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LECCIONES INAUGURALES
ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
DE LA UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Es Licenciada (1980) y Doctora (1985) en Curso Académico 2014­2015 Ciencias Químicas por la Universidad de Sevilla, Miguel Toro Bonilla en la que es Catedrática de Química Orgánica La informática: una ingeniería joven ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ desde 2008. En 2011 fue elegida miembro de la muy importante Real Academia Sevillana de Ciencias. Sus intere­ Curso Académico 2013­2014 ses en la investigación se centran en la síntesis Ángel M. lópez y lópez asimétrica, en especial en la catálisis enantio­ La autonomía universitaria selectiva mediada por metales y/o en procesos organocatalíticos. Es autora de un centenar de Curso Académico 2012­2013pilar león-CasTro alonso publicaciones, ha dirigido veinticuatro Tesis Ideales y actitudes para la Universidad de Hoy Doctorales, así como impartido conferencias Curso Académico 2011­2012Jesús palaCios gonzÁlez CUANDO LAS MOLÉCULAS en múltiples Congresos Nacionales e Interna­cionales y en distintas Universidades y Centros de Investigación. Por otra parte ha estado im­ Paradojas del desarrollo humano Curso Académico 2010­2011ernesTo CarMona guzMÁn SE MIRAN EN EL ESPEJO. plicada en tareas de gestión relacionadas con la investigación a nivel nacional, autonómico y en el seno de la Comisión de Investigación de la Viaje a los confines de la tabla periódica. Átomos ligeros, átomos pesados y energía nuclear ORÍGENES Y CONSECUENCIAS Universidad de Sevilla.
Curso Académico 2009­2010Manuel Ángel VÁzquez MedelLa universidad del siglo XXI en la sociedad de la comunicación y del conocimiento DE LA ASIMETRÍA Curso Académico 2008­2009BeniTo Valdés CasTrillónConcepto de Botánica. Consideraciones sobre los reinos Lección Inaugural leída en la Solemne Apertura Curso Académico 2007­2008 del Curso Académico 2015-2016 Manuel zaMora Carranza en la Universidad de Sevilla Las motivaciones de la investigación científica Curso Académico 2006­2007FranCisCo garCía TorTosaPalabras y silencios Curso Académico 2005­2006eMilio góMez piñolRuptura vanguardista, desintegración y nostalgia del Arte Curso Académico 2004­2005Juan anTonio Carrillo salCedoGlobalización y orden internacional Catálogo completo de nuestras publicaciones en la página web ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ Catedrática de Química Orgánica Facultad de Química CUANDO LAS MOLÉCULAS SE MIRAN EN EL ESPEJO. ORÍGENES Y CONSECUENCIAS DE LA ASIMETRÍA EN Lección Inaugural leída en la Solemne Apertura del Curso Académico 2015-2016 en la Universidad de Sevilla Colección Textos Institucionales Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de infor- mación y sistema de recuperación, sin permiso escrito de la Editorial Universidad de Sevilla.
EDITORIAL UNIVERSIDAD DE SEVILLA 2015 C/ Porvenir, 27 - 41013 Sevilla Tfnos.: 954 487 447; 954 487 451; Fax: 954 487 443 Correo electrónico: [email protected] ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ 2015 Impreso en papel ecológico Impreso en España-Printed in Spain ISBN: 978-84-472-1801-1 Depósito Legal: SE 1245-2015 Imprime: Dosgraphic, s. l.
Sr. Rector Magnífico de la Universidad de Sevil a, Autoridades, Claustro de Profesorado, Personal de Administración y Servicios, Alumnado, Señoras y Señores: La asimetría en la Naturaleza
Cuando el entonces Rector, D. Antonio Ramírez de Arellano, me propuso impartir la lección inaugural del curso 2015-16 lo acepté como un honor, que agradecí en su momento y agra- dezco ahora nuevamente, por la distinción que este encargo su- pone, siendo consciente del compromiso y del reto que implica.
