lunes, 2 de octubre de 2017

La química de los colores del otoño

Ahora que ya estamos en otoño, empezamos a ver por nuestras calles hojas caídas de los árboles. En sus copas aún se mantienen las hojas verdes, pero las que empiezan a amarillear o están ya de color marrón, rojo o anaranjado caen, mediante un zigzagueante bamboleo que las deposita suavemente en el suelo, donde se forma una preciosa alfombra multicolor. Las que no caen quedan en las copas, formando un paisaje espectacularmente colorido. ¿Pero a qué se debe esta cantidad de colores tan diferentes que presentan las hojas de los árboles en esta época? Vamos a hablar en este artículo de la química que hay detrás de los bellos colores del otoño.

Hojas de otoño. Fuente


El otoño astronómico comenzó el pasado 22 de septiembre, exactamente a las 22:02 horas, y ya vamos notando sus efectos, y el acortamiento de las horas de luz durante el día es uno de ellos. Esto supone que las plantas, que dependen de la luz para llevar a cabo la fabricación de materia orgánica mediante la fotosíntesis deben adaptarse a esta nueva situación. De esta manera comienzan a prepararse para los rigores del invierno que sucederá a esta estación que recién hemos comenzado. No vemos las reacciones químicas del metabolismo interno de las células vegetales que conforman las plantas, pero si vemos lo que estos cambios producen en el exterior. Y las hojas son los mejores indicadores para visualizar estos cambios internos.

Colores de otoño. Fuente

¿Pero que moléculas son las responsables de esos colores de las hojas? Vamos a dar un repaso químico a los responsables del otoño, la clorofila, que es la que más nos suena, y otros compuestos un poco menos conocidos.

#1. Clorofila.

La clorofila es el pigmento que le da el característico color verde a las plantas y se encarga de absorber la luz necesaria para realizar la fotosíntesis, el proceso que transforma la energía luminosa del sol en energía química en forma de compuestos orgánicos. La clorofila absorbe sobre todo la luz roja, violeta y azul, y refleja la verde, de ahí que veamos de este color a las partes de los vegetales donde se realiza la fotosíntesis, puesto que las células de estas zonas están cargadas de cloroplastos, los orgánulos que contienen a la clorofila en su interior. En otoño, lo que ocurre es que la clorofila de las hojas se descompone, y ocupan su lugar otros pigmentos. Esto se debe a que al haber menos horas de luz, y también menos calor, la actividad de la vegetación se va ralentizando, y así empieza a cambiar el colorido de los paisajes de otoño.

Clorofila en el interior de los cloroplastos de células vegetales. Fuente

La clorofíla es una molécula de tamaño grande y está formada en su mayor parte por carbono e hidrógeno. El centro de la molécula está ocupado por un átomo de magnesio rodeado por un grupo de átomos que contienen nitrógeno, llamado anillo de porfirinas. La estructura es muy similar a la de la hemoglobina de la sangre, pero con magnesio en vez de hierro en su centro. De este núcleo central parte una larga cadena de átomos de carbono e hidrógeno que une la molécula de clorofila a la membrana interna de los cloroplastos, que como hemos dicho son los orgánulos de las células vegetales donde tiene lugar la fotosíntesis. El funcionamiento de las clorofilas se basa en que cuando una de estas moléculas absorbe luz, sus electrones se excitan y saltan a un nivel de energía superior, lo que inicia una compleja serie de reacciones que terminan por transformar al dióxido de carbono y al agua, en una molécula de glucosa, que almacena energía química en sus enlaces.

Espectro de absorción de las clorofilas. Fuente

La palabra clorofila viene del griego χλωρός, chloros, que significa verde, y φύλλον, phyllon, que significa hoja. Literalmente podemos traducir la palabra como "lo verde de las hojas", es decir, el pigmento verde de las hojas. Por semejanza podríamos pensar que la palabra deriva del griego φιλíα, philia, que significa atracción o afecto, pero entonces la construcción correcta de la palabra en castellano sería clorófila, con tilde, es decir que atrae lo verde, pero ni es el caso, ni es lo correcto, puesto que la clorofila no atrae ni absorbe el verde, sino que lo refleja. El nombre se lo pusieron los químicos franceses Pelletier y Caventou,  en 1817,  cuando consiguieron separar la sustancia que daba color verde a las hojas usando disolventes para blanquearlas. Cuando encontraron la molécula, le pusieron el nombre en francés, Chlorophylle, y de ahí se extendió a los demás idiomas.

