7.1: Bioquímica Verde
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La bioquímica es la ciencia de los procesos químicos que ocurren en los organismos vivos. 1 Por su naturaleza, la bioquímica es una ciencia química y biológica verde. Esto se debe a que más de eones de evolución han evolucionado organismos que llevan a cabo procesos bioquímicos de manera sostenible. Debido a que las enzimas que llevan a cabo procesos bioquímicos solo pueden funcionar en condiciones suaves, particularmente de temperatura, los procesos bioquímicos se llevan a cabo en condiciones seguras, evitando las altas temperaturas, altas presiones y químicos corrosivos y reactivos que suelen caracterizar a los químicos sintéticos operaciones. Por lo tanto, es apropiado referirse a la bioquímica verde.
La capacidad de los organismos para llevar a cabo procesos químicos es realmente asombrosa, más aún cuando se considera que muchos de ellos ocurren en organismos unicelulares. Las cianobacterias fotosintéticas consistentes en células individuales de menos de un micrómetro (μm) de tamaño pueden hacer que todos los bioquímicos complejos que necesitan para existir y reproducirse usando la luz solar para obtener energía y sustancias inorgánicas simples como CO 2, K + ion, NO 3 - ion y HPO 4 2- ion para materias primas. Comenzando poco después de que las condiciones en la Tierra se volvieran hospitalarias para la vida, estas bacterias fotosintéticas produjeron el oxígeno que ahora compone alrededor del 20% de la atmósfera terrestre. Se han demostrado estromatolitos fosilizados (cuerpos de materiales sedimentarios unidos entre sí por películas producidas por microorganismos) producidos por cianobacterias que datan de 2.8 mil millones de años, y este notable microorganismo que convierte el dióxido de carbono atmosférico en biomasa y N 2 atmosférico a El N fijado químicamente puede haber estado en la Tierra desde hace 3.5 mil millones de años.
Es fascinante ver células vivas individuales de protozoos similares a animales a través de un microscopio óptico. Una ameba aparece como un cuerpo de protoplasma celular y se mueve rezumando como una gota viva de gelatina. El examen de los protozoos Euglena puede mostrar una célula de varios μm de tamaño con muchas características, incluido un núcleo celular que sirve para dirigir el metabolismo y la reproducción, cloroplastos verdes para la producción fotosintética de biomasa, una mancha ocular roja sensible a la luz, una contráctil similar a la boca vacuola por la cual la célula expulsa el exceso de agua, y una fina estructura similar a la cola (flagelos) que se mueve rápidamente y propulsa la célula. Un examen más detallado por microscopio electrónico de tales células y las que componen organismos más complejos revela muchas más partes celulares que están involucradas con la función bioquímica.
Al menos se necesita un conocimiento rudimentario de bioquímica para comprender la química verde, la química ambiental y la ciencia y tecnología de la sustentabilidad. Una razón es la capacidad de los organismos para sintetizar una gran variedad de sustancias. El más obvio de ellos es la biomasa hecha por la fijación fotosintética del dióxido de carbono y que forma la base de las redes alimenticias de la naturaleza. Los organismos fabrican muchos de los materiales en los que dependen los humanos. Además de los alimentos, uno de esos materiales es la lignocelulosa que compone la mayor parte de la biomasa vegetal, como la madera utilizada para la construcción, la fabricación de papel y el combustible. Moléculas muy complejas son elaboradas por organismos, por ejemplo, insulina humana producida por organismos genéticamente modificados. Los organismos elaboran materiales en condiciones muy suaves en comparación con las utilizadas en la antrosfera. Un ejemplo importante es el nitrógeno químicamente fijado de la atmósfera que se produce sintéticamente en la antrosfera como amoníaco (NH 3) a altas temperaturas y presiones, mientras que las bacterias Rhizobium unidas a las raíces de la soja y otras plantas leguminosas fijan nitrógeno en el condiciones del ambiente del suelo. Cada vez más a medida que los suministros de petróleo y otras materias primas no renovables se hacen más escasos, los humanos recurren a microorganismos y plantas para elaborar materiales esenciales.
Otra razón importante para considerar la bioquímica como parte de la química verde y la sustentabilidad es la protección de los organismos de los productos y procesos en la antrosfera. Es fundamental conocer los posibles efectos tóxicos de diversos materiales, tema abordado por la química toxicológica. 2 Uno de los objetivos fundamentales de la química verde es minimizar la producción y uso de productos que puedan tener efectos ambientales adversos. La sustentabilidad de todo el planeta requiere que los humanos no se dispersen en el medio ambiente sustancias que puedan sufrir bioacumulación y ser tóxicas para los humanos y otros organismos.
Los procesos bioquímicos no solo están profundamente influenciados por las especies químicas en el ambiente, sino que determinan en gran medida la naturaleza de estas especies, su degradación e incluso sus síntesis, particularmente en los ambientes acuáticos y del suelo. El estudio de tales fenómenos constituye la base de la bioquímica ambiental.
Este capítulo está diseñado para dar una visión general de la bioquímica y cómo se relaciona con la química verde y la ciencia y tecnología de sustentabilidad. Un vistazo a las fórmulas estructurales de algunos de los bioquímicos mostrados en este capítulo da un indicio de la complejidad de la bioquímica. Este capítulo está diseñado para proporcionar una comprensión básica de esta compleja ciencia con suficiente detalle para que sea significativa pero para evitar abrumar al lector. Comienza con una visión general de las cuatro clases principales de bioquímicos: proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. Muchos de los compuestos de estas clases son polímeros con masas moleculares del orden de un millón o incluso mayores. Las proteínas y los ácidos nucleicos consisten en macromoléculas, los lípidos suelen ser moléculas relativamente pequeñas, los carbohidratos van desde pequeñas moléculas de azúcar hasta macromoléculas de alta masa molar como las de la celulosa.
El comportamiento de una sustancia en un sistema biológico depende en gran medida de si la sustancia es hidrofílica (“amante del agua”) o hidrofóbica (“odia el agua”). Algunas sustancias tóxicas importantes son hidrofóbicas, característica que les permite atravesar fácilmente las membranas celulares y bioacumularse en el tejido lipídico (graso). Muchos hidrocarburos y compuestos organohalogenados sintetizados a partir de hidrocarburos son hidrofóbicos. Parte del proceso de desintoxicación que llevan a cabo los organismos vivos es hacer que dichas moléculas sean hidrofílicas, por lo tanto solubles en agua y fácilmente eliminadas del cuerpo.