b) Para que suba los 5.67 metros se requiere una velocidad dada por:

De donde:

Y el tiempo que tarda en alcanzar esta altura es:

t _max = v_o/ g = (10.54 / 9.8 s)= 1.08 s.

El tiempo que tarda en regresar es el mismo, por lo tanto, el tiempo total para subir los 5.67 metros y regresar al punto de partida es el doble del tiempo máximo:

t_vuelo = 2.15 s.

Ejercicio 2

La figura muestra un bloque de madera de masa M colgando en reposo de hilos de longitud l a modo de péndulo. Esto se llama péndulo balístico y sirve para medir la velocidad v de entrada de una bala de masa m. Cuanto mayor sea la velocidad con la que la bala impacte al bloque, a mayor altura h este se levantará.

La bala de la imagen queda incrustada en el bloque, por lo tanto es un choque totalmente inelástico.

Suponga que una bala de 9.72 g impacta contra el bloque de masa 4.60 kg, luego el conjunto se eleva a 16.8 cm de la posición de equilibrio. ¿Cuál es la velocidad v de la bala?

Solución

Durante la colisión se conserva la cantidad de movimiento y u_f es la velocidad del conjunto, una vez que la bala se ha incrustado en el bloque:

P_o = P_f

El bloque se encuentra en reposo inicialmente, mientras que la bala se dirige al blanco con velocidad v:

m.v + M.0 = (m + M) u_f

No se conoce u_f todavía, pero después de la colisión la energía mecánica se conserva, siendo esta la suma de la energía potencial gravitatoria U y la energía cinética K:

Energía mecánica inicial = Energía mecánica final

E_mo = E_mf

U_o + K_o = U_f + K_f

La energía potencial gravitatoria depende de la altura a la que llegue el conjunto. Para la posición de equilibrio la altura inicial es la que se toma como nivel referencia, por lo tanto:

U_o = 0

Gracias a la bala, el conjunto tiene energía cinética K_o, la cual se convierte en energía potencial gravitatoria cuando el conjunto alcanza su máxima altura h. La energía cinética viene dada por:

K = ½ mv²

Inicialmente, la energía cinética es:

K_o =(1/2) (M+m) u_f²

Recuérdese que ya la bala y el bloque forman un objeto único de masa M+ m. La energía potencial gravitatoria cuando han llegado a su altura máxima es:

U_f = (m + M)gh

Por lo tanto:

K_o = U_f

(1/2) (M+m) u_f² = (m + M)gh

Ahora se sustituye este resultado en expresión para v que se despejó al comienzo, a partir de la conservación de la cantidad de movimiento:

Ejercicio 3

El objeto de la figura explota en tres fragmentos: dos de igual masa m y uno más grande de masa 2m. En la figura se señalan las velocidades de cada fragmento después de la explosión. ¿Cuál era la velocidad inicial del objeto?

Solución

En este problema se requiere el uso de dos coordenadas: x e y, porque dos de los fragmentos tienen velocidades verticales, mientras que el restante tiene velocidad horizontal.

La masa total del objeto es la suma de la masa de todos los fragmentos:

M = m + m + 2m = 4m

La cantidad de movimiento se conserva tanto en el eje x como en el eje y, se plantea por separado:

• 4m. u_x= m v₃
• 4m. u_y = m. 2v₁ – 2m. v₁

Nótese que el fragmento grande se mueve hacia abajo con velocidad v1, para señalar este hecho se le ha colocado un signo negativo.

De la segunda ecuación se desprende inmediatamente que u_y = 0, y de la primera se despeja ux de inmediato:

La velocidad inicial del objeto era u_o = u_x = v₃/4.

Referencias

1. Giancoli, D. Physics: Principles with Applications. 6^th. Ed Prentice Hall.
2. Rex, A. Fundamentos de Física. Pearson.
3. Serway, R., Vulle, C. Fundamentos de Física. 9^na Cengage Learning.
4. Tipler, P. Física para la Ciencia y la Tecnología. 5ta Ed. Volumen 1. Editorial Reverté.
5. Tippens, P. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. MacGraw Hill.

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¿Qué es el calor de solución?

El calor de solución, o entalpía de solución, es el calor que se absorbe o se desprende durante el proceso de disolución de cierta cantidad del soluto en el solvente, bajo la condición de presión constante.

Cuando una reacción química tiene lugar, se requiere de energía tanto para formar como para romper enlaces que permiten la formación de nuevas sustancias. La energía que fluye para que estos procesos tengan lugar es el calor, y la termoquímica es la rama de la ciencia que se encarga de estudiarlos.

En cuanto al término entalpía, se utiliza para denominar el flujo de calor cuando los procesos químicos ocurren bajo condiciones de presión constante. Se le atribuye la creación de este término al físico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), el mismo que descubrió la superconductividad.

¿Cómo se calcula el calor de solución?

Para encontrar la entalpía hay que partir de la primera ley de la termodinámica, la cual considera que la variación en la energía interna ΔU de un sistema se debe al calor absorbido Q y al trabajo W hecho sobre él por algún agente externo:

ΔU = Q + W

Donde el trabajo es la integral negativa sobre todo el volumen del producto de la presión por el cambio diferencial de volumen. Esta definición es equivalente a la integral negativa del producto escalar de la fuerza por el vector desplazamiento en el trabajo mecánico:

Cuando se aplica la condición de presión constante mencionada anteriormente, P puede salir fuera de la integral, por lo tanto, el trabajo es:

W = -P (V_f -V_o) = -PΔV

La expresión para la entalpía

Si se sustituye este resultado en ΔU se obtiene:

ΔU = Q – PΔV

Q = ΔU + PΔV = U_f – U_o + P(V_f –V_o) = U_f + PV_f – ( U_o + PV_o )

La cantidad U + PV se denomina entalpía H, de manera que:

Q = H_f – H_o = ΔH

La entalpía se mide en joules, puesto que se trata de energía.

Entalpía de solución

Los componentes iniciales de una disolución son soluto y solvente, y ellos tienen una entalpía original. Al llevarse a cabo dicha disolución, esta tendrá su propia entalpía.

En tal caso, se puede expresar la variación de la entalpía en joules como:

ΔH = H_solución – H_reactivos

O bien en la forma de entalpía estándar ΔH^o, donde el resultado es en joule/mol

 ΔH^o = H^o _solución – H^o_reactivos

Si la reacción desprende calor, el signo de ΔH es negativo (proceso exotérmico), si absorbe calor (proceso endotérmico) el signo será positivo. Y naturalmente, el valor de la entalpía de solución dependerá de la concentración de la solución final.

Aplicaciones del calor de solución

Muchos compuestos iónicos son solubles en disolventes polares, como el agua. Disoluciones de sal (cloruro de sodio) en agua o salmuera, son de uso común. Ahora bien, la entalpía de la solución puede considerarse como la contribución de dos energías:

• Una para romper los enlaces soluto-soluto y solvente-solvente.
• La otra es la requerida en la formación de enlaces nuevos soluto-solvente.

Tratándose de la disolución de una sal iónica en agua, se requiere conocer la denominada entalpía reticular del sólido y la entalpía de hidratación para formar la solución, en el caso del agua. Si no se trata de agua, entonces se denomina entalpía de solvatación.

La entalpía reticular es la energía necesaria para la ruptura de la red iónica y formar los iones gaseosos, un proceso que siempre es endotérmico, ya que se debe suministrar energía al sólido para separarlo en sus iones constituyentes y llevarlos al estado gaseoso.

En cambio, los procesos de hidratación siempre son exotérmicos, puesto que los iones hidratados son más estables que los iones en estado gaseoso.

De esta manera, la creación de la solución puede ser exotérmica o endotérmica, dependiendo de si la ruptura de la red iónica del soluto requiere mayor o menor cantidad de energía de la que aporta la hidratación.

Mediciones con el calorímetro

En la práctica, es posible medir ΔH en un calorímetro, el cual consiste básicamente en un recipiente aislado provisto de un termómetro y una varilla agitadora.

En cuanto al recipiente, en él casi siempre se vierte agua, que es el líquido calorimétrico por excelencia, pues sus propiedades son la referencia universal para todos los líquidos.

Por supuesto, los materiales del calorímetro también intervienen en el intercambio de calor, además del agua. Pero la capacidad calórica de todo el conjunto, llamada constante del calorímetro, puede determinarse por separado de la reacción y luego tomarse en cuenta cuando esta tenga lugar.

El balance energético es el siguiente, recordando la condición de que no hay fugas de energía en el sistema:

ΔH _solución + ΔH _agua + C _calorímetro ΔT = 0

De donde:

ΔH _solución = – m _agua . c _agua . ΔT – C _calorímetro ΔT = -Q _agua – Q _calorímetro

Ejercicio resuelto

La entalpía de formación del hidróxido de potasio sólido KOH es ΔH^o = +426 KJ/mol, la del agua líquida H₂O es 285.9 kJ/mol.

Además, se sabe que cuando el hidróxido de potasio metálico reacciona con el agua líquida se desprenden hidrógeno y ΔH^o = -2011 kJ/mol. Con estos datos calcúlese la entalpía de solución del KOH en agua.

Solución

Se disgrega el KOH en sus componentes:

KOH_sólido →  K_sólido + ½ O₂ + ½ H₂;  ΔH^o = – 426 kJ/mol

Se conforma el agua líquida:

½ O₂ + ½ H₂ → H₂O_líquida;  ΔH^o = -285.9 kJ/mol

Ahora hay que conformar la solución:

K_sólido + H₂O → ½ H₂ + KOH_acuoso ; ΔH^o = -2011 kJ/mol

Obsérvese que el signo de la entalpía de disgregación del KOH se ha invertido, lo cual se debe a la Ley de Hess: cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio de entalpía no depende de los pasos seguidos y cuando se necesita invertir la ecuación, como en este caso, la entalpía cambia de signo.

El balance energético es la suma algebraica de las entalpías:

426 kJ/K – 285.9 kJ/mol  – 2011 kJ/mol = –2722,9 kJ/mol

Referencias

1. Cengel, Y. Termodinámica. 7ma Ed. Mc.Graw Hill.
2. Engel, T. Introducción a la Físicoquímica: Termodinámica. Pearson Education.
3. Giancoli, D. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall. 
4. Maron, S. Fundamentos de Fisicoquímica. Limusa.
5. Serway, R., Jewett, J. Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 1. 7ma. Ed. Cengage Learning.

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¿Qué es el durazno?

El durazno o melocotón (Prunus persica), es una especie frutal de clima templado perteneciente a la familia Rosaceae. Su nombre especifico (persica) sitúa su origen en la antigua Persia, aun cuando su variabilidad genética confirma su origen en China.

Esta especie es un árbol caducifolio encorvado y muy ramificado, con tallos, que alcanza los 8 m. De hojas lanceoladas, alternas y bordes dentados, tiene abundantes flores axilares de tonalidades rosáceas o blancas.

Su fruto, el mundialmente conocido melocotón o durazno, es una drupa carnosa de agradable sabor y aroma. En las variedades comerciales suelen ser grandes, jugosos y fragantes, pero en las variedades ornamentales son pequeños y compactos.

Su área de cultivo se restringe por las condiciones ambientales, requiriendo ambientes con temperaturas particulares. Demanda bajas temperaturas, pero no tolera las heladas, y en verano requiere altas temperaturas que favorezcan la maduración de los frutos.

En la actualidad, el durazno es la especie frutal con el mayor número de cultivares y variedades comercializadas a nivel mundial. Son procedentes en su mayoría de programas de mejoramiento y selección genética realizados en EE.UU.

La producción comercial de durazno ocupa el tercer puesto a nivel global, precedida por la de manzanas y peras. En los últimos años, su producción se ha duplicado debido al uso de patrones y variedades mejor adaptadas a climas intertropicales, procedentes de América y Europa.

Origen del durazno

La especie Prunus persica es originaria de China, donde se han descubierto evidencias de su cultivo desde hace más de 4.000 años. Desde allí, se introdujo el duraznero en Persia por la Ruta de la Seda, y luego pasó a Grecia, entre 400-300 a.C.

Durante los siglos I y II d.C. el cultivo se extendió en el Imperio romano, y posteriormente a España. En el siglo XVI fue introducido por españoles y portugueses en América del Sur, México, Florida y toda Norteamérica.

La propagación por semillas fue el principal medio de multiplicación en Europa y EE.UU. durante el siglo XIX, así como en Sudamérica y Centroamérica a mediados del siglo XX. Este es el principal motivo de la gran variedad de cultivares adaptados a diversas condiciones agroecológicas.

En su lugar de origen (China, Taiwán y Tailandia), la gran expansión de cultivares permitió la creación de germoplasmas adaptados a climas intertropicales. Estas han sido las variedades introducidos a mediados de los años 70 en Florida, Sudamérica, norte de África y sur de Europa.

China es el mayor productor y reservorio de germoplasmas nativos de duraznos y melocotones a nivel mundial. Las provincias Beijing, Nanjing y Zhengzhou son los lugares donde se ubica el mayor número de variedades y patrones silvestres.

Características del durazno

• Morfología. El duraznero es una especie arbórea caducifolia que puede alcanzar los 6-8 m.
• Hojas. Son lanceoladas, elípticas u oblongas, ligeramente acuminadas, de textura glabra y dientes glandulíferos, así como estípulas denticuladas.
• Flores. Las flores provistas de numerosas brácteas se disponen en pares o en solitario. Se caracterizan por los pétalos dentados en los extremos, de fuerte color rosado, sépalos rectos y enteros, con ovarios glabros o pubescentes.
• Fruto. Es una drupa globular de 4-8 cm de diámetro cubierto por un mesocarpio carnoso amarillo y aromático, de piel aterciopelada y comestible. Dentro de la fruta se localiza la semilla protegida pon un endocarpio óseo fuertemente acanalado de color pardo.

Taxonomía del durazno

• Reino: Plantae.
• División: Magnoliophyta.
• Clase: Magnoliopsida.
• Orden: Rosales.
• Familia: Rosaceae.
• Subfamilia: Amygdaloideae.
• Tribu: Amygdaleae.
• Género: Prunus.
• Especie: Prunus pérsica (L.) Stokes, 1812 non Batsch, 1801.

