La miel, fuente de energía y química

Llevar una dieta equilibrada, conocer los alimentos que comemos, saber cuando la publicidad nos engaña y, en definitiva, comer sin miedo y con conocimiento, son facetas que todo buen experto en nutrición debería entender. Nunca es tarde para aprender sobre nutrición ya que es un tema al que vamos a tener que recurrir durante toda nuestra vida. Pero vamos al asunto del post que no es otro que hablar sobre uno de los alimentos que no faltan en mi desayuno de cada día: la miel.

La miel es una disolución acuosa viscosa con un alto contenido en azúcares. Se compone aproximadamente de 40% de fructosa, 30% de glucosa, 20% de agua y pequeñas cantidades de otros carbohidratos como sacarosa, maltosa, y cantidades traza de vitaminas, aminoácidos, proteínas y otros nutrientes como diferentes flavonoides. Este contenido aproximado puede variar dependiendo del tipo de plantas que hayan visitado las abejas productoras. Una propiedad interesante de la miel es que debido a su bajo contenido en agua, posee un poder hidrofílico muy alto, por lo que será capaz de absorber agua fácilmente. Por eso, es muy difícil que en la miel se desarrollen bacterias ya que es capaz de matarlas tras absorber el agua que poseen, y de ahí viene el gran poder conservante que tiene: se puede almacenar durante años sin ponerse mala. Obviamente, las abejas no fabrican miel para que el ser humano la consuma, sino que su principal objetivo es utilizarla como su propio alimento.

Aunque la producción de miel por parte de las abejas ha sido extensamente estudiada todavía no se conocen todos los detalles de esta increíble y laboriosa producción. Si comenzamos por el principio, la materia prima esencial para la producción de miel es el néctar de las flores. Este néctar es otra disolución acuosa que contiene azúcares como sacarosa, glucosa y fructosa, aminoácidos como alanina, arginina, serina, prolina, glicina, isoleucina, treonina y valina, minerales y varias sustancias químicas más. Es producido por las flores para atraer a, principalmente, insectos y que realicen la función de polinización. El néctar contiene alrededor de un 80% de agua, por lo que el mayor trabajo que tienen las abejas es la reducción de este agua hasta llegar al 20% que la miel presenta.

Aunque el néctar es el principal componente en la producción de la miel, también participan otras sustancias como la savia de las plantas o la propia saliva de las abejas. El proceso de fabricación de la miel es bastante complejo y en el que colaboran una gran cantidad de abejas. Desde el momento que una abeja obtiene el néctar de un flor ya se está empezando a realizar el proceso, ya que la primera abeja lo traga y se va mezclando con enzimas dentro de su organismo. Cuando llena el buche, la abeja vuelve a la colmena, y en ese momento, reparte todo ese néctar a las abejas obreras que se encuentran allí para volver a salir en busca de más cantidad de néctar. Para rebajar la cantidad de agua, las abejas van pasándoselo unas a otras de manera continua, evaporando el agua y enriqueciéndolo con ciertas enzimas que van generando. Este proceso se repite durante cientos o miles de veces y podría llegar a durar días, dependiendo de la humedad y temperatura ambiente, hasta que el porcentaje de agua está en el 20%. En ese momento, las abejas depositan el néctar concentrado en el panal, recubriendo las celdillas con una capa de cera para su almacenamiento. Ya tenemos lista la miel para su recolección.

He indicado que ciertas enzimas juegan un papel importante en la transformación del néctar hasta convertirse en miel. Las funciones de estas enzimas son las de deshidratar, transformar la composición química y modificar el pH. El tipo de enzimas más importante son las invertasas, como la sacarasa. Esta enzima es capaz de convertir la sacarosa en sus dos carbohidratos más simples: glucosa y fructosa, haciendo que la miel esté muy concentrada en glucosa y fructosa, con una cantidad significativamente menor de sacarosa.

¿Pero la miel no es producida a partir del polen de las flores?