Estructura de la clorofila. Fuente

Existen varios tipos de clorofilas que se diferencian en pequeños detalles de su estructura molecular y que absorben diferentes tipos de luz, es decir, longitudes de onda luminosas distintas. Las principales son:

- La clorofila a, que se encuentra en el centro activo de los llamados fotosistemas, en los cloroplastos, y varían de otras clorofilas en un grupo funcional que en este caso es un grupo metilo (CH3). Es la clorofila encargada de absorber luz en la fotosíntesis en la mayoría de organismos fotosintéticos, y absorbe longitudes de onda en el entorno de la luz azul (400-500 nm), y otro en la zona roja del espectro (600-700 nm). La parte media del espectro, correspondiente a la luz verde, la reflejan. Su fórmula es C55H72O5N4Mg. 

- La clorofila b se encuentra en los cloroplastos de las algas verdes, y de algunas plantas terrestres, así como en cianobacterias y en algunos protoctistas simbiontes.  Su fórmula es C55H70O6N4Mg. El espectro de absorción es muy parecido al de la clorofila a, pero sus dos picos de absorción se encuentran más cercanos entre sí. También son responsables del color verde de los organismos que la tienen.

Diferencias entre las clorofilas a y b. Fuente

- Las clorofilas c1 y c2 son características de algunos protoctistas agrupados en el superfilo Chromista, donde se incluyen grupos tan importantes como las algas pardas, las diatomeas, las xantofíceas o las criptófitas, y también en algunas plantas. Sus fórmulas son C35H30O5N4Mg C35H28O5N4Mg, respectivamente.

- La clorofila d se ha encontrado solo puntualmente en algunos organismos, como un alga roja y una cianobacteria, ambos adaptados a explotar la luz roja. Su fórmula es C54H70O6N4Mg.

Clasificación de las clorofilas. Fuente
- La clorofila f ha sido encontrada en cianobacterias de estromatolitos de Australia. Los estromatolitos son bioconstrucciones en forma de estructuras minerales, finamente estratificadas y de morfologías diversas, originados por la producción, captura y fijación de partículas carbonatadas por parte de colonias de cianobacterias. Se forman en aguas someras, donde, mediante fotosíntesis,  las cianobacterias liberan oxígeno y captan de la atmósfera grandes cantidades de dióxido de carbono para formar carbonatos que forman los estromatolitos cuando precipitan en los fondos. Su fórmula es C55H70O6N4Mg.

El color verde de las hojas y de las plantas en general se debe a las clorofilas. Fuente

#2. Carotenoides y flavonoides.

Entre estos compuestos encontramos una gran variedad de pigmentos que normalmente están enmascarados por los altos niveles de clorofila que hay en las plantas en primavera y verano. Es decir, están presentes, pero pasan desapercibidos. En otoño, a medida que la clorofila se va degradando y va desapareciendo, empezamos a notar el cambio de color en las hojas, que pasan de verde a colores más amarillentos, anaranjados y pardos. Los colores naranja, rojizo y marrón se deben a los carotenoides, mientras que los amarillos son aportados por ambos tipos de pigmentos.

La palabra flavonoide viene del latín flavus, que significa amarillo, y es el término genérico que incluye a una serie de compuestos presentes en las plantas. La estructura básica es un esqueleto de átomos de carbono, que puede sufrir la adición de grupos funcionales distintos, lo que da como resultado que los flavonoides sean una familia de compuestos muy diversos; algunos de los tipos principales de flavonoides son las chalconas, las flavonas, los flavonoles, los flavandioles, las antocianinas, y los taninos.