Hábitat y distribución del durazno

El duraznero es un árbol adaptado a ecosistemas de clima templado originalmente habilitado para suelos profundos y sueltos.

Es tolerante a las heladas y requiere fríos invernales para su óptimo desarrollo, condiciones que muchas veces no se obtienen en climas subtropicales (en la actualidad se han desarrollado variedades y cultivares con bajos requerimientos de frío).

Su cultivo se distribuye a través de Europa meridional, en España, Francia, Italia y Grecia, incluso Turquía e Israel. Igualmente se localiza en Sudamérica y Norteamérica, el norte de África (Marruecos) y Asia, incluido su lugar de origen, China.

Beneficios del durazno para la salud

• Aspectos nutritivos. El fruto del duraznero presenta un alto porcentaje de fibras y carotenoides, asociado a su alto contenido de agua (85%). Es ideal para mantener regímenes alimenticios y dietas de adelgazamiento, por su bajo nivel calórico y alto contenido de carbohidratos.
  • Vitaminas y minerales. Tiene vitaminas A, B₁, B₂, B₆ y C, y los minerales azufre, calcio, cloro, cobre, fosforo, hierro, magnesio, manganeso y potasio. Además de b-caroteno y antioxidantes naturales, como el ácido cítrico, ácido nicotínico, ácido málico y ácido pantoténico.
  • Bueno para la salud. Los nutricionistas recomiendan el consumo de duraznos frescos para reforzar los tejidos óseos y musculares, así como el sistema nervioso en jóvenes y niños.
  • Propiedades. Esta fruta tiene propiedades digestivas y laxantes, regulando el tránsito intestinal y aliviando el estreñimiento.

• Aspectos medicinales. El melocotón es una fruta recomendada para mejorar la visión, dar resistencia al pelo y uñas, sanar las mucosas y fortalecer huesos y dientes. Es aconsejada para combatir el estrés y aliviar inflamaciones en articulaciones o gota.
  • Sistema nervioso. Hay evidencias científicas que garantizan el beneficio del durazno sobre el sistema nervioso, previniendo trastornos cardiovasculares y degenerativos.
  • Sistema inmune. Contribuye con la regulación del sistema inmunológico, controlando los niveles de glucosa en la sangre y el colesterol.
  • Sistema gástrico. Su consumo frecuente protege las paredes intestinales evitando la formación de úlceras, ya que regula el efecto nocivo de los radicales libres. Favorece la función digestiva del hígado. En este sentido, contribuye con la producción de bilis, facilitando igualmente la absorción y descomposición de grasas. Es un fruto colerético, ya que activa la producción de la bilis durante la función hepática, contribuyendo a mejorar la insuficiencia biliar.
  • Antioxidante. Gracias a su alto contenido de carotenoides, vitamina C y selenio, el durazno es un excelente antioxidante.
  • Disuelve cálculos. El zumo de durazno posee propiedades ácidas y diuréticas, siendo empleado para disolver cálculos biliares y renales.
  • Laxante. Tiene propiedades laxantes, por lo que resulta efectivo para aliviar el estreñimiento. En general, el fruto del duraznero es considerado como uno de los principales alimentos esenciales para mantenerse saludable.

Usos del durazno

De la planta del duraznero se aprovechan tanto las hojas, la corteza y las flores, como los frutos y las semillas. Al durazno se le atribuyen diversas propiedades medicinales como diurético, laxante, astringente y sedante.

• Como infusión curativa. Las infusiones de hojas, corteza y flores son recomendadas para expulsar parásitos intestinales, aliviar dolores de pecho y calmar el estreñimiento.
• Para la piel. En la medicina tradicional, el cocimiento de las hojas se emplea como remedio casero para combatir sarpullidos o eczemas en la piel, y las hemorroides.
• Malaria. Se usa para combatir los síntomas de la malaria. No obstante, se debe tener cuidado con las semillas, ya que contienen glucósidos cianogénicos de efecto tóxico que pueden resultar nocivos para la salud.
• Gastronomía. El durazno es una fruta muy apetecida para su consumo fresco y como materia prima para la elaboración de conservas, néctares y zumos. Por otro lado, es empleado para la elaboración de tortas y postres, en la destilación de licores y aguardientes de durazno. Las flores se utilizan como aderezo para ensaladas y guarniciones. Además, los melocotones en almíbar enlatado constituyen uno de los postres más solicitados en los supermercados.

• Dieta saludable. El fruto del durazno es un alimento muy digestible, con grandes aportes de vitaminas, minerales y fibras dietéticas. De hecho, la mayor concentración de nutrientes se localiza en la piel, por lo que se recomienda lavarlo y comerlo directamente sin pelar.

Cuidados del durazno

• Siembra. La plantación comercial del duraznero requiere plena exposición solar y suficiente espaciamiento que garantice una buena aireación, con el objeto de permitir la circulación de aire frío durante las noches y que el cultivo se mantenga fresco durante el verano. La mejor estación para sembrarlo es a principios de invierno. Así, en este lapso las raíces tienen tiempo para fijarse y nutrir los brotes que se producen en primavera.
• Fertilización. Requiere altas dosis de fertilizante, principalmente de abonos nitrogenados durante la etapa de floración. El manejo agronómico del cultivo demanda aplicaciones frecuentes de abonos químicos con alto contenido de nitrógeno, fósforo y potasio. Conviene realizar un aporte complementario de abono orgánico a base de estiércol de bovino compostado al finalizar cada cosecha. En cultivos con riego localizado o por goteo, la fertilización se puede hacer por fertirrigación fraccionada durante los meses de primavera y verano. En el caso de realizar la plantación en secano asociado a un riego por inundación, es conveniente realizar dos o tres fertilizaciones.
• Tipos de riego. Requiere riego continuo, que debe incrementarse de 15 a 30 días antes de la cosecha.
  • El riego por goteo es la mejor forma de trabajar con este cultivo: las frutas de mejor aroma y sabor se obtienen de campos con riego permanente. La cantidad de agua varía de acuerdo al tipo de suelo y las condiciones ambientales.
  • En suelos sueltos y secos, el riego constante asegura la uniformidad, productividad y calidad de los frutos.
  • En caso de usar riego por inundación, surcos o manta, la profundidad efectiva de riego es de 80 cm de profundidad.
  • El riego por aspersión es utilizado de acuerdo al tipo de terreno, siendo adecuado en aquellas zonas con altas temperaturas durante el verano. De hecho, este tipo de riego favorece el crecimiento y desarrollo del sistema radical, aunque en ocasiones incrementa la incidencia de patógenos.

• Podas. Requiere una poda de formación para favorecer el crecimiento, así como potenciar la floración y la producción de frutos. Existen dos tipos de poda de formación: en vaso o en palmeta. Ambas requieren bastante mano de obra y tienden a retrasar el inicio de la producción. Otros sistemas empleados en plantaciones de densidades medias y altas, son las podas en palmeta libre, ypsilon y fusseto.
  • La palmeta simple representa un menor costo de producción, incrementa la producción inicial y es necesaria la poda en verde.
  • La poda ypsilon incrementa la precocidad del cultivo y la producción inicial del mismo, siendo indispensable la poda en verde.
  • El sistema fusseto se emplea en altas densidades, es muy productivo y requiere bajo mantenimiento, pero es difícil de controlar a largo plazo.
  • La tendencia en el cultivo de durazno es emplear patrones enanizantes de cerezo o ciruelo. Esto tiene el objeto de obtener plantas vigorosas, de alta producción y de estructura foliar manejable.
  • Las podas de regeneración se realizan cuando la planta ha sufrido daños mecánicos o existe incidencia de plagas o enfermedades. Al respecto, se eliminan 60-75% de ramas y follaje, siendo necesario aplicar posteriormente macro y micronutrientes que promuevan nuevos brotes.
• Cosecha. No es recomendable dejar todos los frutos sobre el árbol de durazno, ya que serán de menor tamaño y calidad, carentes de aroma y sabor. Para evitar esta situación, se realiza una practica agronómica denominada “raleo” o “aclareo” que consiste en eliminar determinados frutos de la planta. Así, con el raleo se seleccionan aquellos frutos cuajados menores de 3 cm de diámetro que presenten menos vigor o síntomas de debilidad. En algunas plantaciones, el raleo se efectúa en época de floración, eliminando flores muy agrupadas en sustitución de los frutos cuajados. Con esta práctica, a mayor número de frutos cuajados o flores eliminadas, se obtendrán frutos de mayor tamaño, aroma y sabor. Al aplicar este método es primordial mantener el riego en condiciones secas para fomentar el crecimiento del fruto.

Plagas y enfermedades del durazno

Plagas

• Anarsia (Anarsia lineatella Zell.). La larva de este lepidóptero es la causante del daño en hojas y yemas, minando los brotes tiernos y causando su marchitamiento. Provoca la deformación de las yemas recién formadas, y a menudo causa deterioro en los frutos.
• Araña roja (Pamonychus ulmi Koch.). Las picaduras en las hojas causadas por esta plaga producen manchas de color ocre, ocasionando la deformación de los foliolos y tejidos vegetales. El control se realiza con pesticidas químicos con el objeto de eliminar huevos y adultos de la especie.
• Polilla oriental del melocotonero (Cydia molesta Busck). La larva de esta pequeña mariposa gris pardo es un gusano de 10 mm, de color rosa-amarillento. Es considerada una plaga nociva para el durazno, ya que lesiona las yemas y los frutos tiernos.
• Pulgones. Los principales pulgones que afectan el durazno son el Myzus persicae (pulgón verde del durazno), Hyalopterus pruni (pulgón algodonoso del durazno) y Brachycaudus persicae (pulgón negro del durazno). La mayoría de las lesiones de estos insectos afectan yemas, brotes, hojas, flores y frutos.

Enfermedades

• Abolladura (Taphrina deformans (Berk), Tul.). Los síntomas se presentan en hojas, que toman un aspecto abollado o aplastado, generalmente a lo largo de las nerviaciones. A medida que el ataque se incrementa las abolladuras se expanden por la superficie de la hoja tomando una coloración rojiza. El daño puede ocasionar la deformación de brotes y yemas, el aborto de las flores y que los frutos no cuajen. El control se realiza mediante la aplicación de producto a base de cobre.
• Moniliosis (Monilia laxa y Monilia fructigena). Los síntomas suelen aparecen en hojas, brotes, flores y frutos, ocasionando chancros o exudaciones cancerosas que ocasionan la muerte de los tejidos. Los daños se manifiestan cuando las condiciones ambientales presentan una alta humedad relativa. En los frutos se desarrolla un micelio pardo sobre el que se desarrollan granulaciones de tonos grisáceos. El control se realiza eliminando las fuentes de contaminación, control de insectos vectores de la enfermedad, regulación de la humedad ambiental y controles químicos de mantenimiento.
• Oidio (Sphaerotecha pannosa (Wallr.) Lév.). El ataque se manifiesta como un polvillo de color blanco y compacto que cubre el área foliar a nivel de vivero o en plantaciones frágiles. Posteriormente, los brotes tienden a deformarse y secarse, ocurre defoliación prematura y los frutos se agrietan longitudinalmente. Las altas temperatura, la humedad ambiental y la escasa ventilación son condiciones adecuadas para el desarrollo de esta enfermedad. El mejor control es el manejo del cultivo, eliminando brotes enfermos, aclarando frutos afectados, regulando el riego y usando patrones resistentes.

Referencias

1. Durazno. Boletín de Frutas y Hortalizas del Convenio INTA-CMCBA. Corporación del Mercado Central de Buenos Aires.
2. Font i Forcada, C. Evaluación agronómica y estudio de la calidad del fruto en melocotonero [Prunus persica (L.) Batsch]. Variabilidad y genética de asociación.
3. Gratacós, E. El cultivo del duraznero Prunus persica (L.) Batsch. Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
4. Melocotonero. Prunus persica [Rosaceae]. Recuperado de regmurcia.com.
5. Prunus persica. Recuperado de es.wikipedia.org.

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¿Qué es el cedro americano?

El cedro americano (Cedrela odorata) es una especie forestal maderable que pertenece a la familia Meliaceae, nativa de América tropical. Denominado cedro amargo, cedro blanco, cedro cóbano, cedro colorado, cedro real o culche, es conocido principalmente por su madera de alta calidad.

La característica más llamativa de esta especie es su corteza fisurada a lo largo del tronco, de color pardo-rojizo, con algunas zonas brillantes y blanquecinas. De fuste recto y amplios contrafuertes en la base, posee hojas aromáticas que emiten un amargo olor similar al ajo, que se reitera en la madera.

Esta especie se siembra frecuentemente en asociaciones agroforestales, en alianza con cafetos o cultivos anuales, debido al fuerte ataque del barrenador del tallo en plantaciones únicas. El cedro tiene una amplia distribución, siendo típico en los bosques tropicales americanos, aunque su número se ha reducido por la creciente explotación comercial.

Se utiliza ampliamente en carpintería, ebanistería, mueblería, molduras, contrachapados, obras internas, entablados, gavetas, artesanías e instrumentos musicales. Además, en la medicina tradicional se emplea por sus propiedades astringentes, antipiréticas, antibacterianas, antiinflamatorias, analgésicas, febrífugas, vermífugas y vulnerarias.

Características del cedro americano

• Morfología. Es una especie arbórea de porte medio-alto, que puede alcanzar los 12-60 m y un diámetro de 0,6-2,5 m. Se caracteriza por una corona amplia y ovalada, con ramificaciones robustas provistas de numerosas lenticelas anulares cuando es joven.
• Tronco. Es erecto, tubular y firme, presenta la corteza áspera y profundamente agrietada de color rojizo, con un contrafuerte amplio en la base. La parte interna de la madera posee un sabor amargo, olor a ajo y tonalidades rosáceas o pardo amarillentas.
• Hojas. Las grandes hojas pecioladas son del tipo compuestas, alternas y paripinnadas, y a veces alcanzan más de 1 m de largo. Cada hoja presenta 10-30 folíolos opuestos, de 5-15 cm de largo y 2-5 cm de ancho, oblicuos y lanceolados.

