Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (8 page)

Éstas son las estructuras más simples que presentan adecuadamente las asimetrías de la molécula pero, en realidad, las moléculas tienen la forma de anillos no planarios, y cada uno de los anillos está compuesto por cinco (a veces cuatro) átomos de carbono y un átomo de oxígeno.

Una vez los químicos conocieron la estructura de los azúcares simples, fue relativamente fácil desarrollar la forma en que se unían para dar lugar a compuestos más complejos. Por ejemplo, una molécula de glucosa y una de fructosa pueden condensarse para formar el disacárido sacarosa: el azúcar que utilizamos en la mesa. La glucosa y la galactosa se combinan para formar la lactosa, que existe en la Naturaleza sólo en la leche. No existe razón alguna por la que tales condensaciones no pueden continuar indefinidamente, y esto es lo que ocurre en el almidón y la celulosa. Cada uno de ellos consiste en largas cadenas de unidades de glucosa condensadas según un determinado modelo.

Los detalles de este modelo son importantes, debido a que, aún cuando ambos compuestos son formados por la misma unidad, difieren profundamente entre sí. El almidón, en una u otra forma, constituye la mayor parte de la alimentación de la Humanidad, mientras que la celulosa no es asimilable en absoluto. Tras laboriosas investigaciones, los químicos llegaron a la conclusión de que la diferencia en el tipo de condensación es del modo siguiente: supongamos una molécula de glucosa vista de lado (en cuyo caso se la simbolizará por «u») o vista de arriba abajo (simbolizándola en tal caso por «n»), La molécula de almidón puede entonces considerarse que está formada por una serie de moléculas de glucosa dispuestas de la siguiente manera «…uuuuuuuuu…», mientras que la celulosa consiste en «…ununununun…». Los jugos digestivos del organismo poseen la capacidad de hidrolizar el enlace «uu» del almidón, liberando a partir de él la glucosa, que luego puede ser absorbida para obtener energía. Aquellos mismos jugos no pueden en cambio romper el enlace «un» de la celulosa, y toda la celulosa que ingerimos pasa a través del tubo digestivo y es seguidamente excretada.

Existen ciertos microorganismos que pueden digerir la celulosa, pero no lo puede conseguir ninguno de los animales superiores. Algunos de estos microorganismos viven en el tubo digestivo de los rumiantes y termitas, por ejemplo. Gracias a estos pequeños ayudantes, las vacas pueden vivir de la hierba y las termitas de la madera. Los microorganismos forman, a partir de la celulosa, glucosa en cantidad, y luego utilizan la que precisan, mientras que el huésped usa el sobrante. Los microorganismos proporcionan el alimento elaborado, en tanto que el huésped aporta las materias primas y el lugar donde vivir. Esta forma de cooperación entre dos formas de vida para un beneficio mutuo se denomina «simbiosis», a partir de las palabras griegas que significan «vivir juntos».

Cristóbal Colón descubrió que los nativos sudamericanos jugaban con pelotas formadas por un jugo vegetal endurecido. Colón, y otros exploradores que visitaron la América del Sur en los dos siglos siguientes, quedaron fascinados por estas pelotas que botaban (obtenidas del jugo de ciertos árboles, en el Brasil). Muestras de ellas fueron llevadas a Europa posteriormente, como una curiosidad. Hacia el año 1770, Joseph Priestley (poco antes de descubrir el oxígeno) halló que una masa de este material podía borrar las marcas de lápiz. Los ingleses la llaman «goma de la India» debido a que procede de las «Indias» (el nombre original del nuevo mundo descubierto por Colón).

Con el tiempo, la gente halló otros usos para la goma. En 1823, un escocés llamado Charles Macintosh patentó vestiduras constituidas por una capa de goma entre dos capas de tejido, consiguiendo una impermeabilización, y por ello tales prendas aún son denominadas algunas veces «mackintoshes» (con una «k» añadida).

Sin embargo, la dificultad que planteaba la goma al ser utilizada de esta manera era que con el calor se volvía pegajosa y gomosa, mientras que cuando el tiempo era frío se volvía correosa y dura. Algunos individuos intentaron descubrir formas de tratar la goma, al objeto de suprimir estas características indeseables. Entre ellos se encontraba un norteamericano llamado Charles Goodyear, quien apenas tenía conocimientos químicos, pero que trabajó siguiendo el método del ensayo y el error. Un día, en 1839, accidentalmente vertió una mezcla de goma y azufre sobre una estufa caliente. Intentó rascarla rápidamente y descubrió sorprendido que la mezcla de goma-azufre calentada aparecía seca, incluso cuando aún estaba caliente. La calentó y enfrió repetidamente, y halló al fin que tenía una muestra de goma que no se volvía pegajosa con el calor, o similar al cuero con el frío, sino que seguía siendo suave y elástica.

