El isopreno , o 2-metil-1,3-butadieno , es un compuesto orgánico volátil común con la fórmula CH 2 =C(CH 3 )-CH=CH 2 . En su forma pura es un líquido volátil incoloro. Es producido por muchas plantas y animales [1] (incluidos los humanos) y sus polímeros son el componente principal del caucho natural . CG Williams nombró el compuesto en 1860 después de obtenerlo a partir de la pirólisis del caucho natural; dedujo correctamente la fórmula empírica C 5 H 8 . [2] [3]
El isopreno es producido y emitido por muchas especies de árboles (los principales productores son los robles , los álamos , los eucaliptos y algunas leguminosas). La producción anual de emisiones de isopreno por parte de la vegetación es de alrededor de 600 millones de toneladas métricas , la mitad de ellas de árboles tropicales de hoja ancha y el resto principalmente de arbustos . [4] Esto equivale aproximadamente a las emisiones de metano y representa alrededor de un tercio de todos los hidrocarburos liberados a la atmósfera. En los bosques caducifolios, el isopreno representa aproximadamente el 80% de las emisiones de hidrocarburos. Si bien su contribución es pequeña en comparación con la de los árboles, las algas microscópicas y macroscópicas también producen isopreno. [5]
El isopreno se produce a través de la vía del metil-eritritol 4-fosfato (vía MEP, también llamada vía no mevalonato ) en los cloroplastos de las plantas. Uno de los dos productos finales de la vía MEP, el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), es escindido por la enzima isopreno sintasa para formar isopreno y difosfato. Por tanto, los inhibidores que bloquean la vía MEP, como la fosmidomicina , también bloquean la formación de isopreno. La emisión de isopreno aumenta drásticamente con la temperatura y alcanza su máximo alrededor de los 40 °C. Esto ha llevado a la hipótesis de que el isopreno puede proteger a las plantas contra el estrés por calor (hipótesis de termotolerancia, ver más abajo). También se observa emisión de isopreno en algunas bacterias y se cree que proviene de degradaciones no enzimáticas del DMAPP. La emisión global de isopreno por parte de las plantas se estima en 350 millones de toneladas por año. [6]
La emisión de isopreno en las plantas está controlada tanto por la disponibilidad del sustrato (DMAPP) como por la actividad de la enzima (isopreno sintasa). En particular, las dependencias de la emisión de isopreno de la luz, CO 2 y O 2 están controladas por la disponibilidad de sustrato, mientras que la dependencia de la emisión de isopreno con la temperatura está regulada tanto por el nivel de sustrato como por la actividad enzimática.
El isopreno es el hidrocarburo más abundante que se puede medir en el aliento de los humanos. [7] [8] [9] La tasa de producción estimada de isopreno en el cuerpo humano es de 0,15 µmol /(kg·h), equivalente a aproximadamente 17 mg/día para una persona que pesa 70 kg. El isopreno es común en bajas concentraciones en muchos alimentos. Muchas especies de bacterias del suelo y marinas, como Actinomycetota , son capaces de degradar el isopreno y utilizarlo como fuente de combustible.
La emisión de isopreno parece ser un mecanismo que utilizan los árboles para combatir el estrés abiótico . [10] En particular, se ha demostrado que el isopreno protege contra el estrés térmico moderado (alrededor de 40 °C). También puede proteger a las plantas contra grandes fluctuaciones en la temperatura de las hojas. El isopreno se incorpora y ayuda a estabilizar las membranas celulares en respuesta al estrés por calor.
El isopreno también confiere resistencia a las especies reactivas de oxígeno. [11] La cantidad de isopreno liberado por la vegetación que emite isopreno depende de la masa de la hoja, el área de la hoja, la luz (particularmente la densidad del flujo de fotones fotosintéticos o PPFD) y la temperatura de la hoja. Por lo tanto, durante la noche, las hojas de los árboles emiten poco isopreno, mientras que se espera que las emisiones diurnas sean sustanciales durante los días calurosos y soleados, hasta 25 μg/(g de peso de hoja seca)/hora en muchas especies de roble. [12]
El esqueleto de isopreno se puede encontrar en compuestos naturales llamados terpenos (también conocidos como isoprenoides), pero estos compuestos no surgen del isopreno en sí. En cambio, el precursor de las unidades de isopreno en los sistemas biológicos es el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y su isómero pirofosfato de isopentenilo (IPP). El plural "isoprenos" se utiliza a veces para referirse a los terpenos en general.