• Folíolos. Los folíolos son acuminados, anchos en la base y agudos en el ápice, ligeramente glabros, con las nerviaciones del envés pubescentes. En cuanto a los pecíolos, son estructuras delgadas que miden 8-10 cm de largo.
• Inflorescencias. Están dispuestas en panículas auxilares o terminales, compuestas por numerosas flores masculinas y femeninas. Los pétalos oblongos adquieren una tonalidad crema-verdosa. El cáliz es ligeramente pubescente, el pedicelo mide apenas 1-2 mm de largo y los filamentos son glabros.
• Fruto. Es una cápsula dehiscente de aspecto leñoso, de superficie lisa o lenticelada, de 4-7 cm y color pardo oscuro, que se abre en cinco carpelos. Esta estructura de color verde en su estado inmaduro contiene una serosidad blanquecina con fuerte olor a ajo que contiene las semillas.
• Semillas. Las semillas de color pardo poseen dos cotiledones con la parte seminal ubicada en el ápice del fruto y un gran embrión que ocupa la mayor parte de la cavidad.

Taxonomía

• Reino: Plantae.
• División: Magnoliophyta.
• Clase: Magnoliopsida.
• Orden: Sapindales.
• Familia: Meliaceae.
• Género: Cedrela.
• Especie: Cedrela odorata L. 1753.

Etimología

• Cedrela, el nombre del género es un diminutivo de Cedrus, nombre relacionado con el fuerte olor de la madera.
• Odorata, el adjetivo especifico proviene del latín odoratus-a-um, que significa “muy fragante” por el olor de la madera.

Hábitat y distribución del cedro americano

El cedro americano es nativo de Centroamérica, y se distribuye desde el norte de México hasta el norte de Argentina y Bolivia, incluidas diversas islas del Caribe. En Venezuela está distribuido por las regiones cálidas, especialmente en las selvas deciduas de los llanos occidentales.

De hecho, su amplia distribución en los diversos ecosistemas tropicales del continente lo hacen parte de la flora natural de los bosques tropófilos.

Se localiza en bosques tropicales caducifolios, desde el nivel del mar hasta los 1.200 m s.n.m., con temperaturas promedio de 20-32 °C. Se adapta a climas húmedos con una estación seca anual de 3-4 meses, y precipitaciones entre 1.200-2.800 mm al año.

Se ubica en planicies costeras o laderas de baja inclinación, sobre suelos calizos o volcánicos de buen drenaje, profundos y porosos. Se desarrolla efectivamente en suelos de origen calcáreo, franco-arenosos, e incluso en suelos pedregosos de color oscuro con alto contenido de materia orgánica.

Usos del cedro americano

• Madera. El cedro es una especie maderable, cuya madera maciza y de óptima calidad se emplea para la fabricación de muebles, construcciones ligeras y embarcaciones. Así como decoraciones interiores, ebanistería, instrumentos musicales, estuches, parquet y carpintería en general, siendo muy resistente al ataque de las polillas. La madera se caracteriza por una albura de color claro y un duramen de tonos rojo-amarillentos, observándose una transición marcada entre ambas estructuras. La madera presenta un olor aromático, con un diseño cromático atractivo, textura fina y grano recto, de elevado lustre y excelente trabajabilidad.
• Artesanías. De manera artesanal la madera se utiliza para elaborar artesanías, adornos típicos, tableros de ajedrez, joyeros, esculturas, marcos para cuadros, flechas o lanzas, e incluso muebles rústicos. Además, se usa para fabricar contrachapados y chapas o láminas decorativas, rebanadas o desenrolladas.
• Otros usos de la madera. Las ramas de grueso calibre sirven para instalar cercas vivas, postes en construcciones rurales y como leña para obtener carbón vegetal.
• Resina. La madera del cedro americano exuda gran cantidad de resina de óptima calidad, empleada para la fabricación de gomas y muestras de laboratorios. La madera requiere un tratamiento especial debido a la cantidad de resina, por lo que demanda una limpieza profunda con disolventes antes de manipularse.

• Medicinal. Las hojas, raíces, corteza y semillas de Cedrela odorata contienen diversos aceites esenciales, esteroides, flavonoides y fitoesteroles de amplias propiedades medicinales. Los cocimientos de hojas, corteza o raíces se emplean para calmar problemas digestivos, dolores estomacales, hemorragias, bronquitis y para el tratamiento de la epilepsia y el paludismo. La corteza tiene propiedades abortivas y febrífugas, y las semillas sirven para expulsar las lombrices intestinales debido a sus propiedades vermífugas.
• Ornamental. El cedro americano en su ambiente natural es ampliamente utilizado como sombra para el cultivo de café. Igualmente, como ornamental es usado para marcar linderos, construir alamedas, y en parques, campos deportivos y descampados. Sin embargo, debido a la gran demanda de su madera de gran calidad, muchas de estas plantas han sido cortadas y reemplazadas por otras especies. Los árboles que aún persisten en estos lugares son plantas jóvenes de características y medidas no aprovechables.
• Producción de miel. El cedro americano es una planta melífera, que en época de floración produce abundante néctar que atrae gran número de abejas e insectos polinizadores.

Cuidados del cedro americano

Las semillas frescas para la propagación del cedro americano presentan normalmente un 70% de germinación, y no requieren tratamiento pregerminativo. Sin embargo, es recomendable sumergirlas en agua a temperatura ambiente durante 24 horas para obtener una germinación uniforme.

La siembra se realiza en camas de germinación sobre un sustrato de arena fina lavada y desinfectada. Las semillas se dispersan al voleo a razón de 40 gr (2.000 semillas) por m², y se cubre el terreno con una fina capa de arena.

Germinación

La germinación ocurre a los 6-10 días y finaliza aproximadamente a los 30 días después de la siembra. Cuando las plántulas presentan las primeras hojas verdaderas y han alcanzado 5-8 cm de altura, se repican en bolsas de polietileno o bancales.

Durante esta fase se deben mantener las plantas bajo polisombra al 65%, no siendo necesaria la fertilización de establecimiento. Las plántulas en condiciones controladas de vivero estarán listas para trasplantar al lugar definitivo a los 3-4 meses.

Se recomienda reducir considerablemente el riego unas 3-4 semanas antes de la plantación a campo. En el caso de observarse algún daño causado por insectos, como el barrenador del tallo, se debe aplicar un insecticida sistémico inmediatamente.

El cedro también puede propagarse a través de estaquillas con el objeto de preservar y duplicar los caracteres fenotípicos superiores. Se recomienda emplear estacas de 6-8 cm de largo, impregnadas con AIB 0,2% en la base de la estaquilla.

Cada estaquilla puede conservar algunas hojas para promover la proliferación de raíces. En este caso, se siembran en un sustrato de arena fina y lavada. De esta forma, las estaquillas pueden tardar de 6-7 meses en estar listas para ser trasplantadas al sitio definitivo.

Mantenimiento

El cedro americano es una especie que requiere plena exposición solar y debe sembrarse en lugares abiertos sobre suelos sueltos, porosos, fértiles y de buen drenaje. En combinaciones agroforestales o plantaciones comerciales, crece de forma vigorosa asociado con otras especies perennes, reduciendo significativamente el ataque de plagas.

Una vez establecido el cultivo, el desmalezado es primordial durante los dos primeros años. Durante esta fase son importantes las podas de mantenimiento y saneamiento, con el objeto de eliminar ramas dañadas, evitar las bifurcaciones y seleccionar los mejores brotes.

Las podas de mantenimiento se realizan las veces que sea necesario, con el propósito de obtener un fuste recto de calidad maderable. Lo recomendable son 100-200 árboles/Ha, por lo que el raleo debe ser efectivo para evitar el sombreado de las plantas adultas.

En excelentes condiciones ambientales y baja incidencia de plagas, el crecimiento promedio anual de un cedro es de 1,3-1,6 m de altura y 1,3-1,6 cm de diámetro. Un árbol es aprovechable cuando alcanza 45 cm de diámetro y un fuste de 15 m, lo que ocurre aproximadamente a los 40 años.

Algunos cortes temporales se realizan entre los 18-25 años, pero la madera producida de esta manera es de menor calidad. Al respecto, la decisión de la tala depende de las condiciones del mercado y el tamaño de la madera demandada.

Plagas del cedro americano

La principal plaga que afecta al cedro es la larva del Hypsipyla grandella, denominado gusano barrenador de las meliáceas, lepidóptero de la familia Pyralidae. Los daños se observan en los brotes nuevos, especialmente en los brotes terminales, donde las larvas perforan los tejidos impidiendo el correcto desarrollo de las ramas.

Además, se presenta la disminución del crecimiento y la caída de los frutos tiernos, afectando la supervivencia de la especie. Cuando se incrementa la incidencia del gusano barrenador sobre plántulas en vivero o plantas jóvenes, puede ocasionar la muerte.

La polilla grijpmani, mariposa de la familia Pyralidae, ha sido descrita también como una plaga del cedro americano. Su daño se manifiesta principalmente en las semillas, dificultando la propagación natural de la especie.

Referencias

1. Árbol de Cedro (Cedrela odorata). Recuperado de fundesyram.info.
2. Cedrela odorata. Recuperado de es.wikipedia.org.
3. Cedrela odorata. Recuperado de catalogofloravalleaburra.eia.edu.co.
4. Hoyos F., J. Guía de los árboles comunes de Venezuela, autóctonos y exóticos. Sociedad de Ciencias Naturales La Salle.
5. Morales, E. R., & Herrera, L. Cedro (Cedrela odorata L.) Protocolo para su colecta, beneficio y almacenaje. México: Comisión Nacional Forestal, Región XII Península de Yucatán.

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¿Qué es el peyote?

El peyote (Lophophora williamsii) es una especie de cactus perteneciente a la familia Cactaceae, que contiene el alcaloide denominado mescalina. Se trata de un pequeño cactus esférico de color verde-grisáceo con una gran raíz cónica, carente de espinas. Sus areolas están cubiertas por una pelusa blanquecina.

Es una planta endémica del noreste de México y la región suroccidental de Texas. Se localiza principalmente en el desierto de Chihuahua y en los estados de Coahuila, Nuevo León, San Luis Potosí, Querétaro, Tamaulipas y Zacatecas.

Es una planta conocida por sus alcaloides psicoactivos. Entre ellos se encuentra la mescalina, la sustancia responsable principalmente de sus efectos psicodélicos. De hecho, la corona seca contiene la mayor concentración de mescalina, estructura que se mastica y humedece para obtener el efecto alucinógeno.

El peyote tiene una amplia tradición ancestral por su uso medicinal y ritual en las ceremonias de los nativos mesoamericanos. Además, su aplicación está extendida como enteógeno por sus propiedades psicotrópicas, siendo empleado para la psicoterapia y la meditación.

A pesar de que el peyote no es considera una droga, es un delito federal extraerlo o transportarlo fuera de su lugar de origen. Esta especie se encuentra en peligro de extinción, y solo los nativos huicholes están autorizados para cultivarlo, transportarlo y consumirlo.

Historia del peyote

La especie Lophophora williamsii, conocida en Mesoamérica como peyote (del náhuatl peyotl), es un cactus natural de México y el suroeste de Texas. Desde la antigüedad ha desempeñado un papel primordial en la cultura y religión de los nativos de América Central y del Norte.

Se han encontrado evidencias de que el peyote era utilizado en las ceremonias religiosas por los mexicas y huicholes en México. Asimismo, era una planta venerada por la espiritualidad tradicional de los indios navajos al suroeste de EE.UU.

Las imágenes arqueológicas preservadas de las culturas mesoamericanas muestran que el peyote era empleado en ceremonias religiosas hace 3.000 años. Su uso tradicional y ceremonial por los grupos prehispánicos americanos se ha basado en sus propiedades medicinales, terapéuticas y alucinógenas.

Después de la conquista española, la primera referencia al peyote la realizó el misionero franciscano Bernardino de Sahagún en el siglo XVI. En sus escritos señalaba que los chichimecas descubrieron y emplearon el peyote de forma ceremonial por sus efectos alucinógenos.

A mediados del siglo XIX, el uso del peyote como planta medicinal y terapéutica se extendió a lo largo de los estados del sur norteamericano. Se promovió por el renacimiento de una nueva espiritualidad nativa, usado como “medicina” para sanar el alcoholismo y las denominadas enfermedades sociales.

En la actualidad, el peyote es sagrado para diversos pueblos indígenas mexicanos, como los huicholes y los tarahumaras. Los huicholes practican y conservan sus ceremonias ancestrales.

Para ellos, el uso del peyote es común, tanto de forma medicinal como ceremonial. En México, esta planta se comercializa de forma artesanal como analgésico y antibacteriano, para sanar infecciones, problemas cardiacos y para el tratamiento de la neurastenia.

Características del peyote

• Morfología. Es un cactus de forma globular y aplastado en el centro, de 2-12 cm de diámetro por 3-5 cm de altura. El cuerpo del cactus está dividido en 5-13 gajos o costillas ligeramente marcadas, de color verde-azulado o verde-grisáceo. La raíz es gruesa y en forma de cono.
• Espinas. Se caracteriza por la ausencia de espinas, siendo sustituidas por una pelusa de lana blanquecina en la parte superior de las areolas.
• Crecimiento. El peyote es de lento crecimiento que tarda más de diez años en florecer.
• Flores. Las flores son pequeñas, blancas, rosáceas o amarillentas.

Taxonomía

• Reino: Plantae.
• División: Magnoliophyta.
• Clase: Magnoliopsida.
• Orden: Caryophyllales.
• Familia: Cactaceae.
• Subfamilia: Cactoideae.
• Tribu: Cacteae.
• Género: Lophophora.
• Especie: Lophophora williamsii (Lem. ex Salm-Dyck) J.M.Coult. 1894.

Etimología

La palabra peyote proviene del náhuatl peyotl, que significa sedoso o capullo, haciendo alusión a la pelusa que crece sobre el cactus. Sin embargo, el origen azteca del término peyote tiene como significado “estimulación” o “disturbio”.