Después de una profunda reflexión, elegí como título Cuando las moléculas se miran en el espejo. Orígenes y consecuen- cias de la asimetría en el Universo, con la modesta intención de trasladarles algunas reflexiones relacionadas con el campo de investigación en el que me encuentro involucrada desde hace años. Decidí pues hablar de la simetría, concepto que ha fas- cinado durante siglos a científicos, artistas, matemáticos y es- critores, entre otros. En realidad, como indica el título, las reflexiones aquí recogidas están más bien relacionadas con la ausencia de simetría en el mundo que nos rodea. La asimetría es un fenómeno observable a nivel cotidiano desde que nos le- vantamos y nos miramos en el espejo. Nuestro cuerpo exter- namente es claramente asimétrico, y esta característica se pone de manifiesto fácilmente si tomamos una foto y realizamos un reflejo de la mitad de nuestra cara en el otro lado. Tras este tipo de reflexión se obtiene un rostro simétrico, que corres- ponde a una persona diferente de la que vemos frente a noso- tros en el espejo.
En el interior de nuestro cuerpo la asimetría todavía es más patente. Los órganos que están duplicados, como los pulmo- nes o los riñones, se encuentran colocados simétricamente en el cuerpo, lo que no ocurre con órganos únicos, como el cora- zón o el estómago, que se encuentran desplazados hacia la iz- quierda en el tórax, o el páncreas y el hígado, dispuestos en el lado derecho. Sólo un 0,01% de personas tienen cuerpos que son imágenes en el espejo de lo considerado normal. Se trata de un defecto congénito poco frecuente, denominado situs in- versus, que consiste en que los órganos están colocados justa- mente en la disposición opuesta.
En la naturaleza existen ejemplos de animales y plan- tas abrumadoramente asimétricos. Por ejemplo, la madreselva (Genus Lonicera) crece verticalmente describiendo una hélice hacia la izquierda, mientras que las enredaderas y las judías verdes crecen describiendo hélices a la derecha.
Otro ejemplo de asimetría se presenta en los caracoles. El caracol más conocido, el escargot (Helix pomatia), tiene una es- piral que describe un giro hacia la derecha, en el sentido de las agujas del reloj (dextro). Existen estudios que demuestran que la probabilidad de encontrar un escargot que presente una con- cha con una espiral que describa un giro en sentido contrario al de las agujas del reloj (levo) es del orden de 1 entre 20.000. Además del Helix pomatia, aproximadamente el 90% de todas las especies de gasterópodos son predominantemente dextro. Es interesante destacar que para cualquier tipo de caracol, in- cluyendo el Helix pomatia, el apareamiento entre individuos que tuviesen espirales dextro y levo sería virtualmente imposi- ble, debido a la localización física de los órganos reproductores.
En su descripción más básica, la simetría se puede relacio- nar con la reflexión de un objeto en un espejo. En la mitología griega, Narciso era un joven muy hermoso que despreciaba y rechazaba a todas las mujeres que se enamoraban de él. Entre ellas estaba la ninfa Eco, a la que Hera había condenado a re- petir las últimas palabras que escuchara. Un día Eco siguió a Narciso a un bosque para confesarle su amor y éste la re- chazó cruelmente. Para castigar a Narciso por su engreimiento, Némesis, la diosa de la venganza, hizo que se enamorase lo- camente de su propia imagen reflejada en una fuente. Narciso no se dio cuenta de que era él mismo hasta que intentó besar su imagen, y quedó entonces tan desconsolado que se suicidó arrojándose al agua. En el sitio donde su cuerpo había caído, creció una flor, el narciso. Afortunadamente los humanos no nos sentimos inquietados cuando observamos nuestra imagen en el espejo, y nos damos cuenta que en ella nuestra mano derecha se convierte en nuestra mano izquierda, que nues- tra raya del cabello se encuentra en el otro lado de la cabeza, o que cualquier palabra de nuestra ropa tiene las letras escri- tas "hacia atrás". Todo ello se convierte en normal una vez que ya hemos superado la fascinación que nos producen los espe- jos en nuestra infancia. En realidad, la imagen que tenemos de nosotros mismos en nuestra mente es la imagen que vemos cada día en el espejo, en lugar de nuestra verdadera imagen, que es la que los otros ven. Y de hecho esas dos imágenes no son superponibles.