Pues como se ha explicado, la miel es producida a partir del néctar de las flores no del polen. El polen es un sólido particulado, parte del aparato reproductor, que es vital para el proceso de reproducción de algunas plantas. Las abejas y otros insectos juegan un papel muy importante en el proceso de polinización, ya que transportan estas partículas adheridas al cuerpo desde una planta a otra donde puede ocurrir la germinación para producir las semillas. Por otra parte, puede ser también utilizado como alimento (especialmente para las larvas) ya que las abejas son capaces de digerirlo tras un proceso de fermentación para formar pan de abeja, pero el polen no juega un papel en la producción de miel.

Hay que ser conscientes de que todos los alimentos que consumimos presentan una gran cantidad de sustancias químicas y su elaboración ya sea de forma natural o sintética ha sido posible gracias a una gran cantidad de reacciones químicas.

Referencias

• S. W. Nicolson, Bee food: the chemistry and nutritional value of nectar, pollen and mixtures of the two, African Zoology, 46(2), 2011.
• RE. Huber, RD. Mathison, Physical, chemical, and enzymatic studies on the major sucrase of honey bees (Apis mellifera), Can J Biochem, 54(2), 1976.

Este post participa en la XXXI Edición del Carnaval de la Química que se celebra en ZTFNews.

 

La química de esa cebolla que nos hace llorar

Quizás la química más apasionante sea la que podemos observar día a día mientras hacemos las tareas cotidianas, me parece muy interesante saber qué ocurre en el núcleo de una estrella, pero creo que la gente podría entender mejor y tener un mayor interés por la ciencia conociendo cómo funcionan las cosas que pueden ver todos los días. Por eso, comienzo una nueva serie en el blog, que se va a dedicar a explicar este tipo de asuntos, que se llamará «Química Cotidiana». Empezando por la cebolla, ese alimento que no deja indiferente: o te gusta o la odias.

Mientras vamos cortando la cebolla como cual Arguiñano, no estamos más que rompiendo las células eucariotas de las que se compone este vegetal tan singular. Principalmente se está liberando agua, pero también multitud de compuestos químicos, como por ejemplo aminoácidos sulfóxidos o algunas enzimas, como la alinasa, y la sintasa del factor lacrimógeno. Aunque, por el nombre podría parecer que este último compuesto es el responsable de nuestras tristes lágrimas cortando cebolla, no es el caso, y se debe a varias reacciones químicas que se producen a partir de estas sustancias:

• Formación de ácido 1-propenilsulfénico mediante la reacción química de trans-(+)-S-(1-propenil)-L-Cisteína sulfóxido con la enzima alinasa.

• Reacción del ácido 1-propenilsulfénico con la sintasa para generar syn-propanotial-S-óxido

Este compuesto generado, tras las reacciones enzimáticas, es un compuesto volátil que llega rápidamente hasta nuestros ojos, allí encuentra una zona acuosa, por lo que parte de este compuesto organosulfurado se solubilizará en esa disolución acuosa que recubre nuestros ojos. En este lugar se producirá la siguiente reacción química:

• Reacción del syn-propanotial-S-óxido con el agua de los ojos para formar una pequeña parte de ácido sulfúrico que será el responsable de la irritación que notamos en este momento.

A partir de este momento, entrarían en funcionamiento los mecanismos de defensa que nuestro evolucionado organismo tiene, y el cerebro emitiría una señal a los conductos lacrimales para producir una mayor cantidad de agua (lagrimas) que diluyan ese ácido sulfúrico y consigan eliminarlo de nuestros ojos.

Así que el acto involuntario de llorar cuando estamos cortando cebolla es simplemente un mecanismo de defensa para eliminar la irritación de los ojos. Aunque ahora también hay cebollas que no nos hacen llorar.

Referencias

• Ask a Science teacher. Larry Schekel. 2013.
• S. Imai, N. Tsuge, M. Tomotake, Y. Nagatome, H. Sawada, T. Nagata, H. Kumagai, Plant biochemistry: An onion enzyme that makes the eyes water, Nature, 419, 2002, http://dx.doi.org/10.1038/419685a
  

Este post participa en la XXXI Edición del Carnaval de la Química que se celebra en ZTFNews.