El nombre del género Lophophora deriva de los términos griegos λόφος = lophos (penacho o cresta) y Φόρους = phoros (que lleva). Esto alude a que la planta no tiene espinas, sino areolas pilosas con apariencia de penachos o crestas.

Fitoquímica

En su composición el peyote posee diversos alcaloides (6%), siendo el principal compuesto activo la mescalina (3,4,5-trimetoxi-β-feniletilamina), una sustancia con propiedades alucinógenas y psicoactivas. Además, contiene analonidina, analaninina, hordenina, lopoporina, n-acetil mescalina, n-metil mescalina, o-metilalonidina, peyotina y tiramina.

Hábitat y distribución del peyote

La especie Lophophora williamsii es una cactácea endémica del desierto chihuahuense, desde Querétaro hasta el norte de Chihuahua y Coahuila. Su distribución abarca los estados de Coahuila, Chihuahua, Durango, Nuevo León, San Luis Potosí, Querétaro, Tamaulipas y Zacatecas en México, y el sur de Texas en EE.UU.

El peyote se localiza sobre suelos calizos en matorrales xerófilos y desérticos. Es habitual en matorrales espinosos, donde se ha asociado efectivamente para evitar la presencia de depredadores.

Generalmente se ubica a niveles altitudinales entre los 100 y 1.500 m s.n.m., siendo particular su presencia en el desierto de Chihuahua a 1.900 m. Asimismo, se ubica en zonas de clima templado característico del estado de Tamaulipas.

Cuidados del peyote

El peyote es un cactus que crece y se desarrolla en climas cálidos, a plena exposición solar, altas temperaturas y ambientes secos. No tolera las heladas o temperaturas inferiores a los 3º C, las altas precipitaciones ni los suelos compactos que tiendan a acumular agua o anegarse.

Como cultivo ornamental, se siembra sobre un sustrato bien drenado, elaborando una mezcla a partes iguales de arena, turba y hojas descompuestas. El trasplante se realiza a partir del corte o esqueje de la corona con suficientes raíces durante la primavera, regando solo cuando el sustrato se encuentre seco.

Esta especie es muy resistente a la sequía y escasez de agua, por lo que se recomienda disminuir el riego a mediados del otoño y durante el invierno. De hecho, no requiere abonado o fertilización especial, ni podas de formación o mantenimiento.

Es una planta rústica y muy resistente, poco afectada por plagas y enfermedades si se mantienen las condiciones de humedad controladas. De hecho, se puede sembrar en jardines o roquedales, siempre que las condiciones ambientales sean adecuadas.

Son especies de lento crecimiento, pero de fácil cultivo, que se pueden sembrar en macetas profundas debido a su gran raíz cónica o napiforme. Además, se propaga a partir de semillas, por separación de hijuelos o esquejes de la corona y raíz.

En macetas, los pequeños cactus pueden verse afectados por hongos del suelo que causan pudriciones de la raíz. En este caso, se puede desarraigar la planta, aplicar un fungicida y espaciar los riegos para evitar el encharcamiento.

La raíz del peyote carece de mescalina, pero es un excelente medio de propagación de la planta. Al momento de cosechar el cactus, se realiza un corte a nivel del cuello, procurando dejar suficiente tejido vegetal que favorezca la proliferación de brotes o nuevas coronas.

Plagas y enfermedades del peyote

El peyote es una planta rustica que en su hábitat natural tiene poca incidencia de plagas y enfermedades. Como ornamental, cultivada en macetas en ambientes extremadamente secos, es atacada por la cochinilla algodonosa (Planococcus sp.), siendo esta fácilmente controlada por medios físicos.

En condiciones de alta humedad ambiental o exceso de riego, puede ocurrir el ataque de hongos fitopatógenos del género Phytophthora, que ocasionan pudriciones radiculares.

A los primeros síntomas de ablandamiento se procede a cortar la corona por la parte sana y se rocía con fungicida sistémico. Este nuevo esqueje se deja secar por unos días y se procede a plantar sobre un sustrato con alto contenido de arena.

Usos del peyote

• Ritual. Desde tiempos ancestrales el peyote ha sido utilizado por las culturas mesoamericanas con fines rituales. En efecto, las crónicas de Indias describen cómo los nativos idolatraban las plantas de peyote con ofrendas de incienso, tabaco y maíz. Su uso por las comunidades huicholes (Jalisco, Nayarit y Zacatecas) en sus ceremonias religiosas es el más extendido. Los nativos de esta etnia practican cada año una peregrinación ancestral al desierto Wirikuta en Real de Catorce para la recolección ritual del peyote. Este ritual es precedido por un chamán o mara’akame, encargado de preparar las plantas, relatar historias y presidir la iniciación de nuevos chamanes y matrimonios. En estas ceremonias es preciso realizar ritos de purificación antes de consumir el peyote o espíritu de hikuri, como ayuno, baños rituales y confesiones. Cada participante ingiere un promedio de tres a diez botones, experimentando los primeros efectos psicoactivos a los 40 minutos, que se prolongan por más de 10 horas. Los síntomas van acompañados de vómitos –purga–, hipertermia, dilatación de las pupilas e incremento de potencia física.
• Medicinal. Consumido fresco o seco es un calmante efectivo contra el estreñimiento. Macerado en alcohol es un poderoso tónico de acción analgésica, siendo usado para combatir dolores reumáticos, magulladuras, contusiones, e incluso la artritis.
• Medicina tradicional. Se ha usado ampliamente por las comunidades indígenas para el tratamiento del cáncer, diabetes, hipertensión y neumonía. Igualmente, también se ha usado como analgésico para calmar dolores de parto, aliviar dolores estomacales, para aumentar la líbido y curar la influenza. Es un poderoso antibacteriano, que tiene la propiedad de destruir cepas resistentes a la penicilina. Asimismo es un efectivo antiofídico contra el veneno de alacranes o víboras.

• Tratamientos psicológicos. En el tratamiento de enfermedades psicológicas el peyote es administrado bajo prescripción facultativa con muy buenos resultados.

Consumo del peyote

Generalmente el peyote se consume de forma directa, fresco o seco, masticando la pulpa del cactus. De esta forma, la mescalina penetra el cuerpo a través de las mucosas bucales, siendo una manera poco agradable por su sabor amargo.

Debido a ello, es común acompañar la ingesta del peyote con jugo de piña, para reducir un poco su amargor, pero sigue siendo desagradable. Una forma cómoda de ingerir el peyote es a través de cápsulas rellenas con peyote seco y molido.

Se recomienda no consumir alimentos seis horas antes de ingerir el peyote, ya que se pueden sentir náuseas y mareos al momento en que el alucinógeno hace efecto. Esta sensación de náuseas se reduce consumiendo algún antiemético como el jengibre o aspirando cannabis.

Con el peyote se puede elaborar un cocimiento o té mezclado con otras hierbas, como la Brugmansia suaveolens (floripondio) o Coleus blumei (coleos, cretona). De hecho, esta bebida es consumida por los chamanes al momento de entrar en trance al realizar los rituales religiosos.

La ingesta se realiza de forma pausada, prolongando su consumo por una hora o más, para evitar una reacción violenta en el organismo. La dosis de mescalina por cada cactus de peyote depende de la edad, tamaño y condiciones ambientales.

A mayor edad y tamaño se incrementa el contenido de mescalina en cada cactus. Se requieren de 6-15 cactus de 2 gr para suplir una dosis media de 120-300 mg de mescalina.

Al respecto, una dosis media de mescalina es de 100 mg, pero para un viaje más intenso se precisan 350 mg. Su potencia tiene un amplio rango de variabilidad. En general, la experiencia alucinógena puede durar entre 6-12 horas, dependiendo de la dosis, fortaleza o sensibilidad del organismo.

Efectos del peyote en el organismo

El peyote contiene sustancias alucinógenas que producen efectos similares a los del LSD (dietilamida de ácido lisérgico). En efecto, es una sustancia psicodélica, que similar a la lisérgida o ácido, no es adictiva, ya que no produce un comportamiento compulsivo.

Su consumo es relativamente seguro, siempre y cuando se respeten las dosificaciones recomendadas. No obstante, muchas veces resulta difícil determinar la dosis adecuada, por lo que se recomienda ir consumiendo el peyote en partes, siempre acompañado de una persona que no esté tomándolo.

Efectos psicológicos

Los efectos psicológicos que experimenta una persona al consumir peyote dependen de la dosis, así como de su estado físico y anímico. Entre otras cosas, la ingesta del hongo psicotrópico, aun en dosis bajas, puede ocasionar alteraciones en el sistema sensorial.

Así, la persona experimenta una despersonalización total, alucinaciones auditivas, gustativas y visuales, deterioro de la percepción temporal y desaparición de la conciencia individual. En algunas ocasiones, la persona padece el denominado “mal viaje”, que puede llevar a sufrir experiencias desagradables e incluso a poner en riesgo su vida.

La experiencia que percibe cada individuo está relacionada con su estado anímico personal, la vida en general y con la naturaleza. El consumo del peyote permite la curación de heridas psíquicas, traumas de la infancia y favorece la mejoría del estrés postraumático.

Efectos físicos

El peyote posee diversos metabolitos que actúan como antiinflamatorios, antibióticos y analgésicos, que permiten sanar eficazmente cicatrices, golpes y contusiones. Asimismo, aplicaciones tópicas del macerado del cactus se emplean en el tratamiento de la artritis y dolores reumáticos.

Las cremas, pomadas o ungüentos del peyote mezclados con marihuana son efectivos para sanar problemas de la piel, como el acné. Las aplicaciones tópicas, así como las infusiones o té, permiten aliviar dolores musculares, óseos y articulares.

Efectos en el sistema nervioso central

Los efectos que causa el peyote en el sistema nervioso central destacan a partir de los 30 minutos posteriores a su consumo. Estos efectos se alargan por más de 12 horas, ocasionando alteraciones sensoriales, particularmente en el sentido de la vista.

Los efectos se caracterizan por la visión de formas geométricas entrelazadas, con infinidad de trazos y puntos, con luces intermitentes y vivos colores. Al mismo tiempo, ocurren alteraciones cognitivas, siendo las experiencias místicas, alucinaciones, relajación y la paz interior, los principales efectos.

Contraindicaciones del peyote

El peyote presenta un sabor amargo y tiene efectos eméticos, por lo que induce el vómito y las náuseas antes de promover los efectos psicoactivos. Al producirse las alucinaciones, el individuo percibe el incremento de la temperatura corporal, se acelera el ritmo cardiaco y aumenta la transpiración.

La presencia de diversos metabolitos psicoactivos ocasiona diferentes alucinaciones, que en muchos casos generan efectos secundarios como náuseas, vomito y dolor de cabeza. También puede producir ansiedad, paranoia, palpitaciones, sudoración, salivación, temblores, visión borrosa y pérdida de la coordinación sensorial y motora.

El consumo del peyote en dosis altas puede ser tan peligroso como el estramonio (Datura stramonium), otra planta psicoactiva. Como la belladona (Atropa belladonna), contiene alto contenido de alcaloides tóxicos por sus propiedades anticolinérgicas.

Por otro lado, la actividad psicotrópica del peyote puede ocasionar trastornos psíquicos en personas con alteraciones psicológicas o mentales. Su uso ritual no ha reportado alteraciones cognitivas a largo plazo, pero se ha observado que algunas personas sufren episodios psicóticos después de consumirlo.

El consumo del peyote no es recomendable en personas con trastornos de hipertensión o hipotensión. Esto se debe a la capacidad de la mescalina de alterar los valores de la presión arterial.

Además, no es recomendable el uso del peyote por mujeres embarazadas o que se encuentren en proceso de lactancia, ya que la mescalina es una sustancia alucinógena que puede ocasionar malformaciones congénitas, afectando al feto a través de la placenta o al lactante a través de la leche materna.

Interacciones con otras sustancias

Los metabolitos presentes en el peyote son químicamente similares a los alcaloides dopamina, noradrenalina y serotonina, derivados de la neuroamina. Estos derivados de las neuroaminas son neurotransmisores del sistema nervioso central que actúan cuando se produce una intoxicación por alcohol.

Por esta razón se recomienda evitar el consumo de alcohol cuando se ingiere el cactus del peyote. De igual manera, el principio bioactivo de la planta puede alterar las funciones de cualquier medicamento que se ingiera para controlar la presión arterial. Su consumo está restringido en estos pacientes.

La ingesta del peyote está condicionada cuando se mantiene un tratamiento a base de inmunomoduladores o reguladores del sistema inmune. De hecho, el peyote estimula los leucocitos y linfocitos, lo que puede ocasionar un efecto acumulativo.

Medicamentos neurolépticos de efecto antipsicótico, como la clorpromazina, afectan la disposición de mescalina, dañando el hígado y el cerebro de la madre o el niño. Por eso, el consumo del peyote está limitado en personas que consumen el medicamento fenotiazina empleado para el tratamiento de trastornos mentales.

Por último, el peyote incrementa la somnolencia de algún tipo de medicamentos neurológicos. Sus propiedades psicotrópicas pueden ocasionar efectos acumulativos con otros medicamentos, por lo que se recomienda restringir su uso en pacientes mentales.

Interacciones con otras plantas 

Los efectos psicoactivos del peyote, en combinación con otras hierbas o sustancias alucinógenas, pueden ocasionar efectos acumulativos. Al respecto, se recomienda moderación en personas con alteraciones psíquicas o mentales.

Las personas que ingieren algún tipo de hierba para regular la presión arterial o controlar trastornos cardiacos deben limitar el consumo de peyote. De hecho, el peyote actúa sobre el sistema cardiaco y la presión sanguínea, ocasionando un efecto antagónico con algunos medicamentos.

En algunos casos, los efectos secundarios del peyote son aceptables si la persona logra una experiencia alucinógena positiva. Sin embargo, es preciso determinar la dosis exacta de mescalina que se quiere consumir, ya que una sobredosis puede incrementar la frecuencia cardiaca, e incluso provocar un paro cardiaco.

Legalidad del peyote

En primer lugar, se debe ser consciente de la acción que se va a realizar al momento de decidir consumir el peyote. El peyote es una planta de lento crecimiento, que actualmente se encuentra en peligro de extinción, y su consumo es ilegal en muchos países.

