Como los lectores de Scientia recordarán hace unos meses acepté el reto de escribir un artículo que tuviese cabida en cinco de los famosos carnavales de la Ciencia que se albergan simultáneamente en varias de las bitácoras que componen la blogosfera científica y que fue lanzado por dos divulgadores, César Tomé y Francis Villatoro, autores de los blogs Experientia Docet y Francis (th) E mule Science’s News respectivamente.

Fruto de ese reto publiqué el post titulado “La importancia de llamarse monómero…un problema de narices” en el que recogí el guante que me lanzaron los dos divulgadores malagueños. Pues bien, hace unas semanas César y Francis se pusieron de nuevo rumbosos en twitter y les propuse el reto de subir dos escalones y llegar a los 7 Carnavales… pero como sé que me ganarán la apuesta, y que el que da primero da dos veces, hoy tiramos en Scientia la casa por la ventana escribiendo un post que da cabida a los ocho carnavales que han pasado por la blogosfera: Humanidades, Geología, Química, Biología, Física, Matemáticas, Nutrición y Tecnología… y para ello voy a utilizar como nexo de unión a uno de los elementos químicos que más satisfacciones me ha dado a lo largo de mi carrera científica, el que hace el número 29, el cobre.

Venus de Théodore Chassériau

Comenzaremos con el Carnaval de Humanidades. Para comprender el origen del nombre del cobre, que mitológicamente ha sido asociado a diversos dioses, como es el caso de la diosa Afrodita/Venus en las civilizaciones griega y romana debido a la belleza de su brillo o al dios Vulcano (dios del fuego y los metales en la civilización romana), hay que remontarse a esta última civilización donde a este metal lo denominaron aes Cyprium (aes es el término en latín para cobre y Cyprium porque la mayoría de este mineral lo extraían de la isla de Chipre). Posteriormente el nombre se simplificó a cuprum, del que proceden los términos por los que se conoce actualmente al cobre en castellano (cobre), en inglés (copper) o en francés (cuivre).

Sin duda alguna el cobre es uno de los elementos químicos más utilizados por la humanidad desde más de 10.000 años. Diferentes civilizaciones como la egipcia hace 7.500 años, la china hace 5.000 años, la inca hace 4.000 años y muchas otras hicieron del fundido del cobre un pilar fundamental de su desarrollo hasta el punto de que el cobre y su aleación con el estaño, el bronce, adquirieron tanta importancia que los historiadores han llamado Edad del Cobre y Edad del Bronce a dos periodos de la Antigüedad…  y aunque con el tiempo fue perdiendo importancia con el desarrollo de la siderurgia, todavía en nuestros días el cobre, gracias ser un metal disponible en la naturaleza, manipulable, dúctil y con una importante resistencia, sigue siendo uno de los elementos químicos más empleados en diferentes sectores industriales y el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio.

Pero si desde el punto de vista humanístico el cobre ha tenido una gran importancia a lo largo de la historia, desde el punto de vista de las ciencias experimentales este metal ha desempeñado, y sigue desempeñando, un papel fundamental en diversas disciplinas como vamos a poder observar a lo largo de este post.

Debido a que en esta entrada se hablará del cobre intrínseco presente en algunas moléculas pero también del que se adiciona exógenamente a otros productos, es necesario hablar brevemente de la procedencia de este elemento químico… y para ello el Carnaval de la Geología nos puede echar una mano.

Aunque hace millones de años el cobre procedente de las profundidades de la Tierra dio lugar a diferentes tipos de yacimientos cerca de la superficie terrestre, actualmente la mayor parte de este elemento químico disponible aparece disperso en grandes áreas, mezclado con material mineralizado y con roca estéril, formando los yacimientos porfíricos.

Calcocita

Dentro de los compuestos que contienen cobre podemos encontrar dos grandes grupos: los minerales sulfurados, de los que se extrae el 80% del cobre actual y entre los que se encuentran la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita y los minerales oxidados, entre los que destacan la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita y de los que procede el 20% del cobre existente en la actualidad.

A pesar de que los primeros se tratan preferentemente mediante la pirometalurgia y los segundos generalmente a través de la hidrometalurgia es necesario indicar que los yacimientos de cobre contienen generalmente concentraciones muy bajas del metal por lo que muchas de las distintas fases de producción tienen por objeto la eliminación de impurezas.