 

PS. Vuelvo a escribir en este blog tras un año sabático 😉

Aplicaciones del grafeno: sensores químicos

En 2004, K. Novoselov y A. Geim aislaron por primera vez grafeno tras hacer un curioso experimento. Aplicaron un trozo de cinta adhesiva a una muestra de grafito y estudiaron el material que quedaba pegado sobre la cinta. Descubrieron que había algunas monocapas de grafito sobre la cinta, un nuevo material que no había sido aislado anteriormente, el grafeno. A veces, experimentos rudimentarios hacen avanzar mucho a la ciencia.

El grafeno es una especie de carbono, como el grafito o el diamante, cuya estructura consiste en una lámina de átomos de carbono que están formando una red cristalina con forma de panal. Esta estructura presenta un grosor de un átomo de carbono. Desde su descubrimiento, este material ha recibido un especial interés debido a sus excepcionales propiedades:

• Características electrónicas únicas: gran conductor de electricidad.
• Alta conductividad térmica.
• Excelentes propiedades mecánicas; más ligero, fuerte, duro y flexible que el acero.
• Alta biocompatibilidad.

Por estas y otras propiedades, las aplicaciones del grafeno pueden ser muy variadas, por ejemplo como material en circuitos electrónicos integrados, células solares, y también en sensores químicos.

Hay diferentes especies de grafeno, como pueden ser el grafeno puro, el óxido de grafeno, o el óxido de grafeno reducido, los dos últimos poseen algunos grupos funcionales que tienen oxígeno en la estructura. Estos grupos funcionales les hace tener más reactividad pero sus propiedades son muy parecidas al grafeno puro.

Un sensor químico se puede definir como un dispositivo que transforma información química en una señal analítica útil. Consta, principalmente, de dos partes: un receptor, que proporciona el reconocimiento de la sustancia a analizar, y un transductor, que convierte la señal química obtenida de la sustancia en una señal medible por un instrumento. Si el elemento de reconocimiento es un reactivo biológico, se trata de un biosensor.

Existen muchísimos ejemplos de sensores y biosensores químicos donde se utiliza grafeno, en alguna de sus formas, para el análisis de diferentes sustancias químicas de interés, dos de estos ejemplos son:

• Detección de células cancerígenas mediante un aptasensor, sensor que utiliza hebras de ADN como elemento de reconocimiento. Estas hebras de ADN se utilizan para capturar las células cancerígenas a la superficie del sensor, y de esa manera solamente se detecta este tipo de células. La superficie del sensor está hecha de óxido de grafeno reducido, y las medidas se realizan mediante impedancia electroquímica.

• Detección de bacterias o virus mediante un sensor óptico con óxido de grafeno. Los quantum dots tienen propiedades fluorescentes, pero al interaccionar con el óxido de grafeno, su fluorescencia disminuye. Por tanto, si el ensayo es positivo y hay reacción con la sustancia a detectar, los quantum dots no se unen al óxido de grafeno y la fluorescencia será alta. Y al contrario el ensayo es negativo, se unirán y la fluorescencia será baja. De esta manera se puede cuantificar bacterias o virus en una muestra a partir de la detección de su ADN con este sensor.

Los sensores químicos desarrollados con grafeno presentan ciertas ventajas gracias al uso de este material como:

• alta adsorción de sustancias por lo que se produce una preconcentración y se mejora la sensibilidad
• bajo ruido eléctrico en los sensores electroquímicos, lo que mejora la relación señal/ruido
• respuesta sensora alta
• poder catalítico elevado, lo que hace mejorar la selectividad en sensores electroquímicos

Por tanto, el uso de grafeno en sensores y biosensores químicos es bastante elevado por estas ventajas, aunque a veces no sea el material que mejor funcione, como en uno de mis trabajos.

Seguramente el grafeno y sus derivados se usarán en muchas aplicaciones del día a día en el futuro, y todo gracias a un experimento que parecía no tener importancia.

