Trabajo de Las Feromonas

Departamento de Química Orgánica Facultad de Ciencias Químicas Universidad de Concepción

Química de la comunicación Descripción de las feromonas su clasificación y aplicaciones

Nombre Curso Profesor(a) Fecha entrega

: Omar Alvarado C. : Química Orgánica III : Maria Parra : 24/11/08

Introducción

Los mensajes entre individuos de la misma especie, para su comunicación, pueden ser no solo a través de sonidos, movimientos o colores, lo que provoca que sean a corta y mediana distancia entre los individuos en comunicación, sino que se pueden dar a través de grandes distancias, trasportadas por el aire y con respuestas tan variadas y significativas que dichos mensajes son capaces de cambiar conductas y comportamientos, tanto físicas como hormonales. Estos mensajes son causa de las feromonas, las cuáles son compuestos químicos volátiles, secretados en su mayoría por insectos, pero también en mamíferos, donde en los primeros, el uso de las feromonas se utiliza principalmente en la eliminación de plagas, las cuáles afectan a los cultivos de una gama importante de recursos agrícolas; entre los que se encuentra el ataque de la polilla de la papa phthorimeae opercolella (Zeller) lepidoptera Gele, para la que se verificará el efecto de las feromonas sexuales atrayentes de la hembra, de la especie, para su eliminación y detención de las plantaciones del tubérculo solanum tuberosum, ubicadas en las regiones de Coquimbo y la Serena del norte de Chile, donde también se encuentra el caso del picudo mayate prieto el cual es el causante del amarillamiento letal del cocotero ryncho pherus palmerum y de la palmera aceitera elaeras guinousis en Mexico, para cuya plaga tambien se tratara con feromonas, pero del tipo de agregación. En cuanto a los humanos se ha descubierto que las feromonas poseen efectos hormonales de importancia, principalmente en las mujeres donde se dará introducción e información a un tema de estudio contemporáneo en el cual se han demostrado que feromonas despedidas en los periodos de ovulación de una mujer puede afectar y regular el ciclo menstrual en otras mujeres sincronizándose entre grupos de mujeres que pasan en contacto demasiado tiempo.

Abordando el tema de la forma más general, pero a la vez más concisa, lo primero es decir que son las feromonas, así el término feromona se puede definir como: sustancias químicas secretadas y liberadas en el ambiente por cada individuo, y percibidas mediante instrumentos receptores como el olfato, quimiorreceptores como antenas o en algunos casos de formal oral, por integrantes de la misma especie provocando cambios en su comportamiento reflejándose en llamados y cambios posiciónales de migración y ubicación, además de estados de excitación tanto de alertas de peligros o para época de apareamiento en cuyos casos la feromona sirve para la distinción de sexos entre la especie. Es así como gramaticalmente feromona es la asociación de dos raíces griegas “pherein” (transportar) y “horman” (excitación). (1), (2), (3). Históricamente la existencia de las feromonas se ha conocido por siglos y aparentemente se origino en observaciones de picaduras masivas de abejas en respuesta a productos químicos liberados por la picadura de una sola abeja. Posteriormente y en tiempo mas exacto el termino feromona fue definido y asilado por primera vez por Karlson y Lusher en 1959, tras un trabajo de mas de 20 años, ambos científicos alemanes, donde la feromona aislada fue la de la mariposa del gusano de seda, bómbix morí, la cual corresponde al (10E, 12Z)-hexadeca-10 , 12-dien-1-ol llamado comúnmente bombykol (3), (4), (7).

Figura nº 1 molécula de bomykol (4)

Figura nº 2 imagen de la mariposa Del gusano de seda, bómbix morí (5)

Por lo tanto las feromonas son un medio de señales cuyas principales ventajas son el gran alcance y la evitación de obstáculos, puesto que son arrastradas por el aire. Referente a esto y a la gran gama de especies existentes en nuestro mundo sobre todo de insectos es completamente necesario contestar las interrogantes ¿cuales son los tipos de clasificaciones de las feromonas y en que consisten sus funciones? (3) Para ello se procederá a dar la clasificación de las feromonas las cuales en forma general se pueden encontrar en 5 grandes divisiones (3).