Hoy día su uso está autorizado solo para algunos pueblos nativos el sur de EE.UU. y en algunos estados de México. Sin embargo, esta planta puede ser utilizada de manera ornamental sin restricciones.

A nivel internacional, la Convención sobre Sustancias Psicotrópicas de las Naciones Unidas establece en su artículo 32º la legalidad del consumo de ciertas sustancias tradicionales. Esta resolución actualmente se aplica solamente para algunos compuestos químicos, estando el peyote y otras plantas alucinógenas fuera de esta resolución.

En México, el gobierno ha otorgado permisos especiales a las comunidades huicholes con el objeto de regular su consumo en sus ceremonias ancestrales. Asimismo, han establecido convenios internacionales con el objeto de preservar las costumbres y tradiciones de los nativos mesoamericanos.

En la actualidad existe una Ley estatal que reconoce al peyote como una planta sagrada empleada por las comunidades indígenas. En esta Ley para el Desarrollo de las Comunidades y Pueblos Indígenas se limita el cultivo, transporte y uso del peyote.

En EE.UU. las leyes federales aprueban el uso del peyote solo a los miembros de la Native American Church. En efecto, para los afiliados a esta iglesia, su consumo no se encuentra condicionado y es legal.

En Canadá la mescalina es considerada una sustancia de uso controlado, y se encuentra bajo restricción por el estatuto federal de sustancias y drogas. No obstante, el peyote como cactus ornamental está exento de estas restricciones.

Referencias

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3. Lophophora williamsii. Recuperado de es.wikipedia.org.
4. Peyote (Lophophora williamsii). Recuperado de azarius.es.
5. Rojas Aréchiga, M. El controvertido peyote. Ciencias.

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¿Qué es la división celular?

La división celular es el proceso que les permite a todos los organismos vivos crecer y reproducirse. En procariotas y eucariotas, el resultado de la división celular son células hijas que poseen la misma información genética que la célula original. Esto sucede porque, previamente a la división, la información contenida en el ADN se duplica.

En los procariotas, la división sucede mediante fisión binaria. El genoma de la mayoría de los procariotas es una molécula de ADN circular. A pesar de que estos organismos no tienen núcleo, el ADN se encuentra en una forma compactada llamada nucleoide, que difiere del citoplasma que lo rodea.

En los eucariotas, la división sucede mediante mitosis y meiosis. El genoma de los eucariotas consiste en grandes cantidades de ADN organizado dentro del núcleo. Esta organización se basa en el empaquetamiento del ADN con proteínas, formando los cromosomas, que contienen cientos o miles de genes.

Los muy diversos eucariotas, tanto unicelulares como metazoarios, poseen ciclos de vida que alternan la mitosis y la meiosis. Estos ciclos son aquellos con: a) meiosis gamética (animales, algunos hongos y algas), b) meiosis cigótica (algunos hongos y protozoarios), y c) alternancia entre meiosis gamética y cigótica (plantas).

Tipos de división celular

La división celular puede ser por fisión binaria, mitosis o meiosis.

Fisión binaria

La fisión binaria consiste en la división de la célula que da origen a dos células hijas, cada una con una copia idéntica del ADN de la célula original.

Antes de la división de la célula procariota, tiene lugar la replicación del ADN, la cual comienza en un sitio específico del ADN doble cadena, denominado origen de la replicación. Las enzimas de replicación se mueven hacia ambas direcciones del origen, produciendo una copia de cada una de las cadenas del ADN doble cadena.

Después de la replicación del ADN, la célula se alarga y el ADN se separa dentro de la célula. Inmediatamente, comienza a crecer una nueva membrana plasmática en la mitad de la célula, formando un septo.

Este proceso es facilitado por la proteína FtsZ, evolutivamente muy conservada en los procariotas, incluyendo los Archaea. Finalmente, la célula se divide.

El ciclo celular y la mitosis

Las etapas por las que atraviesa una célula eucariota entre dos divisiones celulares sucesivas se conoce como ciclo celular. La duración del ciclo celular varía desde pocos minutos hasta meses, dependiendo del tipo de célula.

El ciclo celular se divide en dos etapas, a saber, la fase M y la interfase. En la fase M ocurren dos procesos, denominados mitosis y citoquinesis. La mitosis consiste de la división nuclear. El mismo número y tipos de cromosomas presentes en el núcleo original se encuentran en los núcleos hijos. Las células somáticas de los organismos multicelulares se dividen por mitosis.

La citoquinesis consiste en la división del citoplasma para formar células hijas.

La interfase tiene tres fases: 1) G1, las células crecen y pasan la mayor parte de su tiempo en esta fase; 2) S, duplicación del genoma; y 3) G2, replicación de mitocondrias y otros organelos, condensación de los cromosomas y ensamblaje de microtúbulos, entre otros eventos.

Etapas de la mitosis

La mitosis comienza con el final de la fase G2, y se divide en cinco fases: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. Todas suceden de forma continua.

Profase

En esta etapa el ensamblaje del huso mitótico, o aparato mitótico, es el evento principal. La profase comienza con la compactación de la cromatina, formándose los cromosomas.

Cada cromosoma tiene un par de cromátidas hermanas, con ADN idéntico, estrechamente unidas en la vecindad de sus centrómeros. En esta unión participan complejos de proteínas denominados cohesinas.

Cada centrómero se encuentra unido a un cinetocoro, un complejo de proteínas que se une a los microtúbulos. Estos microtubulos permiten que cada copia de los cromosomas sea cedida a las células hijas. Los microtúbulos radian de cada extremo de la célula y forman el aparato mitótico.

En las células animales, antes de la profase, ocurre la duplicación del centrosoma, el principal centro organizador de los microtúbulos y lugar donde se encuentran los centriolos progenitor e hijo. Cada centrosoma alcanza el polo opuesto de la célula, estableciendo un puente de microtúbulos entre ellos denominado aparato mitótico.

En las plantas de evolución más reciente, a diferencia de las células animales, no hay centrosomas y el origen de los microtúbulos no es claro. En las células fotosintéticas de origen evolutivo más antiguo, tales como las algas verdes, hay centrosomas.

Prometafase

La mitosis debe garantizar la segregación de los cromosomas y la distribución de la envoltura nuclear del complejo del poro nuclear y de los nucléolos. Dependiendo de si la envoltura nuclear (EN) desaparece o no, y del grado de densintegración de la EN, la mitosis varía desde cerrada hasta completamente abierta.

Por ejemplo, en S. cerevisae la mitosis es cerrada, en A. nidulans es semiabierta, y en los humanos es abierta.

En la mitosis cerrada, los cuerpos polares del huso se encuentran en el interior de la envoltura nuclear, constituyendo los puntos de nucleación de microtúbulos nucleares y citoplasmáticos. Los microtúbulos citoplasmáticos interactúan con la corteza celular, y con los cinetocoros de los cromosomas.

En la mitosis semiabierta, debido a que la EN está parcialmente desensamblada, el espacio nuclear es invadido por los microtúbulos nucleados a partir de los centrosomas y a través de dos aberturas de la EN, formando haces rodeados por la EN.

En la mitosis abierta, ocurre el desensamblaje completo de la EN, se termina de formar el aparato mitótico y los cromosomas comienzan a ser desplazados hacia la mitad de la célula.

Metafase

En la metafase, los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula. El plano imaginario perpendicular al eje del huso, que pasa a través de la circunferencia interior de la célula, se denomina plato de la metafase.

En células de mamífero, el aparato mitótico se encuentra organizado en un huso mitótico central y un par de ásteres. El huso mitótico consta de un haz simétrico bilateral de microtúbulos dividido en el ecuador de la célula, formando dos mitades opuestas. Los ásteres están conformados por un grupo de microtúbulos en cada polo del huso.

En el aparato mitótico hay tres grupos de microtúbulos: 1) astrales, que formán el áster, parten del centrosoma y se irradian hacia la corteza celular; 2) del cinetocoro, que se unen a los cromosomas a través del cinetocoro; y 3) polares, que se interdigitan con los microtúbulos del polo opuesto.

En todos los microtúbulos arriba descritos, los extremos (-) se orientan hacia el centrosoma.

En las células vegetales, si no hay centrosoma, el huso es similar al de las células animales. El huso consiste en dos mitades con polaridad opuesta. Los extremos (+) se encuentran en la placa ecuatorial.

Anafase

La anafase se divide en temprana y tardía. En la anafase temprana tiene lugar la separación de las cromátidas hermanas.

Esta separación sucede porque las proteínas que mantienen la unión son clivadas y porque hay un acortamiento de los microtúbulos del cinetocoro. Cuando el par de cromátidas hermanas se separan, se las denomina cromosomas.

Durante el desplazamiento de los cromosomas hacia los polos, el cinetocoro se desplaza a lo largo del microtúbulo del mismo cinetocoro a medida que su extremo (+) se disocia. Debido a ello, el movimiento de los cromosomas durante la mitosis es un proceso pasivo que no necesita proteínas motoras.

En la anafase tardía sucede una mayor separación de los polos. Una proteína KRP, unida al extremo (+) de los microtúbulos polares, en la región de superposición de los mismos, marcha hacia el extremo (+) de un microtúbulo polar adyacente antiparalelo. Así, la KRP empuja el microtúbulo polar adyacente hacia el extremo (-).

En las células vegetales, después de la separación de los cromosomas, queda un espacio con microtúbulos interdigitados, o superpuestos, en la zona media del huso. Esta estructura permite el inicio del aparato citocinético, denominado fragmoplasto.

Telofase

En la telofase suceden varios eventos. Los cromosomas alcanzan los polos. El cinetocoro desaparece. Los microtúbulos polares continúan elongándose, preparando la célula para la citocinesis. Se vuelve a formar la envoltura nuclear a partir de fragmentos de la envoltura madre. Reaparece el nucléolo. Los cromosomas se descondensan.

Citocinesis

La citocinesis es la fase del ciclo celular durante la cual la célula se divide. En las células animales, la citosinesis ocurre por medio de una correa de constricción de filamentos de actina. Estos filamentos se deslizan unos sobre otros, el diámetro de la correa disminuye, y se forma un surco de clivaje alrededor de la circunferencia de la célula.

Debido a que la constricción continúa, el surco se profundiza y se forma un puente intercelular, que contiene el cuerpo medio. En la región central del puente intercelular se encuentran los haces de los microtúbulos, cubiertos por una matriz electrodensa.

La ruptura del puente intercelular entre células hermanas post-mitóticas tiene lugar mediante la abscisión. Hay tres tipos de abscisión: 1) mecanismo de ruptura mecánica; 2) mecanismo de llenado por vesículas internas; 3) constricción de la membrana plasmática para la fisión.

En las células de plantas, se ensamblan componentes de la membrana en su interior y se forma la placa celular. Esta placa crece hasta alcanzar la superficie de la membrana plasmática, fusionándose con ella y dividiendo la célula en dos. Luego la celulosa se deposita sobre la nueva membrana plasmática y forma la nueva pared celular.

Meiosis

La meiosis es un tipo de división celular que reduce el número de cromosomas a la mitad. Así, una célula diploide se divide en cuatro células hijas haploides. La meiosis sucede en las células germinativas y da origen a los gametos.

Las etapas de la meiosis consisten en dos divisiones del núcleo y del citoplasma, a saber, meiosis I y meiosis II. Durante la meiosis I, los miembros de cada par de cromosomas homólogos se separan. Durante la meiosis II, las cromátidas hermanas se separan y se producen cuatro células haploides.

Cada etapa de la mitosis se divide en profase, prometafase, metafase, anafase y telofase.

Meiosis I

• Profase I. Los cromosomas se condensan y el huso comienza a formarse. El ADN se ha duplicado. Cada cromosoma está conformado por cromátidas hermanas, unidas al centrómero. Los cromosomas homólogos se aparean durante la sinapsis, permitiendo el entrecruzamiento, lo cual es clave para producir gametos diferentes.
• Metafase I. El par de cromosomas homólogos se alinean a lo largo de la placa de la metafase. El quiasma ayuda a mantener el par unido. Los microtúbulos del cinetocoro de cada polo se unen a un centrómero de un cromosoma homólogo.
• Anafase I. Los microtúbulos del cinetocoro se acortan y los pares homólogos son separados. Un homólogo duplicado va a un polo de la célula, mientras que el otro homólogo duplicado va al otro lado del polo.
• Telofase I. Los homólogos separados forman un grupo en cada polo de la célula. La envoltura nuclear se vuelve a formar. Sucede la citocinesis. Las células resultantes tienen la mitad del número de cromosomas de la célula original.

Meiosis II

• Profase II. Se forma un nuevo huso en cada célula y la membrana celular desaparece.
• Metafase II. Se completa la formación del huso. Los cromosomas tienen cromátidas hermanas, unidas en el centrómero, alineadas a lo largo de la placa de la metafase. Los microtúbulos del cinetocoro que parten de polos opuestos se unen a los centrómeros.
• Anafase II. Los microtúbulos se acortan, los centrómeros se dividen, las cromátidas hermanas se separan y se desplazan hacia polos opuestos.
• Telofase II. Se forma la envoltura nuclear alrededor de cuatro grupos de cromosomas: se forman cuatro células haploides.

Referencias

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., y col. Molecular Biology of the Cell. Garland Science.
2. Bernstein, H., Byers, G.S., Michod, R.E. Evolution of sexual reproduction: the importance of DNA repair, complementation, and variation. American Naturalist.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, S.L., Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. Biología celular y molecular. Editorial Medica Panamericana.
4. Raven, P.H., Johnson, G.B., Losos, J.B., Singer, S.R. Biología. Higher Education.
5. Solomon, B.M., Berg, L.R., Martin, D.W. Biología. Thomson.

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¿Qué es el metabolismo basal?

El metabolismo basal puede definirse como el conjunto de reacciones químicas del organismo mediante las cuales un animal gasta la cantidad mínima de energía necesaria para mantener sus procesos vitales. Esta cantidad típicamente representa 50% o más del presupuesto energético total de un animal.