Kochmann, S., Hirsch, T., & Wolfbeis, O. (2012). Graphenes in chemical sensors and biosensors TrAC Trends in Analytical Chemistry, 39, 87-113 DOI: 10.1016/j.trac.2012.06.004

Este post participa en la XX Edición del Carnaval de la Química que durante este mes se aloja en el blog La Ciencia de Amara de bioamara.

Quantum dots, quizás el año que viene

Los quantum dots (puntos cuánticos en español) son nanopartículas de materiales semiconductores. Típicamente, pueden contener desde 100 a 100.000 átomos, con un diámetro total de partícula entre 2 a 10 nm, aunque existen con mayores dimensiones.

Estas nanopartículas fueron descubiertas en los años 80 por Alexei Ekimov y Louis Brus las obtuvo en disolución coloidal. Desde aquellos años, las referencias científicas de trabajos utilizando quantum dots se han visto incrementadas exponencialmente, con más de 4000 artículos al año durante la última década, y más de 6000 anualmente en los últimos cinco años.

Trabajos publicados sobre quantum dots

Como otros nanomateriales, la mayor parte de sus átomos están en su superficie, por lo que la relación superficie-volumen de los quantum dots es muy elevada, algo que, junto al confinamiento cuántico, influye en que sus propiedades sean muy diferentes a las de los materiales macroscópicos.

El confinamiento cuántico ocurre cuando los electrones están restringidos a moverse en una región muy pequeña, como es el caso de los quantum dots menores de 10 nm. Este efecto hace que las propiedades electrónicas y ópticas de los quantum dots sean determinadas por su tamaño.

Un semiconductor posee una banda energética llena de electrones (banda de valencia) y una banda energética vacía (banda de conducción) separadas por una diferencia de energía (bandgap). Esta diferencia de energía es mayor que para un material conductor y menor que para un material aislante. Un proceso de luminiscencia consiste, básicamente, en la excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción y el regreso de ese electrón a la banda de valencia con la consiguiente emisión de un fotón con energía igual al bandgap. Como en los quantum dots el bandgap es variable con el tamaño del quantum dot, el color del fotón emitido será función de ese tamaño. La excitación de un electrón en los quantum dots se puede producir por absorción de luz de varias energías (espectro de absorción ancho).

Emisión de luz tras excitación electrónica en un quantum dot

En resumen, los quantum dots absorben luz de un continuo de energías, pero emiten luz de energías discretas (un solo color) que depende de su tamaño. Por otra parte, la intensidad fluorescente es mayor que para los fluoróforos convencionales.

Fluorescencia de quantum dots de diferentes tamaños

Los principales materiales semiconductores de los que están hechos los quantum dots son CdSe, CdS, CdTe, InP, ZnS y PbS, ya que éstos poseen unas propiedades electrónicas adecuadas para obtener quantum dots fluorescentes, pero cada uno de estos materiales tienen unas propiedades diferentes como estructura, toxicidad (por liberación de metales), comportamiento óptico o capacidad para unir grupos funcionales a su superficie.

Los quantum dots pueden estar formados por un solo semiconductor o por una mezcla de ellos en un sistema core-shell. Estos últimos se componen de un núcleo  de semiconductor (core) al que se le hace crecer otro semiconductor alrededor formando una capa externa (shell). Esta capa exterior protege al núcleo contra la oxidación y los defectos en su estructura, aumentando la estabilidad de los quantum dots e incluso incrementando la luminiscencia de estas nanopartículas. Dentro de estos quantum dots core-shell, destacan los hechos de CdSe-ZnS, que han sido uno de los más estudiados. Se componen de un núcleo de CdSe y de una capa externa de ZnS.