- Feromonas de alarma: utilizadas para propagar el mensaje de ataques o invasión sobre el peligro de predadores para la especie atacada (3).

- Feromonas territoriales: son feromonas de limitantes de espacio y territorios para especies determinadas (3).

- Feromonas de agregación y congregación: tambien conocidas como feromonas de pista, se utilizan para agregar a otros miembros de la misma especie a fuentes alimenticias encontradas o lugares aptos para anidar colonias (3), (6).

- Feromonas disuadoras: son sustancias químicas que ayudan a insectos de la misma especie a inhibir su comportamiento de aproximación a ciertos objetos (6).

- Feromonas sexuales: emitidas en casi su totalidad por la hembra en el caso de los insectos, tiene por objetivo la atracción del macho para el apareamiento. Es así como este tipo de feromonas son mezclas de dos o mas compuestos químicos dados en cantidades estequiometricas especificas. Se generan en la parte ventril del abdomen. (3), (6). Estas ultimas son las de mayor importancia para el ser humano, ya que por sus propiedades atractivas este tipo de feromonas se utiliza en el área fitosanitaria, en el control agrícola de plagas, es decir, son utilizadas para controlar plagas de insectos que provocan daños en las cosechas, al dejar larvas que se alimentan de las hojas, de los brotes de las plantas o de los mismos frutos. (3) (6). Así si se conoce la estructura química de la feromona sexual de la plaga, esta puede aislarse o sintetizarse para luego colocarse en trampas, lo cual reemplaza directamente a la utilización de insecticidas en las cosechas. (3). Este reemplazo posee muchos beneficios, donde la posibilidad de la disminución de los insecticidas frente al uso de las feromonas proporcionan:

- Son totalmente biodegradables y no contaminen el ambiente. (3) - Se necesitan solo pequeñas cantidades al utilizarlos. (3) - Son totalmente específicos para cada especie, por lo que hay un control de la población capturada, evitando matar otros insectos, favoreciendo así el equilibrio ecológico. (3) Para la eliminación de las plagas de insectos se utilizan trampas atrayentes a base de feromonas sexuales, así las trampas mas comunes y utilizadas son las trampas delta, las cuales consisten en una inserción pegajosa dentro de una estructura triangular fabricada de un material de larga duración y resistente al agua, donde el cebo de feromonas se coloca enzima de la inserción pegajosa, con esto se puede contar la cantidad de machos atrapados para así

determinar la densidad de la plaga. Tambien existen otros tipos de formas de trampas que funcionan de la misma manera.

Figura nº 3 trampa de feromona (8) Delta utilizado en la captura de insectos

Figura nº4 diversos tipos de trampas de feromonas (6)

Para ver de forma detallada el importante valor que llegan a cumplir las feromonas, se hará la descripción de dos métodos de la utilización de las feromonas sexuales en el control de plagas de insectos. En el primer caso se tratara de demostrar la eficacia de las feromonas sexuales sobre la captura de machos de la polilla de la papa phthorimeae operculella (Zeller) (lepidóptera Gelechiidae) para la protección en plantaciones de papa. Así la polilla de la papa correspondiente al tubérculo solanum tuberosum, es una plaga que afecta a la hoja de la planta, ya que la larva de esta polilla se desarrolla sobre la hoja, comiéndosela y dejándola con un aspecto de quemadura, también se desarrolla bajo tierra, en el tubérculo de la planta, causando pérdidas en las cosechas y por ende en su comercialización, ya que estos dos ataques que sufre la planta logran debilitarla y posteriormente matarla. Este comportamiento se da con mayor frecuencia e intensidad en zonas calidas y secas. (9)