El término generalmente usado para definir los sistemas en los que la imagen especular no es superponible con el sis- tema original es quiral. A la propiedad asociada con este fe- nómeno se le denomina quiralidad, término que proviene de la palabra griega χειρ, que significa mano. La primera vez que se usó este término y su definición fue en una confe- rencia de Lord Kelvin (Sir William Thomson) en 1844. El mejor ejemplo macroscópico de la quiralidad es sin duda el de las manos humanas. Resulta evidente que la imagen especu- lar de la mano derecha es la mano izquierda y que ambas no son superponibles.
El fenómeno de la quiralidad, que se puede observar en numerosos ejemplos a nivel macroscópico en nuestra vida co- tidiana, tiene unas implicaciones a nivel molecular de una in- creíble importancia. Los seres vivos estamos constituidos por moléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos, hidratos de carbono, grasas), compuestos cuya base principal es el carbono. El conocimiento de la simetría, o más bien de su ausencia, en las estructuras de las biomoléculas esenciales para la vida se ha convertido en un aspecto fundamental para la comprensión de los mecanismos de los procesos biológicos y la actividad de los productos bioactivos.
De Biot a Pasteur
En 1848 Louis Pasteur, basándose en estudios previos de Biot, realizó los primeros experimentos cruciales para el estudio de la estructura tridimensional de las moléculas orgánicas, en sus experimentos sobre el ácido tartárico.
En el proceso de fabricación del vino por fermentación de mosto se produce una sustancia llamada tártaro. De esa sustancia, el químico sueco Wilhem Scheele aisló en 1769 un compuesto de propiedades ácidas al que llamó ácido tartárico. En 1820 Karl Kestner, fabricante alemán de productos quími- cos, preparó una sustancia que creyó que era el ácido tartárico, pero que tenía diferentes propiedades, entre ellas su menor so- lubilidad. Joseph Louis Gay-Lussac llamó a aquel compuesto ácido racémico, en alusión al nombre latino del racimo de uvas. Se comprobó que los ácidos tartárico y racémico, tenían fórmulas idénticas, C4H6O6. Resultaba desconcertante que dos sustancias constituidas por los mismos átomos presentaran ca- racterísticas diferentes. En 1830 J. Jacob Berzelius denominó a este tipo de compuestos isómeros, que significa "de iguales El científico francés Jean Baptiste Biot, cuyo nombre se asocia con descubrimientos importantes en matemáticas, as- tronomía, física y química, había diseñado el polarímetro, instrumento que medía la actividad óptica de los materiales. En 1815, cuando se sabía que cristales de cuarzo podían exis- tir como imágenes especulares no superponibles que desviaban el plano de polarización de la luz polarizada, Biot descubrió que este fenómeno se observaba también en un gran número de sustancias naturales disueltas en agua. Biot entendió que este comportamiento se debía a ciertas propiedades estructu- rales de las moléculas, razón por la cual se refirió a estos com- puestos como "sustancias moleculares activas". El hecho de que ciertas moléculas pudieran rotar el plano de polarización de la luz polarizada condujo a la división de las sustancias entre las que se denominaron ópticamente activas y las ópticamente in- activas. Estos términos todavía se usan hoy en día, y se habla de moléculas ópticamente activas para hacer referencia a mo- léculas quirales.
De hecho, Biot y los científicos contemporáneos se die- ron cuenta pronto de que casi todas las sustancias orgánicas (es decir, derivadas de los seres vivos) eran ópticamente acti- vas. En sus estudios sobre el ácido tartárico, Biot observó que una disolución de sales del ácido tartárico desviaba el plano de polarización de la luz, y lo hacía en sentido de las agujas del reloj (a la derecha o dextrógiro), mientras que el ácido ra- cémico no lo desviaba.