Este proceso de añadir azufre a la goma se denomina ahora «vulcanización» (de Vulcano, el dios romano del fuego). El descubrimiento de Goodyear estableció las bases de la industria del caucho. Se afirma que el propio Goodyear nunca recibió recompensa alguna, a pesar de que este descubrimiento representó muchos millones de dólares. Malgastó su vida luchando por derechos de patente, y murió en una profunda miseria.

El conocimiento de la estructura molecular de la goma se remonta al año 1879, cuando un químico francés, Gustave Bouchardat, calentó goma en ausencia de aire y obtuvo un líquido llamado «isopreno». Su molécula está compuesta de cinco átomos de carbono y ocho átomos de hidrógeno, dispuestos de la siguiente manera:

Un segundo tipo de jugo vegetal (el «látex»), obtenido a partir de ciertos árboles, en el sudeste asiático, produce una sustancia llamada «gutapercha». Carece de la elasticidad de la goma, pero cuando se calienta en ausencia de aire también produce isopreno.

Tanto la goma como la gutapercha están constituidas por miles de unidades de isopreno. Como en el caso del almidón y la celulosa, la diferencia entre ellas radica en el tipo de unión. En la goma, las unidades de isopreno se hallan unidas en la forma «…uuuuu…» y de tal modo que forman espirales, que pueden ser distendidas cuando se fracciona sobre ellas, permitiendo así su elongación. En la gutapercha, las unidades se unen en la forma «…ununu…», y forman cadenas que son más rectas y, por tanto, menos elongables (fig. 11.3)

Fig. 11.3. La molécula de gutapercha, una porción de la cual se muestra aquí, está formada por miles de unidades de isopreno. Los primeros cinco átomos de carbono en la izquierda (esferas negras) y los ocho átomos de hidrógeno unidos a ellos forman una unidad de isopreno.

Una simple molécula de azúcar, tal como la glucosa, es un «monosacárido» (de la palabra griega para «un azúcar»); la sacarosa y la lactosa son «disacáridos» («dos azúcares»); y el almidón y la celulosa son «polisacáridos» («muchos azúcares»). Debido a que dos moléculas de isopreno se unen para formar un tipo bien conocido de compuesto llamado «terpeno» (obtenido a partir de la esencia de trementina), la goma y la gutapercha se denominan «politerpenos».

El término general para tales compuestos fue inventado por Berzelius (un gran inventor de nombres y símbolos) ya en el año 1830. Denominó a la unidad básica un «monómero» («una parte») y a la molécula grande un «polímero» («muchas partes»). Los polímeros que consisten de muchas unidades (digamos, más de un centenar) se denominan ahora «polímeros altos» El almidón, la celulosa, la goma y la gutapercha son todos ellos ejemplos de polímeros altos.

Los polímeros no son compuestos bien definidos, sino mezclas complejas de moléculas de diferente tamaño. El peso molecular medio puede ser determinado por diversos métodos. Uno de ellos es la determinación de la «viscosidad», (la facilidad o dificultad con que un líquido fluye bajo una presión dada). Cuanto más grande y más alargada es la molécula, tanto más contribuye a la «fricción interna» de un líquido y tanto más se asemejará a la melaza cuando se vierta y menos al agua. El químico alemán Hermann Staudinger elaboró este método en 1930 como parte de su trabajo general sobre polímeros, y, en 1953, fue galardonado con el premio Nobel de Química por su contribución al conocimiento de estas moléculas gigantes.

En 1913, dos químicos japoneses descubrieron que las fibras naturales, tales como las de la celulosa, difractaban los rayos X del mismo modo como lo hace un cristal. Las fibras no son cristales en el sentido ordinario de la palabra, pero son de carácter «microcristalino» Es decir, las cadenas largas de unidades que constituyen su molécula tienden a correr en haces paralelos en distancias más largas o más cortas, aquí y allá. A lo largo de aquellos haces paralelos, los átomos se hallan dispuestos en un orden repetitivo, del mismo modo como lo están en los cristales, y los rayos X que inciden sobre aquellas secciones de la fibra son difractados.