El metabolismo basal se cuantifica mediante medidas estandarizadas de gasto energético por unidad de tiempo. Las más comunes son la tasa metabólica estándar (TMS) y la tasa metabólica basal (TMB).

La TMS se mide en animales de sangre fría, como la mayoría de los peces, los moluscos, los anfibios y los reptiles. La TMB se mide en animales de sangre caliente, como las aves y los mamíferos.

Unidades de medición de las tasas metabólicas

La TMS y la TMB suelen expresarse como consumo (ml) de O₂, calorías (cal), kilocalorías (kcal), joules (J), kilojoules (kJ), o vatios (W).

Una caloría se define como la cantidad de calor requerida para elevar en 1 °C la temperatura de 1 g de agua. Una caloría equivale a 4.186 joules. El joule es la medida fundamental (SI, Sistema Internacional) de energía. El vatio, que es igual a 1 joule por segundo, es la medida fundamental (SI) de las tasas de transferencia y transformación de energía.

Condiciones para medir el metabolismo basal

Para asegurar que los valores obtenidos por diferentes estudios sean comparables, la medición de la TMS y la TMB requiere que los animales experimentales estén en reposo y en ayunas. En el caso de la TMB, también se requiere que estos animales estén en su zona termoneutra.

Un animal está en reposo si está en la fase inactiva de su ciclo diario normal, sin realizar movimientos espontáneos y sin estrés físico o psicológico.

Un animal está en ayunas si no está digiriendo alimento, de manera que ello genere calor. Un animal está en su zona termoneutra si durante los experimentos se mantiene en el intervalo de temperaturas dentro del cual su producción de calor corporal permanece invariable.

Métodos respirométricos para medir TMS y TMB

• Respirometría de volumen o de presión constante. Se mantiene al animal en un contenedor sellado. Los cambios de presión debidos al consumo de O₂ por el animal se miden a temperatura constante mediante un manómetro. El CO₂ producido por el animal es eliminado químicamente mediante KOH o ascarita. Si se usa un respirómetro de Warburg, se mide el cambio de presión manteniendo constante el volumen del contenedor. Si se usa un respirómetro de Gilson, se mide el cambio de volumen manteniendo la presión constante.
• Análisis de gases. Actualmente, existe gran variedad de instrumental de laboratorio que permite cuantificar directamente las concentraciones de O₂ y CO₂. Este instrumental es muy preciso y permite determinaciones automatizadas.

Métodos calorimétricos para medir TMS y TMB

• Calorimetría de bomba. El consumo energético se calcula comparando el calor producido por la combustión de una muestra de alimento no ingerido con el calor producido por la combustión de una muestra equivalente de restos digeridos (heces y orina) de ese alimento.
• Calorimetría directa. Consiste en medir directamente el calor producido por la llama de combustión de la muestra.
• Calorimetría indirecta. Mide la producción de calor comparando el consumo de O₂ y la producción de CO₂. Se basa en la ley de Hess de suma constante de calor, la cual establece que en una reacción química se libera una cantidad de calor dependiente solo de la naturaleza de los reactivos y productos.
• Calorimetría de gradiente. Si un flujo de calor Q pasa a través de un material de un grosor G, un área A y una conductividad calórica C, el resultado es un gradiente de temperatura que aumenta con G y disminuye con A y C. Ello permite calcular el gasto energético.
• Calorimetria diferencial. Mide el flujo de calor entre una cámara que contiene al animal experimental y una cámara desocupada adyacente. Las dos cámaras están aisladas térmicamente excepto en la superficie que las une, por la cual intercambian calor.

Metabolismo basal y tamaño corporal

La TMS y la TMB varían de manera no proporcional con el tamaño de los animales. Esta relación se conoce como escalamiento metabólico. El concepto puede entenderse fácilmente comparando dos mamíferos herbívoros de tamaños muy diferentes, como el conejo y el elefante.

Si cuantificamos el follaje que ingieren durante una semana, encontraríamos que el conejo come mucho menos que el elefante. Sin embargo, la masa del follaje comido por el primero sería bastante mayor que su propia masa corporal, mientras que en el caso del segundo sería al revés.

Esta disparidad indica que, proporcionalmente a su tamaño, las necesidades energéticas de ambas especies son diferentes. El estudio de cientos de especies de animales demuestra que esta observación particular es parte de un patrón general de escalamiento metabólico cuantificable en términos de la TMS y la TMB.

Por ejemplo, la TMB promedio (2200 J/h) de mamíferos de 100 g no es diez veces, sino solo 5.5 veces mayor que la TMB promedio (400 J/h) de mamíferos de 10 g. Similarmente, la TMB promedio de mamíferos de 400 g (4940 J/h) no es cuatro veces, sino solo 2.7 veces mayor que la TMB promedio de mamíferos de 100 g.

Ecuación alométrica de escalamiento metabólico

La relación TMS (o TMB), representado por T, y la masa corporal, representada por M, de un animal puede describirse mediante la ecuación clásica de la alometría biológica, T = a × M^b, en la cual a y b son constantes.

El ajuste a esta ecuación explica matemáticamente por qué la TMS y la TMB no varían proporcionalmente a la masa de los animales. Aplicando logaritmos a ambos lados, la ecuación se puede expresar de la manera siguiente

log(T) = log(a) + b × log (M),

log(a) y b pueden calcularse mediante análisis de regresión lineal entre valores experimentales de log(T) y log (M) de múltiples especies de un grupo animal. La constante log(a) es el punto de corte de la recta de regresión en el eje vertical. Por su parte, b, que es la pendiente de dicha recta, es la constante alométrica.

Se ha descubierto que la constante alométrica promedio de muchos grupos animales tiende a ser cercana a 0,7. En el caso de log(a), cuanto mayores sean sus valores, más elevadas serán las tasas metabólicas del grupo animal objeto del análisis.

Metabolismo basal, circulación y respiración

La falta de proporcionalidad de la TMS y la TMB con respecto al tamaño ocasiona que los animales pequeños tengan mayores necesidades de O₂ por gramo de masa corporal que los animales grandes. Por ejemplo, la tasa de gasto energético de un gramo de tejido de ballena es mucho menor que la de un gramo de tejido homólogo de ratón.

Los mamíferos grandes y pequeños poseen corazón y pulmones de tamaños similares en relación con su masa corporal. Por ello, las tasas de contracción del corazón y los pulmones de los segundos requieren ser mucho mayores que las de los primeros para poder llevar suficiente O₂ a los tejidos.

Por ejemplo, el número de latidos cardiacos por minuto es de 40 en elefante, de 70 en un humano adulto, y de 580 en un ratón. Similarmente, los humanos respiran unas 12 veces y los ratones unas 100 veces por minuto.

Dentro de una misma especie, estos patrones también se observan entre individuos de diferentes tamaños. Por ejemplo, en los humanos adultos el cerebro es responsable de aproximadamente el 20% del gasto metabólico total, mientras que en niños de 4 a 5 años dicho gasto alcanza 50%.

Metabolismo basal y longevidad

En los mamíferos, los tamaños del cuerpo y el cerebro y el metabolismo basal están relacionados con la longevidad mediante la ecuación

L = 5,5 × C^0,54 × M^-0,34 × T^-0,42,

Donde L es la longevidad en meses, C es la masa del cerebro en gramos, M es la masa corporal en gramos, y T es la TMB en calorías por gramo por hora.

El exponente de C indica que la longevidad de los mamíferos tiene una asociación positiva con el tamaño del cerebro. El exponente de M indica que la longevidad tiene una asociación negativa con la masa corporal. El exponente de T indica que la longevidad tiene una asociación negativa con la velocidad del metabolismo.

Esta relación, aunque con exponentes diferentes, también es aplicable a las aves. Sin embargo, estas tienden a vivir más que los mamíferos de masa corporal similar.

Interés médico

La TMB de las mujeres puede llegar a duplicarse durante el embarazo. Ello obedece al incremento del consumo de oxígeno ocasionado por el crecimiento del feto y de las estructuras uterinas, y por el mayor desarrollo de la circulación materna y de la función renal.

El diagnóstico del hipertiroidismo puede confirmarse por el incremento del consumo de oxígeno, es decir, una TMB elevada. En alrededor del 80% de los casos de hiperactividad tiroidea, la TMB es al menos 15% mayor de lo normal. Sin embargo, una TMB elevada también puede ser ocasionada por otras enfermedades.

Referencias

1. Guyton, A. C., Hall, J. E. Tratado de fisiología médica. McGraw-Hill Interamericana.
2. Hill, R. W., Wyse, G. A., Anderson, M. Animal Physiology. Sinauer Associates, Sunderland.
3. Lighton, J. R. B. Measuring metabolic rates – a manual for scientists. Oxford University Press.
4. Randall, D., Burggren, W., French, K. Fisiología animal, mecanismos y adaptaciones. McGraw-Hill Interamericana.
5. Willmer, P., Stone, G., Johnston, I. Environmental physiology of animals. Blackwell, Oxford.

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¿Qué es la comunicación celular?

La comunicación celular, también denominada comunicación intercelular, consiste en la transmisión de moléculas de señal extracelulares. Estas moléculas parten de una célula generadora de señales y se unen a los receptores de la célula blanco, produciendo una respuesta específica.

La molécula señal puede ser una molécula pequeña (ejemplo: un aminoácido), un péptido o una proteína. Por ello, la comunicación, que es química, es una característica de los organismos unicelulares y multicelulares.

En las bacterias, las moléculas señal son feromonas bacterianas. Son necesarias para funciones como la transferencia horizontal de genes, la bioluminiscencia, la formación de biofilms, y la producción de antibióticos y factores patogénicos.

En los organismos multicelulares, la comunicación celular pueder tener lugar entre células adyacentes, o entre células separadas. En este último caso, las moléculas señal deben difundirse y transportarse durante largas distancias. Entre las funciones de las señales se encuentran cambios en la expresión génica, la morfología y el movimiento celular.

La comunicación celular también puede llevarse a cabo mediante vesículas extracelulares (VE), denominadas ectosomas y exosomas. Algunas funciones de las VE son modulación de linfocitos y macrófagos, control de la función sináptica, en los vasos sanguíneos y el corazón, coagulación y angiogénesis, e intercambio de ARN.

Tipos (sistemas/mecanismos) de comunicación celular

En las bacterias, hay un tipo de comunicación celular denominado quorum sensing, que consiste en comportamientos que ocurren únicamente cuando la densidad de la población bacteriana es alta. El quorum sensing implica la producción, liberación y subsecuente detección de concentraciones elevadas de moléculas señal, denominadas autoinductores.

En eucariotas unicelulares, como T. brucei, también hay quorum sensing. En las levaduras, el comportamiento sexual y la diferenciación celular sucede en respuesta a la comunicación por feromonas y cambios medioambientales.

En plantas y animales, el uso de moléculas señal extracelulares, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento o gases, es un tipo de comunicación importante que implica la síntesis de la molécula señal, su liberación, su transporte hacia la célula blanco, detección de la señal y respuesta específica.

En relación con el transporte de la molécula señal en animales, la distancia de acción de la molécula determina dos tipos de señales: 1) autocrinas y paracrinas, las cuales actúan, respectivamente, sobre la misma célula y sobre las células cercanas; y 2) endocrina, la cual actúa sobre una célula blanco distante, siendo transportada por el torrente sanguíneo.

La comunicación celular mediante vesículas extracelulares es un tipo de comunicación celular importante en los organismos eucariotas y los Archaea.

Quorum sensing (qs)

A medida que la población bacteriana o de eucariotas unicelulares crece, alcanza el número de células suficiente, o quórum, que produce la concentración del inductor capaz de producir un efecto en las células. Esto constituye un mecanismo de realización de censo.

Se conocen tres tipos de sistemas quorum sensing en bacterias: uno en gramnegativas, otro en grampositivas, y otro en la gramnegativa Vibrio harveyi.

En bacterias gramnegativas, el autoinductor es la homoserina lactona acilada. Esta sustancia es sintetizada por la enzima tipo LuxI y difunde pasivamente a través de la membrana, acumulándose en el espacio extracelular e intracelular. Cuando se alcanza la concentración estimulante, se activa la transcripción de genes regulados por QS.

En bacterias grampositivas, los autoinductores son péptidos modificados, los cuales son exportados al espacio extracelular, donde interactúan conjuntamente con proteínas de membrana. Se produce una cascada de fosforilación que activa proteínas, las cuales se unen al ADN y controlan la transcripción de genes blanco.

Vibrio harveyi produce dos autoinductores, denominados HAI-1 y A1-2. HAI-1 es homoserina lactona acilada, pero su síntesis no depende de LuxI. A1-2 es furanosil borato diéster. Ambas sustancias actúan mediante una cascada de fosforilación similar a la de otras bacterias gramnegativas. Este tipo de QS controla la bioluminiscencia.

Comunicación química

La unión específica de la molécula señal, o ligando, a la proteína receptora produce una respuesta celular específica. Cada tipo de célula posee ciertos tipos de receptores. Aunque un determinado tipo de receptor también puede encontrarse en diferentes tipos de células, y producir diferentes respuestas al mismo ligando.

La naturaleza de la molécula señal determina la vía que será utilizada para entrar en la célula. Por ejemplo, las hormonas hidrofóbicas, como los esteroides, se difunden a través de la bicapa lipídica y se unen a receptores para formar complejos que regulan la expresión de genes específicos.

Los gases, como el óxido nítrico y el monóxido de carbono, se difunden a través de la membrana y, por lo general, activan la guanilil ciclasa, productora de GMP cíclico. La mayoría de las moléculas señal son hidrofílicas.

Sus receptores se encuentran en la superficie celular. Los receptores actúan como traductores de señal que alteran la conducta de la célula blanco.

Los receptores de superficie celular se dividen en: a) receptores acoplados a proteína G; b) receptores con actividad de enzimas, como la tirosin quinasa; y c) receptores de canales iónicos.

Receptores acoplados a proteína G

Los receptores acoplados a proteína G se encuentran en todos los eucariotas. En general, son receptores con siete dominios que atraviesan la membrana, con la región N-terminal hacia el exterior celular y la C-terminal hacia el interior celular. Estos receptores se asocian a una proteína G que traduce las señales.

