Hace unos días un amigo me propuso un reto, enlazar en un solo post cuatro de los Carnavales de la Ciencia que se albergan mensualmente en diferentes blogs: los de Química, Física, Biología y Tecnología. Rápidamente dos maestros de la divulgación que merodeaban por Twitter me retaron a que introdujese un quinto, mi querido carnaval de Matemáticas… y ya que estamos en Febrero, el Mes del Carnaval por excelencia, acepté sin pensarlo.

Reconozco que no ha sido nada fácil y ha tenido que ser mi teoría favorita, la de los 6 grados de separación, la que me saque del embrollo en el que me metí yo solito.

Según esta teoría dos conceptos sin aparente relación pueden estar conectados a través de una cadena que no tiene más de cinco intermediarios… y  a un servidor no se le ha ocurrido otra cosa que, basándome en un caso real que ocurrió hace muchos años, «relacionar un ácido graso con una nariz» a través de los cinco Carnavales de la Ciencia anteriormente citados…  eso sí, hoy no busquen orcos, hoy toca ciencia pura y dura.

Como bien conocen los asiduos al Carnaval de la Química, una de las estructuras moleculares de mayor importancia por su valor estructural, fisiológico y nutricional es el ácido linoleico, un ácido graso ácido graso poliinsaturado con dos dobles enlaces y de naturaleza esencial para el organismo humano ya que éste no puede sintetizarlo por lo que tiene que ser ingerido por la dieta, principalmente en aceites vegetales, tales como el de girasol o el de soja, en los huevos y en las aves de corral.

Una de las grandes características de este ácido graso es que presenta un peculiar comportamiento en disolución dependiendo de la concentración a la que se encuentre… cosa que poca gente conoce. Por favor que pase el Carnaval de la Física.

Ácido linoleico

Las moléculas anfifílicas, como es el caso del ácido linoleico, que tienen en su estructura una parte lipofílica y otra hidrofílica, presentan a menudo un fenómeno de autoagregación por interacción hidrófoba dando lugar, a partir de cierta concentración de acido graso, a estructuras micelares… me explico.

El ácido linoleico cuando se encuentra a bajas concentraciones en disolución acuosa está en forma de monómero (moléculas individuales). Sin embargo, a partir de una cierta concentración que se denomina concentración micelar crítica (CMC), la fase acuosa se «satura» en monómeros y comienzan a formarse unos agregados de tipo coloidal llamados micelas.

Por encima de la CMC, toda molécula adicional de ácido linoleico se incorpora dentro de las micelas, y la concentración de ácido graso en estado monomérico queda prácticamente constante; estableciéndose un equilibrio monómero/micela de tipo dinámico y existiendo un intercambio permanente de moléculas entre las micelas y la fase acuosa.

¿Y el hecho de que el ácido linoleico presente esta dualidad monómero/micela dependiendo de su concentración es importante? Mucho.

Varios estudios han demostrado como las propiedades nutricionales, fisiológicas y funcionales de un mismo compuesto no solamente son diferentes, sino que pueden llegar a ser opuestas dependiendo si se encuentra en estado monomérico o micelar, por lo que encontrar una forma de controlar el equilibrio monómero/micela es esencial… ¿y cómo puedo hacerlo?

Pues mediante el uso de mis moléculas preferidas, las ciclodextrinas, las cuales tienen la capacidad para encapsular en su cavidad interna los monómeros de ácido linoleico al introducir su larga cadena lipofílica en el interior de las ciclodextrinas mientras que el extremo carboxílico quedaría en la parte externa de las mismas.

De esta forma las ciclodextrinas actuan como reservorio de monómeros permitiendo que, aunque el equilibrio monómero/micelas y la CMC real permanezcan intactos, se pueda incrementar la cantidad de monómeros presentes en el medio… y la CMC aparente aumentará al necesitarse mayor cantidad de monómeros para formar la micela que cuando el agente encapsulante no está presente… ¿sencillo no?

Una vez diseñada la estrategia, el siguiente paso en mi objetivo de relacionar este ácido con una nariz fue elaborar complejos entre el ácido graso y las ciclodextrinas para así poder controlar el sistema monómero/micela… pero esto no fue tan fácil.

Para evaluar la formación de complejos de inclusión entre las ciclodextrinas y el ácido linoleico empleamos la técnica de fluorescencia según la cual se produce un incremento de la fluorescencia de la molécula complejada, en este caso el ácido linoleico, en presencia de agente encapsulante…  pero la discusión de los resultados fue complicadísima porque, aunque los valores de fluorescencia aumentaban con la concentración de ciclodextrina, los resultados obtenidos no respondían al habitual modelo matemático en el que una molécula de ácido linoleico debía ser encapsulada por una molécula de ciclodextrina siguiendo una estequiometria 1:1…¡¡que lo solucione el Carnaval de Matemáticas!!

