Isopreno

El isopreno, o 2-metil-1,3-butadieno, es un compuesto orgánico común con la fórmula CH ₂ =C(CH ₃)−CH=CH ₂. En su forma pura es un líquido volátil incoloro. El isopreno es un hidrocarburo insaturado. Es producido por muchas plantas y animales (incluidos los humanos) y sus polímeros son el componente principal del caucho natural. CG Williams nombró el compuesto en 1860 después de obtenerlo de la descomposición térmica (pirólisis) del caucho natural; dedujo correctamente la fórmula empírica C ₅ H ₈.

Acontecimientos naturales

Muchas especies de árboles producen y emiten isopreno (los principales productores son robles, álamos, eucaliptos y algunas leguminosas). La producción anual de emisiones de isopreno por la vegetación es de alrededor de 600 millones de toneladas métricas, la mitad de árboles tropicales de hoja ancha y el resto principalmente de arbustos. 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 constituye aproximadamente el 80 % de las emisiones de hidrocarburos. Si bien su aporte es pequeño en comparación con los árboles, las algas microscópicas y macroscópicas también producen isopreno.

Plantas

El isopreno se produce a través de la vía del 4-fosfato de metileritritol (vía MEP, también llamada vía del 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 lo 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 se maximiza 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 esto proviene de degradaciones no enzimáticas de DMAPP.

Regulación

La emisión de isopreno en las plantas está controlada tanto por la disponibilidad del sustrato (DMAPP) como por la actividad enzimática (isopreno sintasa). En particular, las dependencias de la emisión de isopreno con luz, CO ₂ y O ₂ están controladas por la disponibilidad del sustrato, mientras que la dependencia de la emisión de isopreno con la temperatura está regulada tanto por el nivel del sustrato como por la actividad enzimática.

Otros organismos

El isopreno es el hidrocarburo medible más abundante en el aliento humano. 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 de 70 kg. El isopreno es común en bajas concentraciones en muchos alimentos. Muchas especies de bacterias marinas y del suelo, como Actinomycetota, son capaces de degradar el isopreno y utilizarlo como fuente de combustible.

Roles biológicos

La emisión de isopreno parece ser un mecanismo que utilizan los árboles para combatir el estrés abiótico. En particular, se ha demostrado que el isopreno protege contra el estrés por calor 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 del oxígeno. La cantidad de isopreno liberada por la vegetación emisora ​​de isopreno depende de la masa de la hoja, el área de la hoja, la luz (en particular, 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 cálidos y soleados, hasta 25 μg/(g de peso de hoja seca)/hora en muchas especies de robles.

Isoprenoides

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 usa a veces para referirse a los terpenos en general.

Los 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 esteroles en 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 carotenoides, quinonas, derivados de lanosterol (por ejemplo, esteroides) y las cadenas de prenilo de ciertos compuestos (por ejemplo, la cadena de fitol de la clorofila). Los isoprenos se utilizan en la monocapa de la membrana celular de muchas arqueas, llenando el espacio entre los grupos de cabeza de tetraéter de diglicerol. Se cree que esto agrega resistencia estructural a los entornos hostiles en los que se encuentran muchas Archaea.

De igual forma, el caucho natural está compuesto por cadenas lineales de poliisopreno de muy alto peso molecular y otras moléculas naturales.

Impacto en aerosoles

Después de la liberación, el isopreno se convierte en varias especies, como aldehídos, hidroperóxidos, nitratos orgánicos y epóxidos, mediante radicales libres de vida corta (como el radical hidroxilo) y, en menor medida, mediante ozono. Estas nuevas especies pueden disolverse en gotas de agua y contribuir a la formación de aerosoles y neblina. Los aerosoles orgánicos secundarios formados a partir de esta vía son un tema actual de investigación y pueden tener impactos atmosféricos.

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 mismo normalmente no se considera un contaminante, ya que es un producto vegetal natural. La formación de ozono troposférico solo es posible en presencia de niveles elevados de NO _x, que provienen casi exclusivamente de actividades industriales. El isopreno puede tener el efecto contrario y sofocar 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, a partir del isopreno liberado a la atmósfera. Esto contribuye a la neblina característica de las montañas y su color distintivo.

Producción industrial

El isopreno está más disponible industrialmente como subproducto del craqueo térmico de nafta o aceite, como producto secundario en la producción de etileno. Anualmente se producen unas 800.000 toneladas métricas. Alrededor del 95 % de la producción de isopreno se utiliza para producir cis-1,4-poliisopreno, una versión sintética del caucho natural.

El caucho natural se compone principalmente de poli-cis-isopreno con una masa molecular de 100 000 a 1 000 000 g/mol. Por lo general, 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.