Existen diversas maneras de sintetizar los quantum dots, aunque lo más común es su síntesis como nanopartículas coloidales en una disolución. Consiste, básicamente, en una reacción química a alta temperatura entre precursores de los semiconductores en un disolvente orgánico. Los cristales de quantum dots se forman mediante un proceso de nucleación y crecimiento. A posteriori se realiza un paso de precipitación selectiva para obtener quantum dots del mismo tamaño. Las nanopartículas que se obtienen son solubles en medio orgánico, pero la mayoría de las aplicaciones necesitan que sean solubles en medio acuoso, por lo que, normalmente, la superficie de los quantum dots es modificada con algún polímero que le proporciona solubilidad en agua y capacidad para poder unirse con biomoléculas de interés.

Quantum dot core-shell (CdSe/ZnS) con polímero entrecruzado

Debido a su comportamiento óptico, absorción y emisión, los quantum dots tienen y tendrán muchas aplicaciones, como en alumbrado, energía fotovoltaica y especialmente, imagen biomédica.

Una de estas aplicaciones son los quantum dots LEDs (QLEDs), ya que los quantum dots también poseen propiedades electroluminiscentes, pueden emitir luz tras aplicarles un voltaje eléctrico. Una de sus ventajas es que pueden utilizarse en sustratos flexibles, algo que no es posible con los materiales convencionales. Podrían emplearse para alumbrado eficiente o pantallas de dispositivos electrónicos ya que consumen poca energía.

Su alta capacidad de absorción de luz puede usarse para mejorar la eficiencia de placas fotovoltaicas y reducir su coste. Quizás los quantum dots jueguen un importante papel en el futuro de las energías renovables.

Otra de sus próximas aplicaciones podría ser su uso en computación cuántica.

Pero sin duda alguna, la aplicación con mayor potencial que presentan los quantum dots es en imagen biomédica. Su empleo para el estudio de procesos biológicos en organismos, incluso in-vivo, permite obtener una información clave de cómo funcionan muchas enfermedades y facilitar la obtención de tratamientos adecuados para ellas. Su pequeño tamaño posibilita su introducción en células, e incluso el seguimiento de moléculas individuales.

Comparados con los colorantes orgánicos utilizados mayoritariamente en la actualidad, la luminiscencia de los quantum dots es mucho más intensa y su estabilidad es mayor, por tanto se pueden utilizar para el estudio de procesos durante un tiempo más largo.

Un ejemplo de los primeros y más citados, fue el trabajo realizado en 2004 por Nie et al. en el que utilizaron quantum dots multicolor contra tumores de ratones. Los quantum dots modificados con anticuerpos se unieron a las células cancerosas permitiendo su visualización óptica. También realizaron otros estudios como el seguimiento de células marcadas con quantum dots en el organismo de los ratones.

Células marcadas con quantum dots en un ratón

Las posibilidades son enormes. Desde el estudio de enfermedades al seguimiento de la distribución de fármacos en el organismo en tiempo real. Estas aplicaciones unidas a la capacidad de visualizar simultáneamente diferentes quantum dots por su diferente color hacen que estas nanopartículas sean muy prometedoras.

Dentro de la Química Analítica, mi especialidad favorita, los quantum dots se utilizan como marca fluorescente en bioensayos. Estos quantum dots están conjugados con biomoléculas como anticuerpos, oligonucleótidos, enzimas o aptámeros de manera que se pueden detectar biomarcadores ópticamente. El uso de diferentes quantum dots permite detectar diferentes biomarcadores simultáneamente por la diferencia de color en su emisión de luz. También es posible su empleo como marca electroquímica de biosensores, el cual es mi trabajo en la actualidad, pero de esto escribiré en un futuro (espero que próximo).

Una de las cuestiones a resolver para que puedan tener un mayor uso clínico es la toxicidad de algunas de estas partículas para estudios in vivo. Algo que estoy seguro se solucionará en poco tiempo.

Su descubrimiento y desarrollo son merecedores de un Premio Nobel de Química y aunque estaban en las quinielas para el año 2012 tendrán que esperar.