¿Y para qué se puede emplear ese cobre además de las utilidades tradicionales como material para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos? Como todos ustedes saben este blog tiene como uno de sus objetivos desmontar el mal uso de la Ciencia que se hace por parte la industria alimentaria atribuyendo a ciertos componentes de sus productos falsas propiedades no demostradas científicamente… pero en el caso contrario, aquel en el que se enriquecen alimentos funcionales con un elemento químico que sí se haya demostrado que tiene consecuencias positivas para la salud de del consumidor, en Scientia también lo contamos… y además se lo transmitimos a los organizadores del Carnaval de la Nutrición.

Alimentos ricos en cobre

A pesar de que cuando ingerimos una dieta variada y equilibrada las necesidades de cobre quedan cubiertas al estar presente en alimentos como las vísceras, mariscos, frutos secos, semillas, legumbres, cereales integrales, soja y cacao, el Reglamento 432/2012 de la UE permite que un alimento que contenga cobre en su formulación en determinadas concentraciones, pueda publicitar que contribuye a conseguir los siguientes objetivos, cosa que debería tener muy en cuenta la industria de los alimentos funcionales:

• Mantenimiento del tejido conectivo en condiciones normales.
• Metabolismo energético normal.
• Funcionamiento normal del sistema nervioso.
• Pigmentación normal del cabello.
• Transporte normal de hierro en el organismo.
• Pigmentación normal de la piel.
• Funcionamiento normal del sistema inmunitario.
• Protección de las células frente al daño oxidativo.

Pero la presencia de cobre en un alimento no siempre es todo lo beneficiosa que pueda parecer tras lo descrito anteriormente, sobre todo si se encuentra en el centro activo de alguna enzima responsable del deterioro organoléptico de algunos alimentos…  y para explicarnos esto deberían entrar en escena tanto el Carnaval de la Biología como el Carnaval de la Química.

Reacción de pardeamiento enzimático

Uno de los principales problemas de la industria alimentaria es la rápida degradación del color de determinadas frutas y verduras a la hora de su procesado para la elaboración de distintos productos como zumos, néctares, etc. La principal reacción bioquímica responsable del oscurecimiento de zumos de frutas se conoce como pardeamiento enzimático. Esta reacción es llevada a cabo, en sus dos primeras etapas, por una enzima llamada polifenoloxidasa (también conocida por catecol oxidasa) que se encuentra generalmente en los cloroplastos de las células vegetales y que, a través de dos pasos, convierte los monofenoles presentes en las vacuolas de dichas células en difenoles y, posteriormente, oxida estos difenoles a ortoquinonas. Finalmente, y a través de una reacción química, estas quinonas se convierten en esas manchas oscuras (melaninas) que todos hemos visto en diversos tipos de alimentos.

Pues bien… ¿saben ustedes cuál es el metal que se encuentra en el centro activo de la enzima polifenoloxidasa y que desempeña un papel fundamental en su actividad catalítica? Sí, el que están imaginando, mi amigo el cobre.

La característica estructural más importante de estas enzimas es la presencia en su centro activo de dos átomos de cobre, unidos cada uno de ellos a tres histidinas, que se han conservado a lo largo de la evolución en todas las enzimas de este tipo, desde las bacterias al hombre. En su entorno se sitúan una serie de aminoácidos hidrofóbicos, con anillos aromáticos, que también son importantes en su actividad, para la unión de los sustratos.

Centro activo de polifenoloxidasa

Debido a lo expuesto es fácilmente entendible que uno de los objetivos de la industria alimentaria sea evitar las reacciones de pardeamiento enzimático para evitar el rechazo sensorial por parte de los consumidores. A pesar de que las estrategias más empleadas hasta el momento para alcanzar dicho objetivo han sido el empleo de sulfitos o la inactivación térmica, la posible toxicidad de dichos agentes químicos o la desnaturalización de compuestos termosensibles ha llevado al sector alimenticio a buscar nuevas alternativas… como el proceso físico-químico de la encapsulación molecular mediante el uso de ciclodextrinas, donde los procesos físicos de liberación controlada o “release”, y por tanto el Carnaval de Física tienen mucho que decir…veamos.

Ácido cafeico

Según la bibliografía los principales sustratos de la enzima polifenoloxidasa (y de sus valiosos átomos de cobre) presentes en uno de los más susceptibles de la reacción de pardeamiento enzimático, la manzana, son polifenoles como el ácido clorogénico, ácido cafeico, catequina, epicatequina o la quercitina. Cuando la manzana sufre el proceso de licuación para elaborar el zumo estos polifenoles entran en contacto con la enzima polifenoloxidasa (que recordemos tiene cobre en su centro activo) y se dispara la reacción de pardeamiento enzimático…. ¿Y cómo puedo evitar el oscurecimiento prematuro de dicho zumo de manzana?