Debido a esto, los polímeros han sido divididos en dos grandes clases: cristalinos y amorfos.

En un polímero cristalino, como la celulosa, la fuerza de las cadenas individuales aumenta por el hecho de que las vecinas paralelas se hallan unidas entre sí por enlaces químicos. La fibra resultante tiene una considerable resistencia a la tracción. El almidón también es cristalino, pero considerablemente menos de lo que lo es la celulosa. Por ello, carece de la resistencia de la celulosa o de su capacidad para formar fibras.

La goma es un polímero amorfo. Ya que las cadenas individuales no se alinean, no se producen uniones transversales. Si se calienta; las diversas cadenas pueden quedar independientes y deslizarse libremente sobre y en torno a otras. En consecuencia, la goma, o un polímero similar a la goma, se ablandará y se volverá pegajosa y eventualmente se fundirá con el calor. (La distensión de la goma hace más rectilíneas las cadenas y le confiere un cierto carácter microcristalino. Por ello, la goma distendida tiene una considerable resistencia a la tracción.) La celulosa, y el almidón, en los cuales las moléculas individuales se hallan unidas entre sí aquí y allá, no pueden mostrar la misma independencia de vibración, de tal modo que no se ablandan con el calor. Permanecen rígidas hasta que la temperatura es lo suficientemente alta como para inducir vibraciones que rompen la molécula de tal modo que se producen una carbonización y la emisión de humo.

A temperaturas por debajo del estado gomoso, pegajoso, los polímeros amorfos a menudo son blandos y elásticos. Sin embargo, a temperaturas aún más bajas se endurecen y adquieren el carácter de cuero o incluso el de vidrio. La goma en bruto está seca y es elástica en un campo de temperaturas más bien estrecho. La adición de azufre, en la proporción del 5 al 8 %, aporta enlaces de azufre flexibles que se extienden de una cadena a otra, lo que reduce la independencia de las cadenas y así impide que adquiera un carácter gomoso a una temperatura moderada. También aumenta la libertad de juego de las cadenas a temperaturas moderadamente bajas; por tanto, la goma no se endurecerá. La adición de cantidades mayores de azufre, hasta del 30 al 50 %, unirá las cadenas tan íntimamente que la goma se endurecerá. Se la conoce entonces como «goma dura» o «ebonita».

(Incluso el caucho vulcanizado se volverá vítreo, si se reduce la temperatura lo suficiente. Una pelota ordinaria de goma, introducida en aire líquido por unos instantes, se romperá si se lanza contra una pared. Ésta es una de las demostraciones favoritas en los cursos de introducción a la química.)

Diversos polímeros amorfos muestran diferentes propiedades físicas a una temperatura dada. A la temperatura ambiente, la goma natural es elástica, diversas resinas son vítreas y sólidas, y el chicle (del níspero sudamericano) es blando y gomoso (es el principal ingrediente de la goma de mascar).

Aparte nuestros alimentos, que están principalmente constituidos por polímeros altos (carne, almidón, etc.), probablemente el polímero del que más depende el ser humano es la celulosa. Es el principal componente de la madera, material indispensable como combustible y muy útil en la construcción. La celulosa de la madera también se utiliza para fabricar papel. En las formas fibrosas puras del algodón y del lino, la celulosa ha sido el material textil más importante para el hombre, y, naturalmente, los químicos orgánicos de la mitad del siglo XIX recurrieron a la celulosa como materia prima para la elaboración de otras moléculas gigantes.

Una forma de modificar la celulosa es unir a ella el «grupo nitrato» de átomos (un átomo de nitrógeno y tres átomos de oxígeno) a las combinaciones-hidrógeno («grupos hidróxilos») en las unidades de glucosa. Cuando se hizo esto, tratando la celulosa con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico, se creó un explosivo de poder sin paralelo hasta entonces. El explosivo fue descubierto por accidente en 1846 por el químico sueco de origen alemán llamado Christian Friedrich Schönbein (quien, en 1839, había descubierto el ozono). Había derramado una mezcla de ácido en la cocina (donde le estaba prohibido experimentar, haciéndolo por tanto en ausencia de su mujer) y, según cuenta la historia, cogió el delantal de algodón de su esposa, al objeto de limpiar el líquido derramado. Cuando colgó el delantal sobre el fuego para secarlo, se encendió sin dejar rastro de él.