Izoprén

Izoprén alebo 2-metylbuta-1,3-dién je bežná organická zlúčenina, ktorej vzorec je CH2=C(CH3)−CH=CH2. V čistej podobe je to bezfarebná prchavá kvapalina. Izoprén je nenasýtený uhľovodík. Je produkovaný mnohými rastlinami a zvieratami (vrátane ľudí) a jeho polyméry sú hlavnou zložkou prírodného kaučuku. Izoprén pomenoval C. G. Williams v roku 1860 potom, ako ho získal termálnym rozkladom (pyrolýzou) prírodného kaučuku a takisto správne určil jeho empirický vzorec C5H8.
Prírodný výskyt.
Izoprén tvorí a vypúšťa mnoho druhov stromov (hlavne duby, topole, eukalypty a niektoré strukoviny). Ročne vypustí vegetácia do vzduchu asi 600 miliónov ton izoprénu, polovicu vypustia tropické listnaté stromy a zvyšok hlavne kere. Toto približne odpovedá emisiám metánu a tvorí asi tretinu všetkých uhľovodíkov vypustených do atmosféry. U lesov tvorených opadavými stromami tvorí izoprén asi 80 % uhľovodíkových emisií. Mikroskopické a makroskopické riasy takisto produkujú izoprén, aj keď v porovnaní so stromami netvoria tak veľké množstvo.
Rastliny.
Izoprén vzniká metylerytritol-4-fosfátovou dráhou (MEP dráhou, takisto známou ako nemevalonátová dráha) v chloroplastoch rastlín. Jeden z konečných produktov tejto dráhy je dimetylallylpyrofosfát (DMAPP), ktorý je štiepený enzýmom izoprénsyntázou, čím vzniká izoprén a pyrfosfát. Inhibítory, ktoré blokujú túto dráhu, ako napríklad fosmidomycín, teda blokujú aj tvorbu izoprénu. Emisie izoprénu sa dramaticky zvyšujú s teplotou a dosahujú maximum pri asi 40 °C. To viedlo k hypotéze, že izoprén by mohol chrániť rastliny pred tepelným stresom (termotolerancia). Emisia izoprénu bola takisto pozorovaná u niektorých baktérii, čo je pravdepodobne kvôli neenzymatickej degradácii DMAPP.
Regulácia.
Emisie izoprénu u rastlín sú riadené dostupnosťou substrátu (DMAPP) a aktivity enzýmu (izoprénsyntázy). Závislosť emisie izoprénu na svetle, CO2 a O2 je daná dostupnosťou substrátu, zatiaľ čo závislosť na teplote je regulovaná množstvom substrátu i enzýmovou aktivitou.
Ostatné organizmy.
Izoprén je najhojnejšie sa vyskytujúci uhľovodík, ktorý je merateľný v dychu človeka. Izoprén sa u ľudí tvorí mevalonátovou dráhou. Odhadovaná rýchlosť tvorby izoprénu u človeka je 0.15 µmol/(kg·h), čo odpovedá približne 17 mg/deň pre osobu, ktorá váži 70 kg. Izoprén je bežne prítomný v nízkych koncentráciách v mnohých jedlách. Mnoho druhov zemných a morských baktérií, napríklad Actinobacteria, sú schopné izoprén rozložiť a použiť ho ako zdroj energie.
Biologická úloha.
Emisia izoprénu vyzerá byť jedným zo spôsobou, ako stromy bojujú s abiotickým stresom. Bolo preukázané, že izoprén ochraňuje pred stredným tepelným stresom (asi 40 °C). Takisto môže ochrániť rastlinami pred veľkými zmenami teploty listov. Izoprén sa zabudováva do membrán buniek a pomáha ich stabilizovať počas tepelného stresu.
Izoprén takisto pomáha s rezistenciou voči reaktívnym formám kyslíka (ROS). Množstvo izoprénu vypúšťané vegetáciou záleží na hmotnosti listov, ploche listou, svetle (konkrétne hustote fotosyntetického toku fotónov, PPFD) a teplote listov. V noci sa z listov stromov teda vylučuje malé množstvo izoprénu, zatiaľ čo počas teplých a slnečných dní sa očakáva omnoho vyššie množstvo, a to až 25 μg/(g sušiny listov)/hodina u mnohých druhov dubov.