Observando la estructura química de los polifenoles presentes en dicha fruta se puede apreciar que al elaborar un zumo de manzana la porción hidrofóbica es susceptible de ser introducida en la cavidad interna de unas moléculas llamadas ciclodextrinas (agentes encapsulantes formados por varias unidades de glucosa y que describí en el post “La reina de la encapsulación molecular”) de forma que al ser atrapados dichos polifenoles en el interior de las ciclodextrinas el pardeamiento enzimático de dicho zumo se ve ralentizado ya que la enzima polifenoloxidasa no tiene acceso a ellos provocando que el color original del jugo de manzana se mantenga más tiempo.

Sin embargo, el estudio físico-químico tanto de naturaleza cualitativa como cuantitativa del proceso de encapsulación molecular de los fenoles presentes en el zumo de manzana por ciclodextrinas no es nada sencillo ya que varios son los modelos matemáticos a los cuales dicho proceso puede ajustarse por lo que es necesario encontrar el óptimo… para lo cual necesitaremos que el Carnaval de Matemáticas nos eche una mano como ya hicimos en un anterior post con el proceso de encapsulación de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA).

Si en aquella ocasión un estudio fluorimétrico llevado a cabo en nuestros laboratorios mostró que el modelo matemático que mejor reflejaba el proceso de interacción entre los PUFA y las ciclodextrinas era aquel en el que una molécula de ácido graso era encapsulado por dos moléculas de ciclodextrina (modelo 1:2), en esta ocasión un estudio colorimétrico basado en el espacio CIELab titulado “Kinetic model of apple juice enzymatic browning in the presence of cyclodextrins: The use of maltosyl-b-cyclodextrin as secondary antioxidant“ y publicado en la revista Food Chemistry por nuestro grupo de investigación demostró que la relación entre las ciclodextrinas y los sustratos polifenólicos de la polifenoloxidasa de manzana siguen un modelo matemático 1:1.

Ciclodextrina atrapando molécula huésped según modelo 1:1

Los resultados obtenidos gracias al ajuste al modelo matemático 1:1 de los datos experimentales correspondientes a las variaciones con el tiempo del color de un zumo de manzana en presencia y en ausencia de ciclodextrinas nos permiten calcular las constantes de encapsulación de los sustratos polifenólicos presentes en la manzana en el interior de las ciclodextrinas. Con ello podemos  diseñar un zumo de manzana en el cual el pardeamiento enzimático se retrasase considerablemente… pero existiría un segundo problema que la encapsulación molecular por ciclodextrinas no es capaz de resolver.

El uso de estos agentes encapsulantes no afecta directamente a la enzima polifenoloxidasa sino a los sustratos de la reacción de pardeamiento enzimático llevada a cabo por este enzima, los cuales como hemos indicado son introducidos parcialmente en la cavidad interna de las ciclodextrinas. Sin embargo, el proceso físico de liberación controlada o “release” provoca que dichos fenoles vayan siendo liberados al medio de reacción poco a poco y conforme ocurre esto van siendo oxidados por la enzima libre en el zumo de manzana por lo que la reacción no es inhibida totalmente y lo único que se consigue es retrasar el pardeamiento… pero tarde o temprano el oscurecimiento desafortunadamente ocurre debido, entre otras cosas, a la capacidad catalítica del cobre presente en el centro activo de la polifenoloxidasa. ¿Podemos resolver este problema? Sí.

Efecto de la adición de distintas concentraciones de maltosyl-B-CD sobre ΔE* del zumo de manzana a 25ºC. no maltosy-B-CD (●); 30 mM (○), 60 mM (■) and 90 mM (□). Ajuste llevado a cabo según el modelo matemático 1:1.

La biotecnología, una de las “nuevas” tecnologías más esperanzadoras en el campo de la alimentación, acaba de solucionar este inconveniente gracias a la inversión en investigación, desarrollo e innovación de una empresa canadiense y nos van a permitir introducir el octavo Carnaval, el de la Tecnología, para finalizar este post.

Hace unos días la compañía Kananga Specialty Fruits, tras más de 10 años de investigación, formalizó la petición dirigida al Departamento de Agricultura de EEUU (U.S. Department of Agriculture, USDA) para poder introducir en el mercado su más novedoso producto, unas manzanas que no sufren oxidación una vez cortadas.