Entró entonces en escena Louis Pasteur, un joven químico francés de 22 años, que observó que los cristales de las sales de sodio y amonio del ácido tartárico racémico obtenido en el laboratorio no eran todos iguales, sino que existían como una mezcla de dos formas cristalinas asimétricas, que eran imá- genes especulares no superponibles entre sí. ¿Podía ser que el ácido racémico fuese la mitad del ácido tartárico natural y la otra mitad su imagen especular? Esto explicaría que no tuviera actividad óptica, pues la actividad generada por el primero en un sentido quedaría compensada por la actividad generada por el segundo en sentido contrario. Con gran paciencia separó manualmente ambas formas y realizó con ellas dos disolucio- nes. Cuando la luz polarizada pasó a través de la disolución de los cristales de forma idéntica a los naturales se observó una desviación del plano de polarización en el mismo sentido ob- servado para ellos, es decir, a la derecha (dextro), lo que co- rrespondía al denominado ácido (+)-tartárico. Cuando repitió la medida con la otra disolución hizo su gran descubrimiento: la disolución rotaba el plano de la luz polarizada un número de grados exactamente igual pero hacia la izquierda, es decir, era levorrotatorio, y a este ácido se le denominó ácido ()-tar- tárico. Este experimento confirmó que el ácido racémico que no era ópticamente activo era en realidad una mezcla con igual número de moléculas de las dos formas imágenes especulares, mientras que el ácido tartárico natural estaba constituido sólo por una de ellas, la dextrorrotatoria.
Biot, se dio cuenta de la importancia de las medidas de Pasteur. De hecho, le parecieron tan importantes que le pidió a aquél que las repitiera en su laboratorio usando sus reactivos y sus equipos, y bajo su supervisión. En ese momento, 1848, Biot tenía 74 años y Louis Pasteur sólo 26. Pasteur cuenta la experiencia junto a Biot con sus propias palabras: Me llamó para que repitiera ante su vista los diferentes ex- perimentos, y me dio una muestra de ácido racémico que había examinado previamente y que había comprobado que era com- pletamente inactivo bajo la luz polarizada. Lo preparé delante de él y también la sal doble de sodio y amonio, para lo cual me dio la sosa y el amoníaco. El líquido para la evaporación se dejó en una de las habitaciones de su laboratorio y cuando ya se habían separado entre 30 y 40 gramos de cristales me citó de nuevo en el Colegio de Francia para que pudiera recoger los cristales dextrógiros y levógiros delante de él, los separara por sus características cristalográficas, pidiéndome que verificara la afirmación de que los cristales que colocaba a su derecha des- viarían la luz a la derecha, y los otros a su izquierda. Hecho esto, me dijo que él se encargaría del resto. Preparó las solu- ciones haciendo las pesadas con cuidado y cuando iba a poner- las en el polarímetro me llamó otra vez. Puso en primer lugar la solución más interesante, la que yo suponía que desviaría el plano de polarización hacia la izquierda. Antes de hacer la lec- tura, a primera vista y sólo por el color que daban las dos placas en el campo del polarímetro de Soleil, se dio cuenta inmedia- tamente de que había una intensa levorrotación. Entonces, el ilustre anciano, visiblemente emocionado, cogió mi mano di- ciendo: "Mi querido colega, he amado tanto las Ciencias du- rante mi vida que esto hace latir mi corazón".
Estas observaciones llevaron a Pasteur a proponer años más tarde lo que sería el fundamento de la estereoquímica, al afirmar que la actividad óptica de los compuestos orgánicos, y sus disoluciones, venía determinada por la asimetría molecular de las moléculas que los constituían.
Biot le regaló a Pasteur su fantástico polarímetro, que ahora se encuentra en el museo del Instituto Pasteur de Paris, y se convirtió en su amigo, consejero y defensor. Le ayudó a conseguir varios puestos en distintas facultades en Francia, pero desafortunadamente murió 10 meses antes de que Pasteur fuese elegido miembro de la Académie des Sciences de Francia en 1862.
Quizás no está de más destacar en este momento la impor- tancia que a veces tiene la casualidad o serendipia en los descu- brimientos científicos. De hecho, Pasteur tuvo mucha suerte de estar trabajando en el norte de Francia, y no en el sur, de clima más cálido, ya que a temperaturas de 27 ºC o superiores las mez- clas racémicas no cristalizan de la misma manera, y cuando se disuelven los cristales obtenidos la rotación óptica es nula.
