La celulosa, el producto biológico más abundante, se merece su propia entrada

¿Sabías que la celulosa es, probablemente, el producto biológico más abundante de toda la biosfera? Se calcula que cada año se producen unos 1015 Kg. Y que se degrada una cantidad equivalente (si no, no habría equilibrio). No sé si sabes lo que significa esa cifra… Es 1.000 veces más que toda la biomasa humana reunida…

La celulosa es un homopolímero de glucosa. Eso quiere decir que toda ella es glucosa. Una detrás de otra. Sí, ya sé, ya sé que lo sabes, ya sé que sabes que glucógeno y almidón son también homopolímeros de glucosa y que se diferencian en que la celulosa es beta-glucosa. Sí, sí… ya sé que sabes, después de lo pesado que me he puesto, que la celulosa beta es la que tiene el C anomérico con su -OH por debajo del plano del anillo si pongo el carbono 6 mirando para arriba. Porque si lo pongo al revés, queda por encima. O sea, que el -OH del C anomérico va a un lado distinto del carbono 6. Pero mira, por si acaso…

celulosa
Tomada de Wikipedia

Como la celulosa es lineal, los enlaces que la forman son 1->4. Y hay múltiples filas paralelas entre sí. Formando puentes de hidrógeno unas con otras. La máxima cantidad de puentes de hidrógeno posible. Lo cual se logra, como te decía, poniéndolas paralelas, no cruzadas. Obviamente… Y para eso están los grupos -OH del carbono 6, para formar puentes de hidrógeno entre sí. Son los ideales porque el carbono 6, en la forma piranósica, queda axial, elevado sobre el plano. O por debajo si pongo la glucosa al revés, si la volteo. Que es lo que pasa, precisamente, en la celulosa, que una glucosa va derecha y otra volteada, la siguiente derecha y la de más allá volteada. Y así… De ese modo se crean puentes de hidrógeno con la fila de un lado y con la de otro.

Ningún ser vivo, aparte de algunas bacterias y hongos y protozoos y plantas, puede romper la celulosa. O sea, ningún animal puede romper la celulosa. No sin estar equipado con bacterias u hongos o protozoos en su tracto digestivo. Y es que tienen un enzima clave para la biosfera: la celulasa. Sin ella no habría reciclaje de celulosa. Sería un producto acumulativo y habría que esperar miles de años (tan resistente es…) a que se degradara espontáneamente, no enzimáticamente. Bueno… he mentido; hay dos animales que sí, los pececillos de plata y el molusco Teredo navalis, que se adhiere a los cascos de madera de los barcos y los devora. Pero el resto no. Y no podemos por lo cerca que ponen un monómero de otro los enlaces beta(1->4). Eso dificulta mucho la acción del enzima, que apenas tiene espacio para acceder al enlace y atacarlo. Celulasas hay varias. Cada una con su acción, colaborando entre ellas. En algunas bacterias forman complejos supramoleculares grandes, llamados celulosomas.

La acción de la celulasa rinde un disacárido que lo mismo te suena. La celobiosa. Un disacárido de glucosa. ¿Que ya conocías la maltosa? Pues sí, sí, también es un disacárido de glucosa. Pero alfa-(1->4). Y la celobiosa es beta-(1->4), lógicamente…

¿Sería importante comprender bien la acción de la celulasa? ¿Y domesticar biotecnológicamente ese enzima? Pues sí, porque convertiríamos la madera en una fuente de comida para la humanidad. Mmmm… No sé… Con el historial que tenemos de que cada vez que descubrimos modos de producir más comida nos dedicamos a crecer poblacionalmente, en vez de a dejar satisfecha a toda la humanidad, no sé yo…

La celulosa no está sola en las plantas. Se mezcla con más sustancias para dar la pared vegetal. Sí, sí. Esa estructura razonable que no tenemos los animales. Esa estructura que te salva de la turgencia en caso de hipertonicidad de la célula. De estallar si tienes mucha comida en tu interior, vamos. La pared vegetal es tan resistente gracias a la celulosa, a la rigidez que le aporta por todos esos enlaces O-glucosídicos beta-(1->4) y todos esos puentes de H entre cadenas laterales.

