¿Qué es?

El glufosinato de amonio es un herbicida utilizado para el manejo de especies vegetales que afectan la producción agroindustrial y, recientemente, se propone como solución para fumigar cultivos de uso ilícito en Colombia. 

Químicamente, se trata de un α-aminoácido, como los que constituyen las proteínas; en este caso, corresponde a un aminoácido fosforilado en su cadena carbonada. Su nombre sistemático, de acuerdo con la nomenclatura de la IUPAC, es ácido 2-amino-4-[hidroxi(metil)fosforil]butanóico. Este principio activo presenta una importante relación estructural con el glifosato, otro herbicida ampliamente conocido en el contexto colombiano. Aunque el glufosinato presenta dos enantiómeros, R (D) y S (L), generalmente se comercializa como una mezcla racémica (50/50). 

¿Cómo se produce el herbicida a escala industrial?

La síntesis química del glufosinato se ha abordado desde diferentes enfoques y se han desarrollado numerosas estrategias. La ruta sintética más utilizada comprende tres transformaciones orgánicas. En la primera etapa ocurre una adición conjugada tipo Michael del enlace P–H del ácido metilfosfínico al acrilato, generando el correspondiente β-fosfinilpropionato. En la segunda, el éster experimenta una condensación de Claisen con oxalato de dimetilo, seguida de hidrólisis y descarboxilación, para formar el ácido 2-oxo-4-(metilfosfinil)butanoico. Finalmente, el grupo α-ceto se transforma mediante aminación reductiva catalítica con NH₃/H₂, introduciendo el grupo amino y dando lugar al glufosinato. Este procedimiento es el más utilizado en la actualidad y conduce a la mezcla racémica entre los isómeros D y L. Recientemente se han desarrollado alternativas biosintéticas o apoyadas en la catálisis organometálica que conducen selectivamente al isómero L.^{[1], [2], [3]}

Esquema 1. 

¿Cómo sabemos si un alimento está contaminado?

Una de las contribuciones más importantes de la química a la sociedad es el desarrollo de métodos analíticos que permiten investigar y caracterizar sustancias químicas en diferentes campos de aplicación. En el caso de los herbicidas, estas herramientas son fundamentales para detectar y cuantificar tanto el ingrediente activo como sus metabolitos en diversas matrices (alimentos, sangre, agua o suelo).

En las últimas décadas se han desarrollado y validado numerosos métodos para la determinación de glufosinato. En términos generales, estas técnicas se basan en tres operaciones analíticas complementarias: separación, identificación y cuantificación. Entre las técnicas de separación se destaca la cromatografía líquida (LC, HPLC) mientras que la espectrometria de masas (MS) se destaca para la identificación. La siguiente tabla resume las principales metodologías utilizadas actualmente para la detección y determinación de glufosinato y sus metabolitos.^[4]

¿Cómo se transforma cuando llega a los ecosistemas o al cuerpo humano?

El glufosinato no es estable y en poco tiempo se empieza a degradar en compuestos más sencillos. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) y diferentes investigaciones independientes han identificado los principales productos de transformación cuando el herbicida entra en contacto con plantas, suelos o con animales. En la siguiente tabla se pueden identificar las estructuras de los principales metabolitos.^{[5], [6]}

¿Cómo funciona este herbicida?

El isómero S del glufosinato inhibe la reacción de dos pasos catalizada por la enzima Glutamina Sintetasa (GS). En ausencia de este inhibidor, la GS fosforila el glutamato a γ-glutamil-fosfato e incorpora amoníaco para producir L-glutamina, un aminoácido que cumple funciones esenciales en el metabolismo celular. El glufosinato compite con el glutamato por el sitio activo. La enzima fosforila el glufosinato convirtiéndolo en fosfo-L-fosfinotricina, pero el amoníaco no se puede incorporar en el segundo paso. Esto conduce a la formación de un complejo enzima-inhibidor irreversible, por lo que la enzima no puede continuar con su actividad catalítica.^{[7], [8]}

Esquema 2.