Algunos colores debidos a los flavonoides. Fuente

El primer flavonoide sintetizado fue una molécula llamada chalcona, cuyo esqueleto es un anillo bencénico unido a una cadena que está unida a su vez a otro anillo bencénico. En la mayoría de los flavonoides, la cadena de reacciones que dan lugar a su formación continúa cuando se forma la molécula, por lo que la cadena carbonada que une los anillos aromáticos también se cicla por acción de una enzima, creando una flavanona. Estas moléculas tienen un máximo de absorción de luz a los 280 nm. Los flavonoides pueden unirse a moléculas de lo más diverso y cumplen varias funciones importantes en las plantas, como dar protección contra la radiación UV, aportar un sabor desagradable a la planta para evitar ser comida por animales herbívoros, regular el transporte de las hormonas vegetales, como la auxina, atraer insectos polinizadores, atraer insectos que sirvan de presa (plantas carnívoras), proteger a la planta de la acción de los hongos, y potenciar la formación de nódulos de bacterias fijadoras del nitrógeno, como Rhizobium leguminosarum.

Estructura de los flavonoides. Fuente

Los carotenoides son lípidos insaponificables, concretamente tetraterpenos del grupo de los isoprenoides. Son unos pigmentos orgánicos que se encuentran en las plantas, algas, y en algunas bacterias y hongos. Existen más de 700 compuestos diferentes que se pueden incluir en este grupo. Entre algunos de los carotenoides más notables y conocidos se incluyen la luteína, que contribuye al color amarillo de las yemas de huevo, el licopeno, que es responsable del color rojo de los tomates, y el betacaroteno, encargado de dar el característico color naranja a las zanahorias.

Betacaroteno en las zanahorias. Fuente

De hecho si nos fijamos en la etimología de la palabra carotenoide, vemos que este término acuñado en 1911, viene del latín carōt, que significa zanahoria, mas -eno que en química es un compuesto insaturado de carbono, además de -eides, que en griego quiere decir "que tiene el aspecto de". La traducción completa sería "compuesto químico insaturado de carbono que da el aspecto (color) a la zanahoria".

El betacaroteno de las zanahorias, quizás el más conocido de todos, pero otras moléculas del mismo tipo se encargam de darle el color color rosado a los flamencos, Phoenicopterus sp., y a los salmones, Salmo sp. Se trata de otro carotenoide, la astaxantina, que también es el responsable del color rojo intenso de las langostas, langostinos y gambas.

La astaxantina, un carotenoide, es responsable del agradable color del marisco. Fuente

En la fotosíntesis, los carotenoides ayudan a capturar la luz, pero también tienen una función importante al deshacerse del exceso de energía luminosa. Cuando una hoja está expuesta a pleno sol, recibe una cantidad enorme de energía; si dicha energía no se maneja adecuadamente, puede dañar la maquinaria fotosintética, por lo que los carotenoides de los cloroplastos ayudan a absorber el exceso de energía y a disiparla en forma de calor. Estos pigmentos absorben en la longitud de onda del color azul y un poco del verde, por lo que reflejan los colores rojos, anaranjados y amarillos que hemos mencionado anteriormente.

Carotenos y flavonoides son los responsables de algunos de los colores del otoño. Fuente

#3. Antocianinas.

Las antocianinas, en realidad son un tipo de flavonoides. Son pigmentos hidrosolubles que se encuentran en las vacuolas de las células vegetales y normalmente se encargan de proporcionar el color rojo intenso, magenta, púrpura o azul a hojas, flores y frutos de ciertas plantas, pero no están presentes durante todo el año. A medida que avanza el otoño, la planta va aumentando la concentración de azúcares en sus hojas en parte debido a la disminución de la exposición a la luz solar. Los llamativos colores que producen en las hojas parece que tienen que ver con la protección de estas ante la luz solar antes de su caída. Estos colores se ven afectados por los distintos niveles de acidez de la savia de la planta, lo que provoca una amplia gama de matices y tonos.