Figura nº 5: planta y el tubérculo (solanum tuberosum) y la polilla de la papa Phthorimeae operculella (Zeller) (lepidóptera Gelechiidae). (11)(12)

a través de las feromonas sexuales de la polilla de la papa se creo una mezcla formada por los compuestos trans-4.cis-7-tridecadienil-1-ol-acetato y trans-4,cis-7,cis-10-tridecatrienil-1-olacetato, debido a que esta mezcla es mucho mas atractiva que utilizar los compuestos por separado, afirmación que fue comprobada por estudios realizados con anterioridad donde la mezcla aparte de su poder atrayente tubo un gran periodo de duración el cual fue alrededor de noventa días.(9) Así el objetivo es la captura de los machos de la polilla de la papa, para lo que se evaluó el efecto de las diferentes dosis de la mezcla, las cuales se ubicaban en las trampas de feromonas, las que contiene dos litros de agua y 0.6 % de detergente, para la ruptura de tensión superficial del agua y así provocar el ahogamiento de los machos, en cuanto a la mezcla esta fue colocada en dispensadores de caucho por encima de estas trampas de agua, las que fueron ubicadas a distancias de 50 metros entre ellas. Debido a que a distancias muy lejanas el efecto atrayente se puede perder y dejar zonas sin efecto, y a distancias muy cercanas se puede provocar confusión al macho de la polilla. (9) Estos estudios se realizaron en dos localidades ubicadas en las regiones de Coquimbo y la Serena en parcelas de aproximadamente 5 hectáreas y se utilizaron dosis de la mezcla en proporción 1:1.5, de los compuestos de trans-4.cis-7-tridecadienil-acetato y trans-4,cis-7,cis10-tridecatrienil-acetato respectivamente, lo que es muy característico en la composición de las feromonas sexuales. Las cantidades utilizadas en las distintas trampas fueron de 0.2 mg; 0.5mg; 1.2 mg y 5 mg en la parcela de Coquimbo y 0.05 mg; 0.1 mg; 0.2 mg; y 5 mg en la serena. (9) (7). Las trampas se instalaron desde el 10 de febrero del 2004 hasta el 14 de febrero del mismo año en Coquimbo y en la serena desde el 29 de noviembre hasta el 20 diciembre del mismo año efectuando 4 extracciones de las trampas durante esas fechas en ambas regiones. Los resultados arrogaron que las dosis mas efectivas en la captura de machos fueron las de 0.2 mg y 0.5 mg para ambas localidades. (9) Los resultados se presentan en las tablas y figuras nº 1 y 2.

Tabla nº 1: Promedio diario de capturas de Phthorimaea operculella machos en la región de Coquimbo. (9)

Figura nº 6: distribución de las capturas en la región de Coquimbo (9)

Tabla nº 2: Promedio diario de capturas de Phthorimaea operculella machos en la región de Serena .

(9).

Figura nº 7: distribución de las capturas en la región de Serena (9)

Que las cantidades de 0.2 y 0.5 mg sean las adecuadas para la mayor captura de machos de la polilla de la papa, se debe a que la reducción de las capturas para las dosis más bajas que 0.2 mg en las condiciones de las regiones en que se realiza el trabajo, es decir, altas radiaciones y condiciones de temperaturas, las que volatilizan las muestras, cambio paras las dosis mas altas su poca eficacia se debe a que las altas concentraciones pueden confundir a los machos de la P. operculella. Así debido a que valores de 0.2 mg y 0.5 mg son cantidades bajas en comparación a la utilización de insecticidas, hay una reducción del costo monetario al trabajar con la mezcla de las feromonas sexuales, en comparación a la dosis de 1 mg de insecticida empleada tradicionalmente. (9) El otro ejemplo del uso de feromonas, para la eliminación de plagas de insectos corresponde al uso de feromonas de agregación para la prevención del amarillamiento letal del cocotero (ALC), esta enfermedad daña mortalmente a los cocoteros o palmes (palmeras) de coco, causándole la caída de sus frutos, necrosis de la inflorescencias, amarillamiento y caída total de las hojas, esta enfermedad dura entre tres y cuatro meses y es originada por el picudo o Mayate Prieto del cocotero Rhyncho phorus palmarum, el cual además ataca a la palmera aceitera Elaeias guinosis, esto se da en las regiones de México donde la marca característica de la enfermedad es un anillo rojo en el tronco. (12)

Figura nº 8 fotografía del el picudo o Mayate (12) Prieto del cocotero Rhyncho phorus palmarum

Figura nº 9 fotografía de la palmera Elaeias guinosis. (12)