Otro de los experimentos cruciales de Pasteur, al que se considera el padre de la microbiología médica, fue demostrar que el ácido (-)-tartárico no sólo no se originaba directamente en el proceso de fermentación del vino, sino que además no participaba en la bioquímica de la fermentación. Los sencillos experimentos que llevó a cabo consistieron en la adición de al- gunos nutrientes orgánicos a una disolución acuosa que con- tenía ácido (+)-tartárico (de origen natural), y comparar con lo que ocurría con el ácido racémico. Las dos disoluciones fer- mentaban bajo la acción de hongos como Penicil ium, pero la disolución que contenía el ácido racémico era cada vez más le- vorrotatoria, hasta que la fermentación se detenía y la rotación óptica alcanzaba un máximo. Lo que ocurría en el caso del ácido racémico era que el ácido (+)-tartárico se consumía en el proceso de fermentación (es el alimento natural del moho), mientras que el ácido (-)-tartárico, de origen no natural, re- sultaba ser biológicamente inactivo, y al no consumirse la di- solución se iba enriqueciendo en el mismo.
El siguiente avance fundamental ocurrió en 1874, cuando el estudiante holandés Jacobus Henricus van't Hoff y el quí- mico francés Joseph-Achille Le Bel independientemente pro- pusieron que muchos de los compuestos orgánicos contienen un átomo de carbono central y cuatro sustituyentes unidos al mismo y orientados hacia los vértices de un tetraedro imagina- rio. Van't Hoff postuló que cuando existen cuatro grupos di- ferentes colocados en disposición tetraédrica alrededor de uno de sus átomos de carbono, al que se denomina centro estereogé- nico, la molécula debería presentar isómeros no superponibles con su imagen especular, y por tanto deberían ser quirales. Estos compuestos pueden existir en dos formas, denomina- das enantiómeros, que se diferencian únicamente por la dis- posición en el espacio de esos cuatro sustituyentes. Esta idea, que fue inicialmente ridiculizada por sus colegas, en la actua- lidad se reconoce como la base del entendimiento de la es- tructura molecular de los compuestos orgánicos. De hecho, Van't Hoff recibió en 1901 el Premio Nobel de Química por su contribución al estudio de la estructura tridimensional de los compuestos quirales.
Un ejemplo básico de un compuesto quiral es el aminoá- cido alanina, que puede existir en dos formas en las que sus átomos están conectados unos a otros en el mismo orden, pero difieren en su disposición en el espacio, es decir, son estereoi- sómeros, y al ser imágenes especulares no superponibles son Nomenclatura de los compuestos quirales
A lo largo del tiempo se han desarrollado distintos sistemas de nomenclatura para indicar de manera inequívoca la estructura de las moléculas quirales. Algunas de ellas son anteriores a la primera determinación de la estructura absoluta de una mo- lécula quiral, realizada en 1951 por los cristalógrafos holande- ses Bijvoet, Peerdeman y Von Bommel.
Emil Fischer sugirió en 1891 un sistema en el que se re- lacionaba a los compuestos quirales con el gliceraldehído. En esa época se conocían dos formas del gliceraldehído (isóme- ros) que eran idénticas en su composición y en sus propieda- des físicas; ambas eran ópticamente activas, pero una de ellas rotaba el plano de polarización de la luz polarizada hacia la izquierda, mientras que la otra lo hacía hacia la derecha. A la sustancia que inducía una rotación positiva (en el sentido de las agujas del reloj), es decir que era dextrorrotatoria, se la deno- minó (+)-gliceraldehído, y a la que inducía una rotación nega- tiva (en el sentido contrario a las agujas del reloj), es decir era levorrotatoria, se la denominó (-)-gliceraldehído.
Para nombrar a las moléculas orgánicas quirales Fischer propuso un sistema que intentaba representar la geometría tetraédrica de un centro estereogénico. En la Figura 1 apa- rece aplicada al caso de los enantiómeros del gliceraldehído. Para la correcta asignación de una estructura, la cadena carbo- nada se sitúa en dirección vertical, con los grupos que la inte- gran en dirección a la parte posterior del plano, hacia detrás. La cadena se orienta con la parte más oxidada hacia arriba y la más reducida hacia abajo. Los sustituyentes que no inte- gran la cadena carbonada quedan horizontales y están dirigi- dos hacia la parte anterior del plano. En esta representación se denominó enantiómero D al que presenta el grupo funcio- nal a la derecha desde el punto de vista del observador (en este caso el grupo OH), y L al que tiene el grupo funcional a la izquierda. En 1891 Fischer no podía saber que la estruc- tura del gliceraldehído que tenía rotación positiva era la forma que denominó D, ya que hasta 1951 no se determinó mediante cristalografía de rayos X la estructura absoluta de un com- puesto con el que se podía correlacionar químicamente. Se trataba pues de una propuesta con una probabilidad del 50% de ser correcta, cosa que finalmente ocurrió. Las notaciones D y L propuestas por este sistema todavía se usan en deter- minados contextos.