Estereoquímica en acción

Si fuiste o eres estudiante de cursos de química orgánica, este caso te puede responder a una duda: ¿para qué sirve la estereoquímica en la vida real?

El glufosinato es una molécula que posee un centro quiral, específicamente en el carbono alfa, resaltado en azul en la siguiente figura. En este caso, el enantiómero L-glufosinato (o S-glufosinato) es el estereoisómero biológicamente activo que inhibe la enzima glutamina sintetasa en las plantas, mientras que el D-glufosinato (R-glufosinato) carece de actividad herbicida significativa.

¿Por qué el isómero S es activo y el R no? Las enzimas son macromoléculas proteicas con una estructura tridimensional específica que determina la disposición espacial de sus sitios de unión. Debido a esta selectividad estereoquímica, pueden reconocer e interactuar de manera preferencial con uno de los enantiómeros, cuya configuración permite orientar adecuadamente los grupos funcionales para establecer las interacciones necesarias. En este caso, el isómero S presenta una disposición espacial favorable para la interacción con el sitio activo de la enzima, mientras que el isómero R no logra establecer las mismas interacciones de manera eficiente y, por tanto, presenta una actividad biológica reducida o nula.

De este modo, vemos cómo la química orgánica, la bioquímica y la química analítica se conectan para explicar el comportamiento del herbicida que reabre el debate sobre las fumigaciones de cultivos de uso ilícito en Colombia.

El propósito de este artículo no es defender ni cuestionar el uso del glufosinato de amonio, sino entender la química que hay detrás de este herbicida. En un momento en el que su posible utilización en Colombia ha puesto nuevamente a los herbicidas en el centro de la discusión pública, resulta fundamental separar el debate político y social de las preguntas que puede responder la ciencia.

Referencias

[1] Zhenhua TIAN, Zhanbing CHENG, Shaonan DING, Wenxuan XU, Ruru WANG, Qi JIAO, Yao Huang. L-glutamate dehydrogenase mutant and application thereof. Patent US20230340427A1, 2023. https://patents.google.com/patent/US20230220027A1/fr

[2] Brian Michael, Green Michelle, Lorraine Gradley. Methods for making L-glufosinate. Patent US20170253897A1, 2017. https://patents.google.com/patent/US20170253897A1/en

[3] Matthew Richard Oberholzer, Brian Michael Green, Rachel Melissa Witek, Nadejda Pavlova. Métodos para la producción de monohidrato de L-glufosinato de amonio cristalino. Patent MX2021012680A, 2021. https://patents.google.com/patent/MX2021012680A/es

[4] Yangliu Wu, Yilu Zhou, Xun Jiao, Yongxin She, Wenbo Zeng, Hailan Cui, Canping Pan. Development and inter-laboratory validation of analytical methods for glufosinate and its two metabolites in foods of plant origin. Anal Bioanal Chem. 2024. 416(3), 663-674. DOI: 10.1007/s00216-023-04542-9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36693955/ 

[5] Faber, M. J., Stephenson, G. R., & Thompson, D. G. (1997). Persistence and leachability of glufosinate-ammonium in a northern Ontario terrestrial environment. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 45, 3672–3676. DOI: 10.1021/jf970045s. https://doi.org/10.1021/jf970045s

[6] Yun Zhang, Kai Wang, Junxue Wu, Hongyan Zhang (2014). Field Dissipation and Storage Stability of Glufosinate Ammonium and Its Metabolites in Soil. International Journal of Analytical Chemistry, 2014, 1-8. DOI: 10.1155/2014/256091

[7] Crystal structure of human glutamine synthetase in complex with ADP and phosphate. Karlberg, T. et al.https://www.rcsb.org/structure/2OJW 

[8] Glufosinate-ammonium: a review of the current state of knowledge. Hudson K Takano, and Franck E Dayan. Pest Manag Sci, 2020. DOI 10.1002/ps.5965. https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ps.5965