Cuando el ligando se une al receptor, la proteína G se activa. Esta a su vez activa una enzima efectora que produce un segundo mensajero intracelular, el cual puede ser el adenosín monofosfato cíclico (AMPc), el ácido araquidónico, el diacilglicerol, o el inositol-3-fosfato, que actúa como amplificador de la señal inicial.

La proteína G posee tres subunidades: alfa, beta y gamma. La activación de la proteína G implica la disociación del GDP de la proteína G y la unión del GTP a la subunidad alfa. En el complejo G_alfa-GTP se disocian de las subunidades beta y gamma, interactúando de forma específica con proteínas efectoras, activándolas.

La vía del AMPc puede activarse por receptores beta-adrenérgicos. El AMPc es producido por la adenilil ciclasa. La vía fosfoinositol es activada por receptores muscarínicos de acetilcolina. Activan la fosfolipasa C. La vía del ácido araquidónico es activada por el receptor de histamina. Activa la fosfolipasa A2.

Vía del AMPc

La unión del ligando al receptor de la proteína estimuladora G (G_s), unida a GDP, ocasiona el intercambio de GDP por GTP, y la disociación de la subunidad alfa de G_s de las subunidades beta y gamma. El complejo G_alfa-GTP se asocia con un dominio de la adenil ciclasa, activando la enzima, y produciendo AMPc a partir de ATP.

El AMPc se une a las subunidades reguladoras de la proteína quinasa dependiente de AMPc. Libera las subunidades catalíticas, las cuales fosforilan proteínas que regulan respuestas celulares. Esta vía es regulada por dos tipos de enzimas, a saber: las fosfodiesterasas y las proteínas fosfatasas.

Vía del fosfoinositol

La unión del ligando al receptor activa la proteína G (G_q), la cual activa la fosfolipasa C (PLC). Esta enzima rompe el fosfatidil inositol 1,4,5-bifosfato (PIP₂) en dos segundos mensajeros, el inositol 1,4,5-trifosfato (IP₃) y diacilglicerol (DAG).

El IP₃ difunde en el citoplasma y se une a receptores del retículo endoplasmático, ocasionando la liberación de Ca⁺² desde el interior. El DAG se mantiene en la membrana y activa la proteína quinasa C (PKC). Algunas isoformas de PKC necesitan de Ca⁺².

Vía del ácido araquidónico

La unión del ligando al receptor hace que las subunidades beta y gamma de la proteína G activen la fosfolipasa A₂ (PLA₂). Esta enzima hidroliza el fosfatidilinositol (PI) en la membrana plasmática, liberando ácido araquidónico, el cual es metabolizado por diferentes vías, tales como 5 y 12-lipoxigenasa y cicloxigenasa.

Receptores tirosin quinasa

Los receptores tirosin quinasa (RTK) tienen dominios reguladores extracelulares y dominios catalíticos intracelulares. A diferencia del receptor acoplado a proteína G, la cadena polipeptídica de los receptores tirosin quinasa atraviesa la membrana plasmática una sola vez.

La unión del ligando, que es una hormona o factor de crecimiento, al dominio regulador ocasiona que las dos subunidades del receptor se asocien. Esto permite la autofosforilación del receptor en un residuo de tirosina, y la activación de cascadas de fosforilación de proteínas.

Los residuos de tirosina fosforilados del receptor de la tirosin quinasa (RTK) interactúan con proteínas adaptadoras, que conectan el receptor activado con componentes de la vía de la transducción de la señal. Las proteínas adaptadoras sirven para formar complejos de señalamiento multiproteicos.

El RTK se une a diferentes péptidos, como el factor de crecimiento epidérmico, factores de crecimiento de fibroblastos, factores de crecimiento del cerebro, factor de crecimiento de nervios y la insulina.

Características generales de los receptores

• Activación y reacción. La activación de los receptores de superficie produce cambios en la fosforilación de proteínas mediante la activación de dos tipos de proteínas quinasas: tirosin quinasa y quinasas de serina y treonina.
• Tipos de quinasas de serina y treonina. Las quinasas de serina y treonina son: la proteína quinasa dependiente de AMPc, la proteína quinasa dependiente de GMPc, la proteina quinasa C, y la proteína dependiente de Ca⁺²/calmodulina. En estas proteínas quinasas, con excepción de la quinasa dependiente de AMPc, el dominio catalítico y regulador se encuentra en la misma cadena polipeptídica.
• Comunicación. El segundo mensajero se une a estas quinasas de serina y treonina, activándolas.

Características de los receptores que son canales iónicos

• Los receptores canal de iones tienen las características siguientes: a) conducen iones; b) reconocen y seleccionan iones específicos; c) abren y cierran en respuesta a señales químicas, eléctricas o mecánicas.
• Los receptores canal de iones pueden ser un monómero, o ser heteroligómeros u homoligómeros, cuyas regiones de la cadena polipeptídica atraviesan la membrana plasmática.
• Hay tres familias de canales de iones: a) canales puerta del ligando; b) canales de uniones gap; y c) canales voltaje dependientes de Na⁺.
• Algunos ejemplos de receptores canal de iones son los receptores de acetilcolina de la unión neuromuscular, y los receptores ionotrópicos de glutamato, NMDA y no NMDA, en el sistema nervioso central.

Comunicación mediante vesículas extracelulares

Las vesículas extracelulares (VE) son una mezcla de ectosomas y exosomas, que se encargan de transmitir información biológica (ARN, enzimas, especies reactivas de oxígeno, etc.) entre célula y célula. El origen de ambas vesículas es diferente.

Los ectosomas son vesículas producidas por brotes de la membrana plasmática, seguida por su separación y liberación hacia el espacio extracelular.

Primero, ocurre el agrupamiento de proteínas de membrana en dominios discretos. Luego, los anclajes de lípidos de proteínas acumulan proteínas citosólicas y ARN en el lumen, con lo cual el brote crece.

Los exosomas son vesículas que se forman a partir de cuerpos multivesiculares (MVB) y son liberadas por exocitosis al espacio extracelular. Los MVB son endosomas tardíos, en cuyo interior hay vesículas intraluminales (ILVs). Los MVB pueden fusionarse a lisosomas y continuar la vía degradativa, o liberar las ILVS como exosomas mediante exocitosis.

Las VE interaccionan con la célula blanco de maneras distintas: 1) desvanecimiento de la membrana de VE y liberación de los factores activos de su interior; 2) las VE establecen contacto con la superficie de la célula blanco, las cuales fusionan, liberando su contenido en el citosol; y 3) las VE son capturadas enteramente mediante macropinocitosis y fagocitosis.

Importancia de la comunicación celular

La gran variedad de funciones de la comunicación intercelular indica por si sola su importancia. Mediante algunos ejemplos, se ilustra la importancia de los diferentes tipos de comunicación celular.

• Importancia del quorum sensing. El QS regula diversos procesos, como la virulencia dentro de una especie, o microorganismos de especies o géneros diferentes. Por ejemplo, una cepa de Staphylococcus aureus usa una molécula señal en el quorum sensing para infectar al hospedador, e inhibe otras cepas de S. aureus de hacerlo.
• Importancia de la comunicación química. El señalamiento químico es necesario para la sobrevivencia y el éxito reproductivo de los organismos multicelulares. Por ejemplo, la muerte celular programada, que regula el desarrollo multicelular, elimina estructuras completas y permite el desarrollo de tejidos específicos. Todo ello es mediado por factores tróficos.
• Importancia de las VE. Tienen un papel importante en la diabetes, la inflamación y enfermedades neurodegenerativas y cardiovasculares. Las VE de células normales y células cáncer difieren bastante. Las VE pueden transportar factores que promueven o suprimen el fenotipo de cáncer en las células blanco.

Ejemplos de comunicación celular

• Comunicación entre neuronas. En el sistema nervioso, las neuronas se comunican entre sí mediante señales eléctricas y químicas. Las señales eléctricas viajan a lo largo de las dendritas y el axón de una neurona, y cuando llegan a una sinapsis, se transmiten señales químicas (neurotransmisores) para comunicarse con la siguiente neurona.
• Comunicación hormonal. Las glándulas endocrinas, como la tiroides y las glándulas suprarrenales, liberan hormonas en el torrente sanguíneo. Estas hormonas actúan como mensajeros químicos que afectan células específicas en diferentes partes del cuerpo para regular funciones como el metabolismo, el crecimiento y la respuesta al estrés.
• Comunicación inmunológica. El sistema inmunológico utiliza señales químicas para coordinar la respuesta del cuerpo a infecciones y enfermedades. Las células del sistema inmunológico, como los linfocitos, se comunican entre sí y con otras células del cuerpo para identificar y combatir patógenos invasores.
• Comunicación entre células del sistema circulatorio. Las células sanguíneas, como glóbulos blancos, glóbulos rojos y plaquetas, se comunican entre sí para mantener el equilibrio y la función adecuada de la sangre.
• Comunicación en el sistema reproductor. En la reproducción sexual, las células reproductoras masculinas (espermatozoides) y femeninas (óvulos) se comunican entre sí durante la fertilización. Los espermatozoides nadan hacia el óvulo y liberan enzimas para penetrar en su membrana, lo que lleva a la fusión de sus núcleos y la formación de un nuevo organismo.

Referencias

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2. Bassler, B.L. Small Talk: Cell-to-Cell Communication in Bacteria. Cell.
3. Cocucci, E. and Meldolesi, J. Ectosomes and exosomes: shedding the confusion between extracellular vesicles. Trends in Cell Biology.
4. Kandel, E., Schwarts, J.H., and Jessell, T. Principles of Neural Science. McGraw-Hill USA.
5. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, S.L., Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. Biología celular y molecular. Editorial Medica Panamericana.

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¿Qué es el alcohol isoamílico?

El alcohol isoamílico es un compuesto orgánico cuya fórmula es (CH₃)₂CHCH₂CH₂OH. Químicamente hablando es un alcohol primario ramificado, y constituye uno de los isómeros del pentanol, llamados alcoholes amílicos (C₅H₁₂O).

Al igual que muchos alcoholes de bajo peso molecular, es un líquido incoloro a temperatura ambiente. Esto permite y facilita que se utilice como solvente para distintas aplicaciones. Más aún cuando no ejerce demasiados efectos negativos en el ecosistema tras desecharse.

Si bien es un material intermediario en la síntesis del acetato de amilo para la elaboración de fragancias artificiales de plátano, su olor propio es desagradable y parecido al de las peras.

Además de servir como solvente de múltiples sustancias biológicas, y como intermediario en la síntesis de otros acetatos, reduce la tensión superficial de ciertas formulaciones industriales, evitando que se formen espumas. Por lo tanto, se usa en sistemas microemulsionados.

Respecto a su procedencia natural, se ha encontrado el alcohol isoamílico en las feromonas de los avispones y en las trufas negras, un tipo de hongos ubicado en el sureste europeo.

Estructura del alcohol isoamílico

En la imagen superior se mostró la molécula del alcohol isoamílico representada en un modelo de esferas y barras. A la derecha de la misma, la esfera roja corresponde al átomo de oxígeno del grupo OH, característico para todos los alcoholes, mientras que a la izquierda está el esqueleto carbonado con un grupo metilo, CH₃, ramificando la estructura.

Desde un punto de vista molecular, este compuesto es dinámico por tener átomos con hibridaciones sp³, facilitando la rotación de sus enlaces, siempre y cuando no provoque que se eclipsen el OH y CH₃.

También cabe mencionar su característica anfifílica: tiene un extremo apolar o hidrofóbico, constituido por la cadena (CH₃)₂CHCH₂CH₂-, y una cabeza polar o hidrofílica, el grupo OH. Esta definición de dos áreas concretas de distintas polaridades hacen de este alcohol un tensoactivo, y de aquí se debe su aplicación para las microemulsiones.

Interacciones intermoleculares

Dada la presencia del grupo OH, la molécula de alcohol isoamílico presenta un momento dipolar permanente. En consecuencia, las fuerzas dipolo-dipolo logran cohesionar sus moléculas, responsables de las propiedades físicas y mesurables del líquido, al igual que su olor.

Si bien la ramificación de las cadenas principales disminuye las interacciones efectivas entre las moléculas, los puentes de hidrógeno en este alcohol compensan este descenso, haciendo que el líquido hierva a 131 °C, temperatura superior a la del punto de ebullición del agua.

No sucede igual con su sólido o “hielo”, el cual funde a -117 °C, indicativo de que sus interacciones intermoleculares no son lo suficientemente fuertes para mantener ordenadas sus moléculas, en especial, si el grupo CH₃ que ramifica la cadena principal impide un mejor contacto entre las moléculas.

Propiedades del alcohol isoamílico

• Apariencia física. Líquido incoloro.
• Olor y sabor. Despide un olor desagradable parecido al de la pera, y tiene un sabor punzante.
• Masa molar. 88,148 g/mol.
• Densidad. 0,8104 g/mL a 20 °C. Es, por lo tanto, menos denso que el agua.
• Densidad de vapor. Es 3,04 veces más denso que el aire.
• Presión de vapor. 2,37 mm Hg a 25 °C.
• Punto de ebullición. 131,1 °C.
• Punto de fusión. -117,2 °C.
• Punto de ignición. 43 °C (copa cerrada).
• Temperatura de autoignición. 340 °C.
• Solubilidad. Es relativamente soluble en agua: 28 g/L. Esto se debe a que las moléculas altamente polares del agua no sienten especial afinidad por la cadena carbonada del alcohol isoamílico. Si se mezclaran, se observarían dos fases: una inferior, correspondiente al agua, y una superior, la del alcohol isoamílico. En contraste, es mucho más soluble en solventes menos polares, como acetona, dietil éter, cloroformo, etanol, o ácido acético glacial, e inclusive, en éter de petróleo.
• Viscosidad. 3,738 cP a 25 °C.
• Tensión superficial. 24,77 dinas/cm a 15 °C.
• Índice de refracción. 1,4075 a 20 °C.
• Capacidad calorífica. 2,382 kJ/g·K.