Con el objetivo de resolver el problema, y analizando la peculiar estructura química de nuestro ácido graso, propusimos un modelo matemático alternativo en el cual por cada molécula de linoleico intervenían dos de ciclodextrina.

Habitualmente con una sola molécula de ciclodextrina es suficiente para encapsular una molécula de molécula huésped pero la larga cadena alifática del ácido linoleico nos hizo pensar que podía existir una alternativa en la cual una segunda unidad de agente encapsulante entrara en juego.

Además, decidimos cambiar la técnica analítica y en lugar de la fluorescencia empleamos un método espectrofotométrico en el que oxidábamos con una enzima al ácido linoleico en presencia de ciclodextrinas. El esquema de reacción propuesto fue el siguiente:

Este nuevo modelo propone que la habitual constante de encapsulación K que define la interacción entre una ciclodextrina y una molécula huésped sería sustituida por 2 constantes, K₁ y K₂, correspondientes a la hipotética interacción entre las dos moléculas de ciclodextrinas y el ácido linoleico … y con este modelo, y tras establecer las correspondientes e infumables ecuaciones matemáticas, el ajuste de los datos experimentales fue perfecto pudiéndose obtener los valores de estas dos constantes.

Modelo 1:1 (trazo discontínuo) ; Modelo 2:1 (trazo contínuo)

¿Pero por qué queremos disponer de los valores de K₁ y K₂ ? Porque solamente de esa manera seremos capaz de conocer la cantidad de ácido linoleico total que, en presencia de una concentración de ciclodextrina, podemos incorporar al medio de reacción sin que se altere el equilibrio monómero/micela.

A estas alturas del post, y después de tanta investigación básica, ustedes deberían preguntarse… ¿y todo esto tiene alguna utilidad práctica? Más de la que se pueden imaginar…que pase el Carnaval de la Biología dedicado este mes de Febrero a las enzimas.

El ácido linoleico es el sustrato preferido de la enzima lipoxigenasa, una de las primeras en ser cristalizada y que se encuentra tanto en mamíferos como en plantas, relacionándose con los procesos de senescencia, germinación de semillas, cicatrización de heridas, formación de tubérculos, defensa ante el ataque de patógenos, etc.

Pues bien, esta enzima perteneciente al grupo de las oxidorreductasas, y que presenta un átomo de hierro situado en su centro activo, es capaz de oxidar el sistema de dobles enlaces de nuestro ácido grado poliinsaturado para dar lugar a los productos primarios de la reacción, los correspondientes hidroperóxidos del ácido linoleico, por lo que el siguiente paso en nuestra teoría de las 6 grados de separación, cuyo objetivo es relacionar este ácido graso con una nariz, fue oxidar al ácido linoleico con lipoxigenasa.

Lipoxigenasa

Sin embargo, un nuevo inconveniente se presentó a la hora de determinar la actividad enzimática de lipoxigenasa sobre el ácido linoleico. A altas concentraciones de ácido graso la respuesta de la enzima se desviaba de la tradicional cinética enzimática de Michaelis Menten, activándose de forma inesperada al llegar a una determinada concentración de sustrato… … y me acordé de mi querida CMC.

Efectivamente, y como se podrán imaginar, la enzima no respondía igual si su sustrato se encontraba en forma de monómero o en forma de micela, dato extremadamente interesante porque vuelve a corroborar la importancia de conocer el valor de la concentración de ácido graso al cual se produce su agregación.

Como se puede observar en la siguiente figura cuando la enzima actúa sobre micelas, es decir a concentraciones de sustrato por encima de su CMC, lipoxigenasa presenta una mejor respuesta que si la concentración de sustrato está por debajo de su CMC, dando lugar a una formación más rápida de los productos de la reacción, los correspondientes hidroperóxidos.

¿Pero para qué sirve potenciar o inhibir la producción enzimática de esos hidroperóxidos? Realmente los hidroperóxidos como tales estructuras sirven para poco ya que son muy inestables. Sin embargo, en la mayoría de compuestos vegetales estos hidroperóxidos son transformados por una segunda enzima, hidroperóxido liasa, en una serie de compuestos orgánicos, principalmente aldehídos y cetonas, que son responsables de desagradables aromas herbáceos en muchos alimentos y que suelen desarrollarse en el procesado de los mismos… por lo que su control es uno de los objetivos fundamentales de la industria alimentaria.