Los mismo enlaces que sustentan tanto un árbol como un ecosistema. Y también gran parte de la historia de la humanidad…

Reactividad de glúcidos y por qué no puedes comer madera

Los monosacáridos, al portar grupos hidroxilo, son polares. Pero, además, son reactivos. Y eso aumenta su diversidad. Porque un mismo glúcido puede reaccionar con alcoholes, aminas y ácido ortofosfórico.

Y, por supuesto, el -OH de un glúcido puede reaccionar con el -OH de otro glúcido. Y unirse entre ellos. Y unirse a otro por otro sitio. Y ese a otro. Y ese otro a otro más. Y a otro más aún… Los monosacáridos son reactivos y eso les permite unirse entre sí. Tanto que, si quiero juntar una glucosa, una manosa y una galactosa, solo esos tres, hay más de 12.000 productos diferentes. Distintos porque ninguno de ellos tienen la misma forma tridimensional que otro. Y todo variando el orden entre ellas tres y qué -OH participan de las uniones.

numeración de la glucosa
Tomado de Biology Books

Los glúcidos se unen entre sí formando enlaces O-glucosídicos. Que son de tipo éter (es decir, uno en el que el O actúa de puente). Que es del que me voy a ocupar hoy. Dejando para otro día al N-glucosídico y al enlace entre glúcidos y grupos ortofosfato.

En general, los enlaces O-glucosídicos entre monosacáridos son entre los carbonos 1 y 4. ¿Por qué? Porque ambos son los que están más alejados entre sí. Eso me permite formar filas, filas enormes de glúcidos. Como ocurre en la amilosa, uno de los dos componentes del almidón (el polisacárido de reserva vegetal). O en la celulosa (el polisacárido estructural que protagoniza las paredes celulares vegetales, del cual que te hablaré luego).

polimerizaglucosa
Tomado de Biology Books

Pero también son posibles otras uniones, claro. Como la que se establece entre carbonos 1 y 6. Si recuerdas la estructura ciclada de los monosacáridos, el carbono 6 estaba fuera del anillo y por encima de él. Por tanto, una unión 1-6 no sirve para formar filas. Pero sí que sirve para formar bifurcaciones, ramificaciones. Como ocurre en la amilopectina, el otro componente del almidón (ambos componentes, amilosa y amilopectina, están presentes en el almidón, pero en diferentes almidones de diferentes plantas varían las cantidades relativas de cada cual). O en el glucógeno (el polisacárido de reserva energética animal). Que, además de los enlaces 1-4 tienen algunos enlaces 1-6 (uno de cada 10-15 en el glucógeno, más ramificado; uno de cada 15-30 en la amilopectina, menos ramificada).

Polisacáridos de reserva
Tomado de Tutorvista

¿Por qué las ramificaciones? Porque un polímero lineal, como la amilosa, solo tiene dos extremos. Y, por tanto, solo puede sacar glucosa de ahí a una velocidad limitada. Pero las ramificaciones permiten que tengas muchos lugares de donde cortar a la vez. Los polisacáridos ramificados son mucho más rápidos que los lineales. Como saben bien las personas que sufren de diabetes y en cuya dieta es preferible que entren alimentos más ricos tan ricos como sea posible en la lenta amilosa. Además de eso, cuanto más ramificada es la molécula, más soluble es.

Pero hay más en los enlaces O-glucosídicos. Porque los glúcidos que se unen pueden ser alfa o beta. Que es la manera de llamar a los glúcidos según si, al ciclarse, el -OH del carbono 1 (llamado carbono anomérico) quedó por abajo (alfa) o por arriba (beta) del anillo. (En realidad esto es algo más complejo, pero mejor simplificarlo así).

¿Es eso importante? ¿Es importante que en los enlaces glucosídicos nos fijemos en si el monosacárido era alfa o beta? Pues yo creo que sí si te gustan los bocadillos. O si quieres saber por qué la madera, que está hecha de glucosa, no se puede comer; y los fideos, que están hechos de glucosa, sí se pueden comer. O por qué la leche es indigesta para muchas personas.