Las antocianinas son responsables de los colores de algunos frutos del bosque. Fuente

El termino antocianina fue propuesto en 1927 por el farmacéutico alemán Adolf T. Lewandoski para describir los pigmentos azules de la col lombarda, Brassica oleracea, aunque también se le atribuye al químico y farmacéutico alemán Ludwig Clamor Marquart.

Col lombarda. Fuente

Entre las funciones de las antocianinas, además de proteger a las hojas, frutos y flores de la radiación ultravioleta, se encuentra una gran capacidad antioxidante, evitando la producción y acumulación de radicales libres que terminen por dañar a la planta. En esta época otoñal, cuando la clorofila se empieza a descomponer, algunos flavonoides incoloros se ven privados del átomo de oxígeno unido a su anillo central, lo que los convierte en antocianinas, dando lugar a la aparición de los característicos colores brillantes. Esta bonita transformación química que consiste sólo en la pérdida de un átomo de oxígeno, es la responsable de gran parte de nuestra percepción de los colores del otoño. Se especula también que además de la protección contra la radiación, las antocianinas aumenten la efectividad en el transporte de nutrientes en la planta. Por ejemplo, en algunos árboles, como el arce rojo americano, Acer rubrum, o el roble escarlata, Quercus coccinea, los flavonoles, un tipo de flavonoides incoloro, es el que se convierten en antocianinas rojas tras la degradación de la clorofila.



Todo el tema de las sustancias químicas que producen las plantas y que cambian los paisajes otoñales radicalmente es fascinante, pero más interesante aún es si conocemos algunos datos más sobre este tema, como lo que nos contó recientemente Aberrón en su blog Fogonazos.

Los científicos de todo el mundo llevan mucho tiempo intrigados por el hecho de que en Europa los bosques adquieren tonos predominantemente amarillos mientras que en América y Asia el color que prevalece es el rojo. Para resolver este misterio, hace solo unos años un par de botánicos, el israelí Simcha Lev-Yadun y el finlandés Jarmo Holopainen, propusieron una interesantísima hipótesis que explicaría lo que sucede a partir de los sutiles equilibrios de la evolución.

Templo budista rodeado de rojos. Fuente

La función de protección de la que hablábamos antes, va más allá de los rayos UV del sol, y parece que estas moléculas juegan un importante papel de advertencia contra los insectos que se alimentan de las plantas. Un intenso color rojo puede indicar a insectos como los áfidos, que la hoja contiene elevadas concentraciones de sustancias tóxicas y pocos nutrientes. Los autores del estudio descubrieron que hay una larga relación evolutiva entre árboles y áfidos, dando lugar a una carrera armamentística donde las plantas iban desarrollando nuevas técnicas para defenderse de los ataques, como por ejemplo el cambio de color.

Un áfido en una planta. Fuente

La explicación de la diferencia de color entre los bosques de Europa y América, según los autores de este estudio, se remonta a hace unos 35 millones de años, periodo en el que hubo una sucesión de olas glaciales que obligaron a muchas especies a huir hacia el sur. Los árboles se incluyen entre estas especies, y poco a poco fueron desplazándose hacia regiones más al sur. En Europa esto no fue posible, debido a que las cordilleras están dispuestas de este a oeste, en vez de de norte a sur, por lo que los árboles encontraron una barrera física que hizo que se extinguieran. También lo hicieron por supuesto los áfidos con los que competían por sobrevivir, y por tanto la carrera armamentística que se siguió dando en América no fue posible en nuestro continente. Los árboles que repoblaron nuestras tierras tras las glaciaciones se encontraron menos enemigos y por lo tanto dedicaron menos esfuerzo a producir antocianinas para luchar contra ellos. De esta manera, los bosques europeos son predominantemente amarillos, mientras los del resto del mundo son rojos.