Izoprenoidy.
Izoprenová kostra je prítomná v prirodzene sa vyskytujúcich látkach nazývaných terpény (takisto známe ako izoprenoidy), ale tieto zlúčeniny sa netvoria priamo z izoprénu. Ich prekurzorom je namiesto izoprénu dimetylallylpyrofosfát (DMAPP) a jeho izomér izopentenylpyrofosfát (IPP). DMAPP a IPP sú funkčné izoprénové jednotky sú v biologických systémoch, z ktorých sa biosyntetizujú ostatné izoprenoidy. Občas sa používa množné číslo „izoprény“ na označenie terpénov.
Príklady izoprenoidov sú karotén a karotenoidy, fytol, retinol (vitamín A), tokoferol (vitamín E), dolichol a skvalén. Hem A má izoprenoidový reťazec a lanosterol, prekurzor sterolov u zvierat, je derivátom skvalénu a teda izoprénu. Izoprény sú i súčasťou bunkových membrán niektorých archeónov a vypĺňajú miesto medzi diglyceroltetraéterovými hlavičkami. Predpokladá sa, že membránam dodávajú štrukturálnu rezistenciu v drsných podmienkach, v ktorých sa mnohé archeóny nachádzajú.
Obdobne je prírodný kaučuk zložený z lineárnych polyizoprénových reťazcov s veľmi vysokou molekulovou hmotnosťou a iných prirodzených látok.
Účinok na aerosóly.
Po vypustení sa izoprén premieňa kratkodobými voľnými radikálmi (napríklad hydroxylovým radikálom) a v menšej miere ozónom na rôzne iné zlúčeniny, napríklad aldehydy, hydroperoxidy, organické dusičnany a epoxidy, ktoré sa miešajú s kvapkami vody a tvoria aerosóly a hmlu.
Zatiaľ čo väčšina expertov uznáva, že emisie izoprénu ovplyvňujú tvorbu aerosólov, je otázne, či izoprén znižuje alebo zvyšuje ich tvorbu. Druhým významným účinkom izoprénu v atmosfére je to, že v prítomnosti oxidov dusíka () prispieva k tvorbe troposférického ozónu, ktorý je jedným z hlavných polutantov v mnohých krajinách. Izoprén sa zvyčajne nepovažuje za polutant, pretože je to prirodzený produkt rastlín. Tvorba troposférického ozónu je možná len pri vysokých koncentráciách , ktoré pochádzajú prakticky výlučne z priemyselnej činnosti. Izoprén môže mať opačný efekt a pri nízkych koncentráciách môže zastaviť tvorbu ozónu.
Blue Ridge Mountains sú známe modrou farbou pri pohľade z väčšej vzdialenosti. Sú modré práve kvôli izoprénu, ktorý stromy vylučujú. Izoprén prispieva k charakteristickej hmle na horách a ich špecifickej farbe.
Priemyselná produkcia.
Izoprén je priemyselne najdostupnejší ako vedľají produkt tepelného krakovania nafty alebo ropy pri tvorbe etylénu. Ročne sa vyprodukuje asi 800,000 ton izoprénu. Asi 95 % produkcie sa použije na tvorbu "cis"-1,4-polyizoprénu, teda syntetickej verzie prírodného kaučuku.
Prírodný kaučuk pozostáva hlavne z poly-"cis"-izoprénu s molárnou hmotnosťou od 100,000 do 1,000,000 g/mol. Prírodný kaučuk typicky obsahuje niekoľko percent iných materiálov, ako sú proteíny, mastné kyseliny, živice a anorganických materiálov. Niektoré zdroje prírodného kaučuku, nazývané gutaperča, sa skladajú z trans-1,4-polyizoprénu, štruktúrneho izoméru s podobnými, ale nie identickými, vlastnosťami.