Quitina
Tomado de Biología Virtual

Resulta que los enlaces de tipo alfa son más amplios, dejan más sitio entre monosacárido y monosacárido. Por eso resulta un enlace atacable, rompible. Un enlace más fácil, vaya… Los enlaces de tipo beta, en cambio, conllevan que los monosacáridos están más cerca entre sí. Y eso dificulta su ruptura. Realmente esa es la diferencia entre pan y madera. O, si lo quieres más preciso, esa es la diferencia entre amilosa, amilopectina y glucógeno (todas con alfa-glucosa) y celulosa (con beta-glucosa). La diferencia que hace fuerte, resistente, a la celulosa y digeribles a almidón y glucógeno.

Y no es la única la celulosa, no. La quitina es otro polisacárido estructural. Esta vez de insectos y hongos. Y, por supuesto, tiene enlaces beta.

Y tampoco son las únicas celulosa y quitina. La lactosa es un disacárido resultado de unir una beta-glucosa y una galactosa. Por eso la leche es un alimento complicado de digerir si no tienes la equipación enzimática adecuada.

Biocarburantes celulósicos

He leído, en el número de septiembre de 2009, un buen artículo de George W. Huber y Bruce E. Dale. En él plantean una alternativa, al menos a corto plazo, a la dependencia del petróleo.

Que se puedan producir biocombustibles es interesante por varias razones. La que te mencionaba al principio de que su uso no contribuiría de forma neta al calentamiento global (el CO2 que se emite es el CO2 que las plantas captaron), lo que convertiría al combustible en una fuente de energía renovable. ¡Claro! Las plantas toman el CO2 del aire y su transformación en combustible lo devuelve, en un bucle cerrado. Es un concepto radicalmente distinto del de usar combustibles fósiles, en el que tomas CO2 que se retiró de la atmósfera hace millones de años y lo añades. De golpe, además. Por otro lado, aumentaría probablemente los ingresos del sector agrícola. Y cambiaría la situación geopolítica al fomentar el abastecimiento local de combustibles.

Pero… Pero no todo es color de rosa. La producción de biocombustibles puede competir por los suelos cultivables con la comida. Requieren, al menos inicialmente, de subvenciones, lo que conllevaría un notable gasto público, que debe merecer la pena inequívocamente (es decir, que apostar por los biocombustibles podría desviar recursos de otras soluciones que resulten mejores, realmente). Y la generación de biocombustibles no es gratis. Incluso, durante su síntesis se produce CO2, que habría que tener en cuenta a la hora de hacer un balance completo. Sí, sé que al principio te decía que su uso no producía descarga neta de CO2. Pero su elaboración sí. Bajo la forma de fertilizantes para las plantas, combustible para las máquinas, destilado de las materias primas… Esto se podría evitar si para producir biocombustibles se usaran sólo biocombustibles. Así se evitarían emisiones netas de CO2.

Resumiendo, yo creo que los biocombustibles son una buena idea, si cumplieran tres premisas.

  • Primera, no restar comida.
  • Segunda, no aumentar la superficie cultivada.
  • Tercera, producirse con los propios biocombustibles para evitar emisiones netas de CO2.

Son restricciones exigentes, pero inevitables. Y que no solucionan el problema de sustituir el petróleo, pero que pueden dar un 10% de alivio. Y es que es probable que el futuro no esté hecho de una solución, sino de un mosaico de ellas. Y es posible que los biocombustibles sean parte de la solución. O quizá no. Por eso te cuento. Para que puedas saber y tomar buenas decisiones.

Biocombustibles

Fuente: http://tinyurl.com/yj4ma9y

Existen biocombustibles de primera generación. Que emplean los mismos productos vegetales que nosotros comemos o que damos al ganado. Se trata de materiales fáciles de procesar y relativamente baratos. Pero no cumplen con la primera premisa. Nos quitan comida y presionan sobre los precios de la que no nos quitan. Y para evitar esos daños aparecen los biocombustibles de segunda generación.