Sin embargo, algunas limitaciones de esta nomenclatura propuesta por Fischer condujeron al desarrollo de nuevos sis- temas. En concreto, en 1956 el presidente de la Royal Society of Chemistry, Sir Christopher Ingold, el editor del Chemical Society Journal, Robert Cahn, y el químico suizo Vladimir Prelog, ganador del Premio Nobel de Química en 1975, dise- ñaron un sistema (a menudo denominado sistema CIP), para indicar la distribución espacial de los sustituyentes de las mo- léculas quirales de una manera inequívoca. Este sistema está basado en el ordenamiento de los cuatro sustituyentes de un centro estereogénico, estableciendo unas reglas de prioridad que dependen del número atómico (el mayor número atómico supone la máxima prioridad). Se usan reglas adicionales para Figura 1. Proyecciones de Fischer de los dos enantiómeros del establecer la prioridad relativa en situaciones en las que los átomos de los sustituyentes directamente unidos al C este reo- génico sean los mismos. Una vez que se establecen las priorida- des, las estructuras se orientan de tal modo que el sustituyente de menor prioridad, 4, se coloca en la posición más alejada del observador, y se describe un giro desde el sustituyente de mayor prioridad, 1, hasta el de prioridad 3 pasando por el de prio- ridad 2. Si este giro es en el sentido de las agujas del reloj se dice que el centro tiene configuración R y si es en el contra- rio se dice que tiene configuración S.
La vida es asimétrica
Los enantiómeros tienen propiedades químicas y físicas idén- ticas en ausencia de una influencia quiral externa. Sólo hay una propiedad en la que los enantiómeros difieren en estas condiciones, y es el sentido en el que desvían el plano de po- larización de la luz polarizada. Sin embargo, el aspecto más importante a destacar, como veremos, es que el modo en el que cada uno de los enantiómeros de un compuesto determi- nado interacciona con otras moléculas también quirales puede ser distinto, de la misma manera que una mano izquierda in- teracciona de manera diferente con un guante de la mano iz- quierda y otro de la mano derecha.
Pasteur reconoció la importancia de la estructura mo- lecular tridimensional, y en particular la importancia de la asi- metría molecular, llegando a la conclusión de que la naturaleza en conjunto es quiral, es decir, asimétrica.
La vida tal como se nos manifiesta es función de la asi- metría del universo y de las consecuencias de este hecho. El universo es asimétrico. La vida está dominada por acciones asimétricas… Puedo incluso imaginar que todos los organis- mos vivos son primordialmente en sus estructuras y en sus for- mas externas una función de la asimetría cósmica.
Pasteur se dio cuenta de la tendencia de los organismos vivos a producir moléculas quirales no como mezclas racémi- cas o mezclas equimoleculares de los dos enantiómeros, sino en forma enantioméricamente pura, y postuló la existencia de una "fuerza disimétrica" en la Naturaleza, que daría lugar a una tendencia intrínseca y permanente por una quiralidad especí- fica en las biomoléculas de los seres vivos.
En 1951 Linus Pauling, Robert Corey y Herman Branson publicaron un artículo fundamental sobre la estructura helicoi- dal de las proteínas. Fischer había demostrado 50 años antes que las proteínas eran cadenas lineales formadas por combi- nación de aminoácidos, pero no se conocía su estructura tridi- mensional. Hoy en día sabemos que para la formación de las proteínas esenciales para la vida casi todos los seres vivos en la Tierra usan sólo 20 aminoácidos, presentando todos estos configuración L. Como consecuencia de ello, las hélices alfa de las proteínas describen un giro hacia la derecha.