Otoño en París. Fuente

Como podemos observar, las moléculas responsables de que el otoño sea como estamos acostumbrados que sea no dejan de sorprendernos. De las antocianinas podríamos seguir diciendo que también son las responsables del color rojizo de los vinos, y que en muchos países se usan como colorantes alimentarios. En épocas pasadas se intentó, sin éxito, cultivar rosas azules, los árabes por ejemplo, lo intentaron durante mucho tiempo. Hoy podemos hacerlo. Gracias al conocimiento de la estructura de los flavonoides, y de la manipulación genética, un grupo de científicos de la compañía holandesa Florigene tuvo éxito en crear un pigmento azul en los pétalos de las rosas mediante la inclusión de un gen proveniente de la petunia, Petunia × hybrida, en las células de esas plantas, que produjo la enzima indispensable para lograr la síntesis del flavonoide delfinidina. También se le insertó un gen silenciador, para evitar que las rosas no fabriquen el pigmento rojo, la cianidina. La delfinidina La delfinidina es una antocianidina, uno de los principales pigmentos de las plantas y también un antioxidante.2 La delfinidina es la responsable del color azul de flores, como las violetas, Viola sp., y da el color rojo-azulado a algunas variedades de uvas.

Rosa azul conseguida con ingeniería genética de flavonoides. Fuente

Hemos dicho muchas veces que las explicaciones mágicas o mitológicas a lo que ocurre en nuestro mundo pueden ser bonitas, como historias, pero las explicaciones a la luz de la ciencia siempre son maravillosas. La química de los colores del otoño esconde compuestos de varios tipos que absorben y reflejan distintos rangos del espectro electromagnético, y gracias a ella se forma la colorida alfombra otoñal que nos ha traído hasta aquí. Una hecho tan simple como es el color variable de las hojas de las plantas, nos ha servido para hacer un recorrido por la botánica, la química, la física e incluso la zoología, donde todas estas ciencias, o más bien, la ciencia en general, nos ha ayudado a explicar la belleza de los colores del otoño y a conocer un poquito más sobre las clorofilas, carotenoides, flavonoides y antocianinas.


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Referencias:

- Lev‐Yadun, S., & Holopainen, J. K. (2009). Why red‐dominated autumn leaves in America and yellow‐dominated autumn leaves in Northern Europe?. New Phytologist, 183(3), 506-512.

http://www.fogonazos.es/2017/09/las-fascinantes-guerras-quimicas-del.html
https://santarosapapelbanano.wordpress.com
https://eljardindemendel.wordpress.com/2016/09/12/el-otono-o-el-pantone-de-los-bosques/
https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll
http://www.elalmanaque.com/Ecologia/clorofila.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Flavonoid
https://en.wikipedia.org/wiki/Carotenoid
http://almez.pntic.mec.es/~jrem0000/dpbg/Fotosintesis/clorofila_y_pigmentos_accesorios.html
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2009.02904.x/full
http://www.compoundchem.com/2014/09/11/autumnleaves/
http://www.microsiervos.com/archivo/ecologia/color-otono.html
- Revista Principia. Temporada 1 / Episodio 2.
https://www.bbvaopenmind.com/por-que-el-otono-es-amarillo-en-europa-y-rojo-en-norteamerica/

3 comentarios:

Jesús Gil-Muñoz , Ph.D. dijo...

¡Hola Carlos! En primer lugar, felicidades por el post. Me encanta, es de los que me fascinan, mezclando Química y Biología a partes iguales. Me gustaría solo hacer un pequeño apunte: en el caso de los langostinos, gambas y demás, el responsable del color es la astaxantina (otro carotenoide) y no el B-caroteno en concreto. De los demás bichos no lo sé, pero de este lo investigué en su momento, jeje ===> http://radicalbarbatilo.blogspot.com.es/2015/12/por-que-cambia-el-color-de-los.html

Un abrazo!!!

Carlos Lobato dijo...

Hola Jesús. Muchas gracias por tu comentario. Ahora mismo corrijo el apunte que me haces, me emocioné más de la cuenta con el betacaroteno... ;)

Un abrazo. :)

Jesús Gil-Muñoz , Ph.D. dijo...

Es que es pa emocionarse con el betacaroteno, jaja.
Un abrazo!

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