Ejemplos de isoprenoides incluyen caroteno , fitol , retinol ( vitamina A ), tocoferol ( vitamina E ), dolicoles y escualeno . El hemo A tiene una cola isoprenoide y el lanosterol , el precursor de esterol en los animales, se deriva del escualeno y, por tanto, del isopreno. Las unidades funcionales de isopreno en los sistemas biológicos son el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y su isómero pirofosfato de isopentenilo (IPP), que se utilizan en la biosíntesis de isoprenoides naturales como los carotenoides , las quinonas , los derivados del lanosterol (por ejemplo, esteroides) y las cadenas de prenilo de ciertos compuestos (por ejemplo, cadena de fitol de clorofila). Los isoprenos se utilizan en la monocapa de la membrana celular de muchas Archaea , llenando el espacio entre los grupos principales del tetraéter de diglicerol. Se cree que esto añade resistencia estructural a los entornos hostiles en los que se encuentran muchas Archaea.
De manera similar, el caucho natural está compuesto por cadenas lineales de poliisopreno de muy alto peso molecular y otras moléculas naturales. [13]
Después de su liberación, el isopreno se convierte en diversas especies, como aldehídos , hidroperóxidos , nitratos orgánicos y epóxidos [14] mediante radicales libres de vida corta (como el radical hidroxilo ) y, en menor medida, por el ozono . [15] Estas nuevas especies pueden disolverse en gotas de agua y contribuir a la formación de aerosoles y neblina . [16] Los aerosoles orgánicos secundarios formados a partir de esta vía son un tema actual de investigación y pueden tener impactos atmosféricos. [17]
Si bien la mayoría de los expertos reconocen que la emisión de isopreno afecta la formación de aerosoles, se debate si el isopreno aumenta o disminuye la formación de aerosoles. Un segundo efecto importante del isopreno en la atmósfera es que, en presencia de óxidos nítricos (NO x ) , contribuye a la formación de ozono troposférico (atmósfera inferior) , que es uno de los principales contaminantes del aire en muchos países. El isopreno en sí no suele considerarse un contaminante, ya que es un producto vegetal natural. La formación de ozono troposférico sólo es posible en presencia de altos niveles de NOx , que proviene casi exclusivamente de actividades industriales. El isopreno puede tener el efecto contrario y apagar la formación de ozono bajo niveles bajos de NOx .
Como ejemplo, las montañas Blue Ridge se caracterizan por tener un color azulado cuando se ven desde la distancia. Los árboles ponen el "azul" en Blue Ridge, debido al isopreno liberado a la atmósfera. [18] Esto contribuye a la neblina característica de las montañas y a su color distintivo. [19] Las Montañas Azules de Nueva Gales del Sur , con un nombre similar pero geológicamente distritales, también derivan su color y nombre del isopreno y los isoprenoides liberados por los árboles de eucalipto. [20]
El isopreno está más disponible industrialmente como subproducto del craqueo térmico de nafta o aceite de petróleo, como subproducto en la producción de etileno . Anualmente se producen unas 800.000 toneladas métricas. Aproximadamente el 95 % de la producción de isopreno se utiliza para producir cis-1,4-poliisopreno, una versión sintética del caucho natural . [13]
El caucho natural se compone principalmente de policisisopreno con una masa molecular de 100.000 a 1.000.000 g/mol. Normalmente, el caucho natural contiene un pequeño porcentaje de otros materiales, como proteínas, ácidos grasos, resinas y materiales inorgánicos. Algunas fuentes de caucho natural, llamadas gutapercha , están compuestas de trans-1,4-poliisopreno, un isómero estructural que tiene propiedades similares, pero no idénticas. [13]
Terpeno químico de las montañas azules.