Otros constituyentes fundamentales de la vida son los hi- dratos de carbono. Los hidratos de carbono simples (mono- sacáridos) presentes en las biomoléculas están constituidos en general por cadenas de 5 a 8 átomos de carbono, y casi todos ellos son de configuración D, lo que constituye otro ejemplo de manifestación de la asimetría en los seres vivos. Hidratos de carbono de gran importancia son la D-ribosa y la 2-desoxi-D-ribosa, que en forma cíclica en una larga cadena polimérica, conectadas por unidades fosfato (PO 3- 4 ) y combinadas con las denominadas bases púricas y pirimidínicas, se encuentran en el núcleo de todas las células vivientes, constituyendo los áci- dos nucleicos, ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribo- nucleico (ADN). La estructura tridimensional del ADN se publicó en un trabajo fundamental de James Watson y Francis Crick en 1953, quienes propusieron un modelo de doble hélice que describe nuevamente un giro hacia la derecha.
El origen de la quiralidad
en los sistemas vivos
Así pues, las moléculas más importantes que existen en las cé- lulas de los seres vivos sobre la Tierra son, en su mayoría, qui- rales. Además, desde hace más de 100 años sabemos que las proteínas, que constituyen casi toda la materia viva, y los ácidos nucleicos, ADN y ARN, están constituidos por sólo una de las imágenes especulares de los aminoácidos y de algunos hidra- tos de carbono. Hace poco más de 60 años se ha podido de- terminar cuál de los dos posibles enantiómeros estaba presente en cada caso. El hecho de la quiralidad única de las moléculas biológicas, lo que se denomina homoquiralidad (exclusivamente los aminoácidos de la serie L y los hidratos de carbono de la serie D), nos conduce a formularnos varias preguntas.
1. ¿Es necesario que todos estos compuestos que susten- tan la vida sean enantiómeros puros para que la vida exista o podría estar la vida basada en compuestos ra- cémicos o moléculas aquirales? 2. ¿Podría desarrollarse la vida usando D-aminoácidos e hidratos de carbono de la serie L? Es decir, ¿sería posi- ble un mundo que fuese completamente la imagen es- pecular del que conocemos? Tanto desde el punto de vista molecular como macroscópico, no parece haber ninguna razón por la que no pudiera existir una vida imagen especular de la existente en la Tierra, ya que en principio no hay diferencia de energía entre los sistemas 3. Si la respuesta a la segunda pregunta es positiva, enton- ces ¿por qué en la práctica la vida sobre la Tierra usa los aminoácidos L y los hidratos de carbono D y no sus imágenes especulares? ¿Qué es lo que sirvió de molde para influenciar la producción de un enantiómero sobre el otro? ¿Y cómo se sostuvo esta preferencia y se pro- pagó para dar lugar a esa única quiralidad que nos rodea? La vida ha tenido billones de años para desarrollar los pro- cesos químicos que tienen lugar en los seres vivos, y sin duda la situación alcanzada debe ser la de máxima eficiencia energé- tica. En realidad no parece tener mucho sentido que los seres vivos empleasen energía para producir mezclas de los dos enan- tiómeros de las biomoléculas cuando en realidad se va a usar sólo uno de ellos. Por otra parte, sería igualmente ineficiente un sistema vivo que partiendo de biomoléculas racémicas fun- cionase mediante dos caminos competitivos. Por ejemplo, para que una "vida racémica" fuera tan eficiente como la "vida ho- moquiral" que conocemos, los organismos estarían forzados a utilizar dos o más conjuntos de enzimas. El funcionamiento de tales organismos sería mucho más complicado que el que emplea un único conjunto de enzimas.
Para encontrar respuestas al origen de la homoquirali- dad en los seres vivos es necesario intentar entender la po- sible cadena de acontecimientos que condujo a la actual vida en la Tierra. Para ello se han llevado a cabo numerosos ex- perimentos basados en la hipótesis de que las moléculas or- gánicas pudieron surgir por acción de las descargas eléctricas y/o a la luz UV sobre los constituyentes de la atmósfera de la Tierra primitiva.