Los de segunda generación, o celulósicos, emplean residuos vegetales. Serrín y restos de construcción, residuos agrícolas y cultivos leñosos de crecimiento rápido. Estos materiales son abundantes, baratos y no deberían afectar a la producción de alimentos. Tampoco son inocuos, ojo, que muchos de ellos deberían terminar fertilizando suelos (especialmente los residuos agrícolas). Pero a las alturas que estamos, lo inocuo no existe.

¿Cuánto petróleo ahorrarían? En EE.UU., los autores calculan que la biomasa celulósica de aquel país servirá para sustituir la mitad del consumo de combustibles para automoción. Y a nivel mundial, aunque es más difícil de calcular, es posible que la biomasa celulósica total pueda equivaler a entre 1 y 5 veces la producción mundial anual de petróleo de 2009 (unos 30.000 millones de barriles). Un enorme potencial.

Pero… Ha habido avances, sí, aunque faltan las técnicas definitivas. La materia prima es la celulosa. Que está hecha de glucosa, pero dispuesta de tal manera que forma una esqueleto molecular rígido, intrincado. Curioso que no podamos comer con provecho la celulosa, aunque esté hecha de lo mismo que el azúcar. Y es que en ella, las glucosas están ordenadas de forma diferente. Sí, sí, la celulosa es una molécula digna de conocer (te la cuento pronto, prometido).

Fuentes de biocombustibles de segunda generación

Fuente: http://tinyurl.com/yfd9qv3

Ya existía una vieja técnica, de principios del siglo XX. Que, además, se usó profusamente durate la Segunda Guerra Mundial por el ejército alemán para convertir carbón en petróleo, por las dificultades de suministro que tenían. Si se trata la celulosa a altas temperaturas, y se añade oxígeno, rinde un gas, llamado syngas, rico en CO, H2 y alquitranes. El cual puede convertirse en combustible líquido mediante un proceso denominado de Fischer-Tropsch. es un procedimiento bien conocido, pero resulta caro y consume mucha energía.

Otra posibilidad es calentar la celulosa a menos temperatura (300-600ºC) en un entorno libre de oxígeno. Eso rinde biopetróleo y un residuo sólido parecido al carbón. el biopetróleo no es como el petróleo geológico. Es mucho más ácido y menos calorífico. Tan ácido que dejaría inservibles los motores. Por tanto, habría que refinarlo. Por cierto, que este método también acepta residuos animales. De hecho, en una refinería ubicada en Texas se logran 45.000 litros diarios de diésel a partir de los residuos orgánicos de mataderos, y a buen precio.

Hay una variante de este método que somete a la celulosa a temperaturas de 500ºC durante un segundo. Eso la descompone en moléculas pequeñas, aún rícas en O. Elemento que abunda en la celulosa y que hay que quitar si se quiere producir combustible (hecho, sobre todo, de C y H). Eso se logra con catalizadores que producen gasolinas. El proceso dura unos 14 segundos pero aún está por desarrollar una planta prototipo.

Todos esos tratamientos han de mejorarse antes de volverse prácticos, comerciales. Deben romper la celulosa de modo barato, sin producir materiales tóxicos, con bajo consumo de energía, rindiendo concentraciones elevadas de azúcares fermentables y aptos para convertirlos en biocombustibles, y a costes competitivos con el petróleo. Y, por desgracia, aún no han cumplido esos requisitos. Todos y cada uno.

Sí hay una técnica que es prometedora (AFEX, la llaman). Cocer bajo presión la biomasa a 100ºC, con amoniaco. Cuando se reduce la presión el amoniaco se evapora y se retira, con lo que sólo queda la mezcla de azúcares, con un rendimiento del 90%. Y a partir de ella, se obtendrá el biodiesel.

En resumen, las técnicas están cerca de ser comerciales y hay que ir mirando los problemas desde ya. Principalmente el problema de la competencia entre biocombustibles y comida. Ante esa disyuntiva el mercado no sabe hacer las cosas bien, no es un buen tomador de decisiones. Porque el mercado sabe asignar recursos de modo eficiente para la producción, pero no para que un recurso llegue a todos. El mercado sabe establecer precios, pero el precio marca el límite entre los que tendrán el recurso y los que no.

Y la comida es imprescindible en un mundo de más de 6.000 millones de personas. Coger un coche no.