El macho del picudo del cocotero se comunica con miembros de su especie tanto machos como hembras a través de la feromona de agregación (E)-6-metil-2-hepten-4-ol, lo cual es característico de una feromona de agregación donde están formadas por un solo compuesto, además esta feromona tiene una vida de anaquel de aproximadamente un año a 0 º C y en oscuridad. (12)

Figura nº 10 feromona (E)-6-metil-2-hepten-4-o.l (12)

Es así como esta feromona junto con un trayente alimenticio son utilizadas para la formación de trampas para la captura de machos y hembras del picudo, dicha trampa de feromona s combinada con un insecticida, el Lannate (metomil al 95 %), los cuales trabajan en conjunto. Así la trampa consiste en una cubeta amarilla provista de una charola con agujeros en el fondo para su drenacion, dentro de la cubeta se ponen plátanos o cocos partidos y sobre esto se colocan dos gramos de insecticidas. Posteriormente se cubre con una malla y por ultimo se coloca una bolsa “liberadora” que contiene a la feromona. La ubicación de la trampa se efectúa en árboles que no tengan frutos de plátanos o palmeras de cocos o en estructuras simples en forma de portería y su distribución es de una cuatro o cinco trampas por cada dos hectáreas.(12)

Figuras nº 11 y 12 correspondientes a los materiales de la trampa del picudo y de su modo de ubicación con respecto al cocotero. (12).

En cuanto a las feromonas de los mamíferos están pueden ser secretadas por glándulas salivales y sudoríparas además de encontrarse en la heces y en la orina de estos. En comparación a los insectos las feromonas de los mamíferos no son tan extensamente conocidas ni mucho menos asiladas y sonetizadas, debido a que a medida que el tamaño del mamífero crece se convierte en un objetivo de análisis muchos mas complejo. Para los mamíferos en la mayoría de las especies si se ha comprobado que la existencia de las feromonas sirve para la identificación del sexo, así por ejemplo el venado almizclero macho de su glándula abdominal secreta la feromona muscona, la cual es característica de su especie y de su sexo, a modo de aplicación este feromona se utiliza a gran escala en la industria a de la perfumería.

Figura nº 13 molécula de la Feromona muscona (13)

Figura nº 14 venado almizclero macho

E cuanto a los humanos pero principalmente las mujeres se ha comprobado la existencia de feromonas. Sin una estructura química ideada estas feromonas provenientes del sudor de las mujeres durante ciertos días de sus periodos menstruales pueden provocar “una regulación social de la ovulación”, lo cual consiste en la regulación y homogenización del ciclo menstrual en mujeres que conviven juntas tiempos prolongados durante sus vidas. (14) (15) (16) (17). Principalmente esto consiste en dos efectos que influyen directamente sobre la hormona Leutinizante o LH la cual es la hormona responsable de la ovulación.

Figura nº 15: grafica del periodo de ovulación con respecto a la concentración de LH

Así durante la fase folicular, es decir en los días antes de la ovulación (entre los días 10-13), las mujeres producen feromonas que acortan el ciclo ovárico de las demás mujeres, lo cual se debe al crecimiento de la concentración de la hormona Leutinizante, y por otro lado las feromonas producidas justo en el periodo de ovulación y días posteriores tienen el efecto contrario, es decir, alarga el ciclo menstrual de las demás mujeres, lo cual se debe al decaimiento de la hormona LH. (14) (15) (16) (17). Esto fue descubierto por la psicóloga Martha Mc Clintonck, la cual trabajo en esto durante 27 años y realizo una investigación en la cual se dio cuenta que durante los cuatro primeros meses comunidades de mujeres que vivan juntas o convivían largos periodos del día juntas presentaban la regulación en su ciclo menstrual. Dichas investigaciones se han confirmado con otros estudios, como los realizados por un centro de investigación en California, en donde se tomo sudor axilar de una mujer “alfa” y durante 5 meses y 3 veces a la semana colocaban dicho sudor en un algodón para luego colocarlo en el labio superior de 5 mujeres donde 4 de ellas terminaron por tener el mismo periodo de menstruación que el de la mujer alfa. (14) (15) (16) (17).