Para lograr este control, se han desarrollado en los últimos años nuevas tecnologías que ayuden a mejorar el control del aroma de diversos productos alimenticios en los cuales la enzima lipoxigenasa ocupa un papel fundamental, como es el caso de patata, soja o berenjena… que se prepare el responsable del Carnaval de la Tecnología que le toca actuar.

Habitualmente, las empresas agroalimentarias suelen recurrir a la combinación de técnicas analíticas y sensoriales para analizar y evaluar el aroma de los productos alimentarios. Sin embargo los resultados obtenidos por los paneles de catadores internos de las empresas, que pocas veces han sido debidamente entrenados, pueden dar lugar a importantes errores debido a problemas de evaluación que aparecen cuando el número de muestras es muy elevado.

Para salvar estos inconvenientes en los últimos años se ha desarrollado una nueva tecnología, las “narices electrónicas”, complejos sensores que crean huellas olfativas digitales y que se usan ya en un número cada vez más importante de industrias agroalimentarias para el control de calidad y el desarrollo de algunos productos. Su tecnología se basa en la absorción y desorción de sustancias químicas volátiles que atraviesan una batería de sensores, que traducen los cambios específicos en resistencia eléctrica, medible en cada elemento del sensor, cuando estos están expuestos a distintos aromas y olores.

A diferencia de los paneles de catadores, las medidas efectuadas con la nariz electrónica son mucho más sensibles (reconocen e identifican niveles muy bajos de sustancias químicas volátiles), objetivas, reproducibles, fiables y, además, relativamente baratas. Por otra parte su interpretación es sencilla, rápida y se realiza en tiempo real y continua lo que posibilita aumentar el rendimiento analizando muestras durante el día y la noche de toda la semana.

Pues bien, recientes trabajos muestran como uno de los objetivos fundamentales de determinadas empresa alimentarias es la selección mediante el uso de “narices electrónicas” de alimentos que tengan la concentración óptima de los productos secundarios obtenidos por la actuación de la enzima lipoxigenasa sobre la forma monomérica o micelar del ácido linoleico, principalmente aromas formados por moléculas orgánicas de 6 y 9 átomos de carbono con al menos un grupo carbonilo… ¡¡lo logré!!

Cuadratura del círculo conseguida. La teoría de los 6 grados de separación nos ha permitido enlazar en un solo post los Cinco Carnavales de la Ciencia de una forma «fácil, sencilla y evidente» (¿?) que resumo en el siguiente párrafo:

“El equilibrio monómero/micela que presenta el ácido linoleico, principal sustrato de lipoxigenasa, la enzima responsable de la aparición en productos vegetales de aromas desagradables que están siendo controlados en la industria alimentaria por “narices electrónicas”, puede ser modulado por el uso de ciclodextrinas gracias a la modificación de la concentración micelar crítica del ácido graso mediante un modelo matemático de encapsulación  1:2 en el que una molécula huésped es complejada por dos moléculas de agente encapsulante”

Y todo esto, y aquí va la gran sorpresa de este post, pueden leerlo en un documento llamado “Reactividad de lipoxigenasas vegetales frente a micelas mixtas, complejos de ciclodextrinas y agregados de linoleato cálcico» y que es la publicación de mejor recuerdo para el autor de Scientia, su tesis doctoral…

Espero que después de esto mis amigos malagueños cumplan su palabra y vayan pidiendo el pescaito frito con una cerveza bien fría…que yo soy de los que me cobro las apuestas… ¡¡aunque no os hayáis enterado de nada!!

Jose

Nota: Con este post participo en los siguientes Carnavales:

* XI Edición del Carnaval de Química que alberga este mes el novel Blog de María Docavo  “Historias con mucha Química”.

* Edición 3.1 del Carnaval de Matemáticas que se aloja en el Blog «Scientia potentia est«

* X Edición del Carnaval de la Biología que celebramos en «Scientia«.

* VII Edición del Carnaval de la Tecnología que se alberga en el maravilloso Blog «Zemiorka».

* XXVIII Edición del Carnaval de la Física que este mes tiene su sede en el blog «Física, arroz y frijoles»

Bibliografía: “Reactividad de lipoxigenasas vegetales frente a micelas mixtas, complejos de ciclodextrinas y agregados de linoleato cálcico» Tesis Doctoral. J.M.López Nicolás. 1997. Universidad de Murcia.