Referencias

• Fundamentals and Applications of Nanomaterials. Zhen Guo, Li Tan. 2009. ISBN-13: 978-1-59693-262-3
• Nanomaterials for Biosensors. Edited by Challa S. S. R. Kumar. 2007. WILEY-VCH ISBN: 978-3-527-31388-4
• Gao, X. H., Cui, Y. Y., Levenson,
R. M., Chung, L. W. K., Nie, S. M., In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 969–976.
• Esteve-Turrillas, F. A., Abad-Fuentes, A., Applications of quantum dots as probes in immunosensing of small-sized analytes, Biosens. & Bioelectron., 2012, http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2012.09.025

Este post participa en la XVIII Edición del Carnaval de la Química que se celebra en XdCiencia.

El perro, el mejor amigo del hombre para detectar cáncer

Los perros son animales que llevan domesticados desde aproximadamente 14000 años, y a parte de hacernos compañía, nos ayudan en muchísimas situaciones de la vida diaria. Tienen una capacidad tremenda para aprender y cooperar con los humanos. Todos hemos visto, al menos en la TV, algún perro que le lleva el periódico o las zapatillas a su dueño.

En la mayoría de sus actividades su excelente olfato juega un papel crucial, lo utilizan para identificar cantidad de cosas, o incluso para comunicarse. Su aparato olfatorio es realmente especial. El área del epitelio olfatorio en la cavidad nasal de los perros es mucho mayor que en los humanos. Los pastores alemanes tienen más de 200 millones de células olfatorias en un área de 170 cm², mientras que en los humanos sólo hay 5 millones de células en 5 cm² de epitelio olfatorio. El aparato olfatorio de los perros asegura que suficiente moléculas llegan a los receptores de la nariz, y es capaz de detectar medio millón de compuestos olorosos en concentraciones traza que son imperceptibles a la nariz humana.

Los perros entrenados se utilizan para diferentes fines como rastreo, detección de sustancias (explosivos, drogas), identificación de personas por su olor, o búsqueda de víctimas de desastres, entre otras. Es evidente su eficacia en todas estas actividades y se buscan nuevos fines donde puedan ser útiles. Uno de estos novedosos fines es el empleo del extraordinario olfato que poseen para la detección de cáncer en personas, a través del olor que despiden esas personas, al menos hasta que el desarrollo de los métodos descritos en el artículo anterior, en Curiosidades de un químico soñador, sean mejorados.

Todo empezó con el informe sobre dos casos donde perros se comportaban de manera especial con una parte de la piel de sus dueños y tras el análisis médico se demostró que los perros habían identificado tumores en la piel de sus dueños. Muchos de los resultados obtenidos usando perros entrenados son prometedores, sin embargo, estudios más profundos son necesarios para tener una certeza elevada en el uso de los canes para la detección de cáncer.

Los trabajos de investigación publicados hasta ahora demuestran que los perros, tras un entrenamiento apropiado son capaces de discriminar muestras de aliento, orina, heces o tejidos cancerosos de pacientes con cáncer de pulmón, mama, próstata u ovarios de las respectivas muestras obtenidas de humanos sanos con una sensibilidad y selectividad mayor que el 80%.
Por ahora, no se ha podido obtener información sobre a que sustancias químicas el olfato de los perros está respondiendo o la cantidad de estas sustancias. Si en el futuro se pudiera correlacionar, sería un posible método para obtener biomarcadores de cáncer en el olor.

Habrá que tener especial atención al entrenamiento de los perros en los estudios donde se obtienen buenos resultados, ya que el entrenamiento puede ser una pieza clave para el resultado exitoso de los análisis.

El análisis biomédico está abierto a diferentes situaciones innovadoras que claramente tengan una base científica, y cuyos buenos resultados se hayan obtenido tras seguir el método correcto de la ciencia.

Aquí tenemos un motivo más para tratar bien a nuestras mascotas, un día podrían detectarnos un cáncer precozmente y salvarnos la vida.

Bogusław Buszewski, Joanna Rudnicka, Tomasz Ligor, Marta Walczak, Tadeusz Jezierski, & Anton Amann (2012). Analytical and unconventional methods of cancer detection using odor Trends in Analytical Chemistry, 38 DOI: 10.1016/j.trac.2012.03.019