Usos del alcohol isoamílico

• Materia prima. A partir del alcohol isoamílico pueden sintetizarse otros ésteres, tiofeno, y fármacos tales como nitrito de amilo, Validol (mentil isovalerato), Bromisoval (bromovalerilurea), Corvalol (un tranquilizante de valeriana) y Barbamil (amobarbital).
• Fragancias. Además de utilizarse para la síntesis del acetato de amilo, el cual tiene un aroma de plátano, también de él se obtienen otras fragancias frutales como albaricoque, naranjas, ciruela, cereza y malta. Por lo tanto, es un alcohol necesario en la elaboración de numerosos productos comestibles o cosméticos.
• Antiespumante. Al reducir la tensión superficial promueve su uso en los sistemas microemulsionados. Prácticamente, evita la formación acelerada de burbujas, reduciéndolas de tamaño hasta romperlas. Asimismo, ayuda a definir mejor la interfaz entre las fases acuosa y orgánica durante las extracciones. Por ejemplo, se adiciona a la mezcla extractora fenol-cloroformo en una proporción 25:24:1. Esta técnica se destina para la extracción de ADN.
• Extracciones. El alcohol isoamílico también permite extraer las grasas o aceites de diferentes muestras, por ejemplo, de la leche. Asimismo, disuelve la cera de parafina, tintas, gomas, lacas y ésteres de celulosa. Siguiendo con las extracciones, con él se puede obtener el ácido fosfórico a partir de disoluciones de nitratos de minerales fosfáticos de hierro.

Riesgos del alcohol isoamílico

• Almacenaje y reactividad. Como todo líquido que desprende olores, puede representar un riesgo inminente de incendio si el lugar donde se almacena eleva demasiado su temperatura, más aún si ya hay una fuente de calor. En estas condiciones, actúa sencillamente como un combustible, alimentando las llamas y llegando incluso a explotar su contenedor. Al arder, libera vapores que pueden afectar la salud y provocar asfixia. Otras causas de que se incendie el alcohol isoamílico es mezclarlo o hacerlo reaccionar con sustancias como percloratos, peróxidos, bromo, flúor, hidruros metálicos, ácidos fuertes, aminas alifáticas, etc.
• Salud. Al contacto con la piel puede irritarla y resecarla. Los síntomas, sin embargo, son más graves si se inhala durante demasiado tiempo (tos, quemaduras en la nariz, garganta y pulmones), o si se ingiere (dolor de cabeza, náuseas, diarrea, vómitos, mareos y pérdida del conocimiento). Y finalmente, cuando hace contacto con los ojos, los irrita y puede incluso dañarlos irreversiblemente. Por suerte, su olor a “peras alcohólicas” permite detectarlo en caso de fuga o derrame. Además de esto, es un compuesto que debe manipularse con cuidado.

Referencias

1. Morrison, R. T. y Boyd, R, N. Química Orgánica. 5ta Edición. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. Química Orgánica. (Sexta edición). Mc Graw Hill.
3. Isoamyl alcohol. Recuperado de en.wikipedia.org.
4. Isoamyl alcohol. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
5. Isoamyl alcohol. Recuperado de nj.gov.

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¿Qué es la alizarina?

La alizarina es un conjunto de colorantes orgánicos que se obtienen de forma natural a partir de las raíces de una planta de nombre rubia, descubierta por el químico francés Pierre-Jean en 1826.

La primera tintura sintetizada fue el rojo de alizarina, pero también existe amarillo de alizarina, azul de alizarina y violeta de alizarina. De todos los mencionados, el rojo de alizarina es el que tiene mayores aplicaciones, y por ser el más utilizado normalmente nos referimos a él simplemente como alizarina.

El rojo de alizarina fue el primero en sintetizarse de forma artificial a partir del antraceno, gracias al descubrimiento de dos químicos alemanes, Carl Graebe y Carl Liebermann, en 1868. El nombre científico del rojo de alizarina es 1,2 dihidroxiantraquinona, y su fórmula química es C14H8O4.

El uso del pigmento de la raíz de rubia para teñir telas data de la época del faraón Tutankamón, como demuestran los hallazgos encontrados en su tumba. También se observó en las ruinas de Pompeya.

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El origen de la célula se remonta a más de 3.500 millones de años de antigüedad. La manera en que estas unidades funcionales se originaron ha despertado la curiosidad de los científicos desde hace varios siglos.

El origen de la vida puede verse como el origen de las células. En un ambiente primitivo, las condiciones ambientales eran muy diferentes a las que observamos hoy en día. La concentración de oxígeno era prácticamente nula, y en la atmosfera dominaba otra composición de gases.

Distintas experiencias en el laboratorio han comprobado que bajo las condiciones ambientales iniciales de la Tierra es posible la polimerización de varias biomoléculas características de los sistemas orgánicos, a saber: aminoácidos, azúcares, etc.

Una molécula con capacidad catalítica y de replicarse a sí misma (potencialmente, un ARN) pudo quedar encerrada en una membrana de fosfolípidos, formando las primeras células procariotas primitivas, que evolucionaron siguiendo los principios darwinianos.

Asimismo, el origen de la célula eucariota suele explicarse usando la teoría endosimbiótica. Esta idea sustenta que una bacteria grande engulló a una más pequeña y con el paso del tiempo originó los organelos que hoy en día conocemos (cloroplastos y mitocondrias).

La teoría celular

Célula es un término que proviene de la raíz latina cellula, que significa hueco. Estas son las unidades funcionales y estructurales de los seres vivos. El término fue usado por primera vez en el siglo XVII por el investigador Robert Hooke, cuando examinaba una lámina de corcho bajo la luz del microscopio y observó una especie de celdillas.

Con este descubrimiento, más científicos –destacando las contribuciones de Theodor Schwann y Matthias Schleiden– se interesaron por la estructura microscópica de la materia viva. Así nació uno de los pilares más importantes de la biología: la teoría celular.

La teoría sostiene que: (a) todos los seres orgánicos están compuestos de células; (b) las células son la unidad de la vida; (c) las reacciones químicas que sustentan la vida ocurren dentro de los límites de la célula y (d) toda la vida proviene de vida preexistente.

Este último postulado se resume en la famosa frase de Rudolf Virchow: omnis cellula e cellula: todas las células derivan de otras células ya existentes. Pero, ¿de dónde vino la primera célula?

A continuación describiremos las teorías principales que buscan explicar el origen de las primeras estructuras celulares.

Evolución de la célula procariota

El origen de la vida es un fenómeno estrechamente ligado al origen de las células. En la Tierra existen dos formas celulares de vida: las procariotas y las eucariotas.

Ambos linajes difieren básicamente en términos de su complejidad y estructura, siendo los eucariotas organismos más grandes y complejos. Esto no quiere decir que los procariotas sean simples. Un solo organismo procariota es una aglomeración organizada e intrincada de diversos complejos moleculares.

La evolución de ambas ramas de la vida es una de las preguntas más apasionantes en el mundo de la biología.

Cronológicamente, se calcula que la vida posee de 3.500 a 3.800 millones de años de antigüedad. Esta apareció aproximadamente 750 millones de años después de la formación de la Tierra.

Evolución de las primeras formas de vida: los experimentos de Miller

A comienzos de los años 20 se empezó a manejar la idea de que las macromoléculas orgánicas podían polimerizar de manera espontánea bajo las condiciones ambientales de una atmósfera primitiva, con bajas concentraciones de oxígeno y altas concentraciones de CO₂ y N₂, además de una serie de gases como H₂, H₂S, y el CO.

Se asume que la atmósfera primitiva hipotética proveyó de un ambiente reductor, que junto con una fuente de energía (como la luz del Sol o descargas eléctricas), estableció las condiciones propicias para la polimerización de las moléculas orgánicas.

Esta teoría fue confirmada de manera experimental en 1950 por el investigador Stanley Miller durante sus estudios de posgrado.

Necesidad de una molécula con propiedades de autorreplicación y catálisis: el mundo del ARN

Después de precisar las condiciones necesarias para la formación de las moléculas que encontramos en todos los seres vivos, es menester proponer una molécula primitiva con la capacidad de almacenar información y replicarse a sí misma (las células actuales almacenan la información genética bajo un lenguaje de cuatro nucleótidos en la molécula de ADN).

Hasta la fecha, el mejor candidato para esta molécula es el ARN. No fue hasta 1980 cuando los investigadores Sid Altman y Tom Cech descubrieron las capacidades catalíticas de este ácido nucleico, incluyendo la polimerización de los nucleótidos, paso crítico para la evolución de la vida y de las células.

Por esto, se cree que la vida empezó usando como material genético el ARN, y no el ADN como hacen la inmensa mayoría de las formas actuales.

Limitando las barreras de la vida: los fosfolípidos

Una vez obtenidas las macromoléculas y la molécula capaz de almacenar información y replicarse a sí misma, es necesaria la existencia de una membrana biológica que determine los límites entre lo vivo y el ambiente extracelular. Evolutivamente, este paso marcó el origen de las primeras células.

Se cree que la primera célula surgió de una molécula de ARN que fue encerrada por una membrana compuesta de fosfolípidos. Estos últimos son moléculas anfipáticas, lo que quiere decir que una porción es hidrofílica (soluble en agua) y la otra es hidrofóbica (no soluble en agua).

Cuando los fosfolípidos están disueltos en agua, tienen la capacidad de agregarse de manera espontánea y formar una bicapa lipídica. Las cabezas polares se agrupan mirando el ambiente acuoso y las colas hidrofóbicas en el interior, en contacto unas con otras.

Esta barrera es termodinámicamente estable y crea un compartimiento que permite separar la célula del ambiente extracelular.

Con el paso del tiempo, el ARN encerrado dentro de la membrana lipídica continuó su rumbo evolutivo siguiendo los mecanismos darwinianos, hasta presentar procesos complejos como la síntesis de proteínas.

Evolución del metabolismo

Una vez formadas estas células primitivas, empezó el desarrollo de las rutas metabólicas que hoy en día conocemos. El escenario más plausible para el origen de las primeras células es el océano, por lo que las primeras células eran capaces de obtener el alimento y la energía de manera directa del ambiente.

Cuando el alimento empezó a escasear, debieron aparecer ciertas variantes celulares con métodos alternativos de obtención de alimento y generar energía que les permitiesen continuar con su replicación.

La generación y el control del metabolismo de las células son indispensables para su continuidad. De hecho, las principales vías metabólicas son ampliamente conservadas entre los organismos actuales. Por ejemplo, tanto una bacteria como un mamífero realizan la glicólisis.

Se ha propuesto que la generación de energía evolucionó en tres etapas, empezando por la glicólisis, seguido de la fotosíntesis y finalizando con el metabolismo oxidativo.

Como el ambiente primitivo carecía de oxígeno, es plausible que las primeras reacciones metabólicas prescindieran de él.

Evolución de la célula eucariota

Las células fueron únicamente procariotas hasta hace alrededor de 1.500 millones de años. En esta etapa aparecieron las primeras células con un núcleo verdadero y organelas propiamente dichas. La teoría más resaltante en la literatura que explica la evolución de las organelas es la teoría endosimbiótica (endo quiere decir interno).

Los organismos no se encuentran aislados en su ambiente. Las comunidades biológicas presentan múltiples interacciones, tanto antagonistas como sinérgicas. Un término paraguas usado para distintas interacciones es simbiosis, antiguamente usado solamente para relaciones mutualistas entre dos especies.

Las interacciones entre los organismos tienen consecuencias evolutivas importantes, y el ejemplo más dramático de este hecho es la teoría endosimbiótica, que fue propuesta inicialmente por la investigadora estadounidense Lynn Margulis en los años 80.

Postulados de la teoría endosimbiótica

Según esta teoría, algunas organelas eucariotas –como cloroplastos y mitocondrias– fueron inicialmente organismos procariotas de vida libre. En cierto momento de la evolución, un procariota fue engullido por uno más grande, pero no fue digerido. En cambio, sobrevivió y quedó atrapado dentro del organismo más grande.

Además de la supervivencia, los tiempos de reproducción entre ambos organismos se sincronizaron, logrando pasar a generaciones sucesivas.

En el caso de los cloroplastos, el organismo engullido exhibía toda la maquinaria enzimática para realizar la fotosíntesis, supliendo al organismo más grande con los productos de estas reacciones químicas: los monosacáridos. Para el caso de las mitocondrias, se postula que el procariota engullido pudo ser una α-proteobacteria ancestral.

Sin embargo, la identidad potencial del organismo huésped de mayor tamaño es una pregunta abierta en la literatura.

El organismo procariota engullido perdió su pared celular, y a lo largo de la evolución sufrió las modificaciones pertinentes que originaron las organelas modernas. Esto es, en esencia, la teoría endosimbiótica.

Evidencias de la teoría endosimbiótica

Actualmente existen múltiples hechos que respaldan la teoría de endosimbiosis, a saber: (a) el tamaño de las mitocondrias y cloroplastos actuales es similar al de los procariotas; (b) dichos organelos tienen su propio material genético y sintetizan parte de las proteínas, aunque no son completamente independientes del núcleo y (c) existen múltiples similitudes bioquímicas entre ambos entes biológicos.

Ventajas de ser eucariota

La evolución de las células eucariotas se asocia a una serie de ventajas sobre las procariotas. El incremento de tamaño, complejidad y compartimentalización permitió la evolución rápida de novedosas funciones bioquímicas.

Posterior a la llegada de la célula eucariota, vino la pluricelularidad. Si una célula “desea” gozar de los beneficios de un mayor tamaño, no puede simplemente crecer, ya que la superficie celular debe ser grande con relación a su volumen.

Así, los organismos con más de una célula lograron incrementar su tamaño y repartir las tareas entre las múltiples células que los componen.

Referencias

1. Altstein, A. D. The progene hypothesis: the nucleoprotein world and how life began. Biology Direct.
2. Anderson, P. W. Suggested model for prebiotic evolution: The use of chaos. Proceedings of the National Academy of Sciences.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. Biología: La vida en la Tierra. Pearson educación.
4. Campbell, A. N., & Reece, J. B. Biología. Editorial Médica Panamericana.
5. Gama, M. Biología 1: un Enfoque Constructivista. Pearson Educación.

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