Manzana oxidada

La empresa canadiense, centrada en el campo de la investigación biotecnológica hortofrutícola, ha desarrollado las Arctic Apples, manzanas de las variedades Granny Smith y Golden Delicious en las que se ha producido una modificación genética que afecta a los genes responsables de la expresión de nuestra querida enzima polifenoloxidasa y que da lugar a una significativa reducción en la actividad enzimática de la polifenoloxidasa… lo que se traduce en que estas manzanas transgénicas no se pardean tan fácilmente siendo más resistentes, menos susceptibles de sufrir daños por ligeros golpes y, por tanto, más fáciles de transportar y manipular sin que se oscurezcan tan rápidamente como las manzanas tradicionales. Por otra parte estas manzanas transgénicas podrán ser almacenadas más tiempo en los hogares de los consumidores sin que aparezca el típico rechazo al oscurecerse en pocos días y, en el caso de emplearse para elaborar zumos, estos no se oscurecen.

Claro que, como era de esperar, ya han aparecido dos grandes grupos que se están oponiendo a la comercialización de estas manzanas transgénicas. Por un lado se han quejado las asociaciones de productores, encabezadas por la U.S. Apple Association que cuestionan no ya la seguridad del producto, sino la “imagen” de la manzana como alimento saludable y natural. Por otra parte se han levantado en pie de guerra las principales asociaciones ecologistas que critican las “peligrosísimas consecuencias” de las modificaciones genéticas llevadas a cabo sobre la expresión de la actividad enzimática de la polifenoloxidasa… se ve que tanto las asociaciones de productores como los grupos ecologistas también son expertos en este campo de la investigación biotecnológica.

¿En cuál de estos dos cortes de manzana la actividad polifenoloxidasa es mayor?

Resumiendo. El cobre, uno de los elementos químicos que más importancia ha tenido a lo largo de la historia en muchas civilizaciones y que podemos extraer de minerales sulfurados y/o oxidados a través de la pirometalurgia y la hidrometalurgia, tiene un doble efecto en la alimentación humana. Por una parte el enriquecimiento de productos alimenticios con este metal da lugar a diferentes propiedades beneficiosas sobre la salud humana pero, por otra, el hecho de que forme parte del centro activo de la enzima polifenoloxidasa provoca el deterioro organoléptico de diversos alimentos. Este hecho, basado en una reacción de pardeamiento enzimático, puede ser ralentizado mediante el uso de un proceso físico-químico de encapsulación molecular siguiendo un modelo matemático 1:1 y eliminado prácticamente en su totalidad través del diseño biotecnológico de manzanas modificadas genéticamente.

Estimados lectores, la Ciencia del siglo XXI es absolutamente multidisciplinar… y en Scientia tienen cabida todas las ramas de la Ciencia. En este post hemos demostrado que ocho disciplinas como la química, la biología, la física, la geología, las matemáticas, la nutrición, las nuevas tecnologías y hasta las humanidades están tan íntimamente relacionadas que pueden estar presentes en un solo post.

Queridos César y Francis, en este post os he dejado mi respuesta al reto de los siete posts y he subido la apuesta al octavo. Un humilde murciano espera que esta vez sí paguéis vuestras deudas así que os mando mi más afectuoso saludo y, para que no se enfaden en vuestra tierra, os dejo con este vídeo…por malagueñas.

Jose

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Nota 1: Si te ha gustado este post puedes apoyar al blog votándolo en los Premios Bitácoras 2012 pinchando en el siguiente icono. Gracias.

Nota 2 : Este post participa en los siguientes Carnavales de la blogosfera:

1) XVIII Edición del Carnaval de Química que se celebra en el blog “XDCiencia”.

2) XVII Edición del Carnaval de la Biología que se celebra en el blog “Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión”.

3) XXXV Edición del Carnaval de la Física que se celebra en el blog “Últimas noticias del cosmos”.

4) II Edición del Carnaval de la Nutrición que se celebra en el blog “Dime qué comes”.

5) 3.1415926 Carnaval de las Matemáticas que se celebra en el blog “Series divergentes”.

6) II Edición del Carnaval de las Humanidades que aun no tiene blog que lo albergue… pero que se celebrará en Noviembre.

7) Edición del Carnaval de la Geología… Se clausuró ya que que no sobrevivió a una lluvia de meteoritos.

8) Edición del Carnaval de la Tecnología… Se clausuró ya que que no sobrevivió a una descarga eléctrica.