Para muestras volátiles como las feromonas el proceso de extracción se efectúa mediante la extracción por solventes, a través de la disección de las glándulas productoras y de la colección en vivo, en donde para este ultimo se utiliza el metodo de Aireado de una cámara.

El tubo A es un tubo humidificado donde esta presente un gas inerte, en el tubo D se encuentra aire limpio y en la boquilla G se encuentran absorbentes en un tubo de vidrio donde la muestra se toma de forma on-linne, así posteriormente los compuestos se someten a extracción de adsorbentes con solventes.(6) Tomando de forma general, el proceso de análisis de una feromona comienza con:

-

Localización de la fuente del estimulo químico La extracción de los compuestos actuales Aislamiento Identificación

Estas etapas se realizan a partir de la extracción del compuesto del individuo. A nivel de laboratorio y de forma posterior se desarrolla:

-

La síntesis de los compuestos activos Comprobación de la actividad: bioensayos Formación del compuesto Evaluación de ensayo en campo (evaluación de trampas de feromonas en cultivos).

Los métodos de comprobación de estimulo en el laboratorio se llevan a cabo a través de bioensayos con insectos vivos, utilizando el empleo de instrumentos como el túnel de viento y del olfactómetro, pero también se pueden comprobar a través del electroanteograma que no necesita a la especie viva.(6) Más abajo se presenta un esquema de túnel de viento, para el análisis de componentes feromonales de insectos, el cual consiste en el registro el vuelo de los insectos machos dentro del túnel de viento hacia la fuente de feromonas, en condiciones controladas de luz y temperatura.(18) (20)

Figura nº 16: esquema del instrumento de túnel de viento. (18)

Figura nº 17 Olfactometro Instrumento empleado para medir la sensibilidad de la percepción olfativa (18).

Figura nº 18 Electroanteograma

En donde el electroanteograma permite evaluar la despolarización creada en los receptores antenales frente a vapores de un estímulo externo. (20)

Para la síntesis de feromonas los caminos a seguir pueden ser muchos al igual que sus pasos y van a depender de la molécula final a sintetizar correspondiente a la feromona buscada pero hace muy pocos años se ha realizado una innovación muy importante en la síntesis de feromonas y que además sirve en la producción de otros compuestos importante en áreas de

la medicina. Así en la escuela de Química de la Universidad de Costa Rica, por parte del Dr. Jorge Cabezas Pizarro se llevo a cabo la síntesis del 1,3-dilitiopropino al ocuparse como producto de partida en la síntesis de alcoholes homopropargílicos (precursores sintéticos de agente antitumorales), δ -hexenóidos (precursores de antibióticos), 1,5 diinos (precursores de feromonas de insectos) y eninos aromáticos (precursores de antitumorales y antibióticos). Este disminuye en una cantidad considerable la cantidad de pasos a seguir para la obtención de los productos además de otorgarles a estos últimos mayores porcentajes de rendimiento de los ya conocidos. Así en forma posterior pero siguiendo el trabajo ya presentado se ha desarrollado un nuevo metodo para la preparación de 1.5-diinos lineales a partir del 1,3-dilitiopropino con halogenuros propargílicos (Dr. Albán Roberto Pereira Badilla) donde con el propósito de mostrar la importancia de los 1,5-diinos preparados, se empleó el 1,5-undecadiino como precursor en la novedosa ruta de síntesis para el (4E,6Z,10Z)-4,6,10-hexadecatrien-1-ol, componente principal de la feromona sexual de la polilla del cacao Conopomorpha cramellera (Lepidóptera: Gracillariidae) en donde el rendimiento se aumento de un 51 % a un 90 % en solo 5 pasos donde unos de los procedimientos consistió en el acoplamiento del 1.5-undecadiino con éter ter-butildimetilsilil 4-pentinílico a través de un borato generado por hidroboración de este último con Si2BH(19) (20). Otro estudio importante es el referente a la síntesis de inhibidores de la percepción de feromonas sexuales por compuestos análogos a la feromona natural, los cuales corresponden a compuestos fluorados, esto es posible ya que se ha se ha caracterizado la proteína responsable del transporte de la feromona, la PBP, (A.Guerrero, M.Bosch, C.Quero) la PoliA-bindingprotein: proteína de unión al poli A o polimerasa., donde también facilitará el proceso de traducción, donde esta proteína está presente sólo en las sensilas ( elementos sensoriales) antenales de los machos y presenta una cierta especificidad como ligando de la feromona con respecto a otros compuestos análogos donde dichos compuestos son lo fluorados tales como trifluorometilcetonas, trifluorometilcarbinoles racémicos y quirales, difluoroaldehidos, difluoro y pentafluorometilcetonas, β-tio- y β-tiotrifluorometilcetonas en donde se ha descubierto que que algunas trifluorometilcetonas, en especial aquéllas de estructura análoga a la de la propia feromona, inhiben de manera significativa la atracción de los machos hacia la fuente feromonal en algunos experimentos con tuneles de vientos. Los resultados de esta investigación se realizaron en base a las especies de la plaga polífaga Spodoptera littoralis y la del maíz Sesamia nonagrioides y Ostrinia nubilalis. (21).

Conclusión

Es necesario comprender que el uso de las feromonas es un tema de un casi total conocimiento para los insectos, en donde el tratamiento de plagas frente al ataque de estos a plantaciones agrícolas, es la mayor utilización que se les da, así en dichos procesos las feromonas sexuales y las de agregación son las mayormente utilizadas, debido a que son el tipo de feromonas que atraen a individuos de la misma especie, además su utilización conlleva a un numero grande de mejoras en comparación al uso de los insecticidas, siendo los mas destacados la protección y no destrucción de las mismas plantaciones, ni del equilibrio ecológico, al solo interactuar con la especie determinada en atracción de la feromona utilizada, un punto en contrate es el coste en producción y síntesis ya que es mucho mas caro para las feromonas que para los insecticidas y además son de un difícil manejo en el laboratorio al solo poder trabajar con cantidades muy pequeñas, pero aun así esto no se equipara a la gran ventaja de que solo se necesitan mínimas cantidades al momento de utilizarlas en las plantaciones en comparación a los insecticidas, además la manera en que se aplica el producto de las feromonas (trampas de feromonas) posee un menor coste que la aplicación de insecticidas y por ultimo son totalmente biodegradables. Pero todo esto es parte referente a los insectos, ya que en cuanto a los mamíferos el tamaño de estos es lo que otorga la dificultad de su análisis, aunque mamíferos como el hámster estos son de fácil manejo, en donde se ha comprobado y se ha aislado la feromona encargada de su reproducción y de la distinción de sexos. Pero para mamíferos grandes como el ser humano es extremadamente difícil determinar el o los tipos de feromonas que puede poseer, esto es debido al gran numero de lugares desde donde se pueden secretar las feromonas, es por eso que el estudio de la regulación social del periodo de menstruación en las mujeres solo determina el comportamiento provocado de las feromonas pero la síntesis y la estructura de dichas feromonas responsables del comportamiento son totalmente desconocidas. Es por eso que cualquier tipo de marca o industria de la perfumería que trate de vender o promocionar aromas atrayentes del sexo opuesto para el ser humano va ha estar sencillamente tratando de engañar al consumidor debido a que hasta la fecha no se ha aislado y menos sintetizado ninguna estructura de alguna feromona humana. Es importante mencionar que la síntesis de las feromonas sigue los mas diversos caminos, tan amplios y específicos como la cantidad de estructuras de feromonas conocidas para los insectos, sin embargo en los últimos años se han desarrollado nuevos procedimientos como el desarrollo del compuesto 1,3-dilitiopropinio (Dr.J.Cabezas), el cual da paso a la síntesis de feromonas de insectos a través de los 1,5-diinos, alcoholes homoproporgilicos los cuales son precursores sintéticos de agentes antitumorales y gamma-hexanoides los cuales son precursores de antibióticos, además este reactivo ahorra el tiempo invertido en síntesis ya que disminuye la cantidad de pasos para la obtención de los productos y aumenta considerablemente el rendimiento de estos últimos. El otro desarrollo importante es el de agentes inhibidotes de la percepción de las feromonas (A.Guerrero, M.Bosch, C.Quero) lo cual consiste en compuestos fluorados lo cual es una nueva aproximación hacia el control de plagas