En 1953 Stanley Miller y Harold Urey realizaron en la Universidad de Chicago un experimento fundamental en la historia de la ciencia. Empleando condiciones que podrían ser similares a las de la Tierra primitiva, prepararon una mezcla de gases que contenía metano (CH4), amoníaco (NH3), agua (H2O) e hidrógeno (H2), y la sometieron a descargas eléctri- cas que simulaban la posible fuente de energía que podría pro- venir de relámpagos y rayos. Tras una semana observaron que entre el 10 y 15% del carbono que provenía del metano se había convertido en compuestos orgánicos, entre ellos trece aminoá- cidos de los veinte utilizados en los seres vivos para construir proteínas. Con este experimento se demostró de una manera muy elegante que los bloques básicos sobre los que se asienta la vida se podrían originar a partir de moléculas simples. Sin embargo, en lo que se refiere a la respuesta sobre el origen de la homoquiralidad, este experimento no aportó luz alguna, porque como era de esperar todos los aminoácidos se obtuvie- ron en forma racémica.
Parece razonable pensar que los primeros hidratos de car- bono y los aminoácidos, o sus precursores, podrían haberse formado de la misma manera, surgiendo de un singular su- ceso químico a partir del cual algunas especies moleculares se auto rreplicaron y encontraron una fuente de energía para continuar el proceso. Es evidente que sin la influencia de una fuerza quiral externa, o sin la influencia de sistemas vivos qui- rales, la formación de estos pilares fundamentales de la vida habría conducido igualmente a mezclas racémicas. ¿Cómo se llegó pues a la homoquiralidad, es decir a la ruptura de la si- metría y al desequilibrio total entre enantiómeros observado en las biomoléculas presentes en los seres vivos? Algunas propuestas recientes apuntan hacia un origen extra- terrestre para la homoquiralidad de las biomoléculas esencia- les. Es decir, consideran la posibilidad de que organismos vivos (formados ya por moléculas quirales) llegaran a la Tierra desde el espacio exterior, "infectando" nuestro planeta.
Para apoyar esta teoría se han llevado a cabo numerosos es- tudios de los meteoritos que han llegado a la Tierra tras sobre- vivir a la dura trayectoria a través de la atmósfera terrestre. Uno de los más ampliamente estudiados es el meteorito Murchison, que cayó unos 100 km al norte de Adelaida, en Australia, en 1969. Las investigaciones realizadas demostraron que conte- nía una gran cantidad de compuestos orgánicos, entre los que destacaba la presencia de 92 aminoácidos, de los cuales 19 es- taban incluidos en los 20 necesarios para la vida en la Tierra. Sorprendentemente, estos aminoácidos no resultaron ser racé- micos, sino que presentaban un desequilibrio entre la propor- ción de las dos formas enantioméricas de las moléculas quirales, que se mide normalmente en términos del denominado exceso enantiomérico (ee), siendo ee = (M) – (m), donde M y m son los porcentajes de los enantiómeros mayoritario y minoritario, respectivamente. Curiosamente se demostró la existencia de un predominio del enantiómero L, el mismo predominante en la Tierra. Surge naturalmente la pregunta sobre las posibles causas de la coincidencia de la preferencia quiral en la Tierra y en el meteorito. Sin embargo, la fiabilidad de las medidas realizadas sobre el meteorito Murchison se pusieron en duda considerando la existencia de una posible "contaminación quiral". Una vez que un meteorito o una partícula de polvo entra en la Tierra, se expone a un sistema en el que dominan los L-aminoácidos. La concentración de moléculas orgánicas quirales es tan pequeña en estas muestras extraterrestres, y los excesos enantioméri- cos son tan pequeños, que no sería necesaria una impurifica- ción muy elevada para que la contaminación fuese significativa.
Por tanto, para que las pruebas fueran más concluyentes sería esencial que se pudieran obtener en ausencia de esa inte- racción terrestre. Una contribución que puede ser esencial en este campo se espera de los experimentos programados para la nave Philae, módulo de aterrizaje de la sonda espacial Rosetta. Rosetta descendió el 12 de noviembre de 2014 sobre el co- meta 67P/Churiumov-Guerasimenko, que se encuentra a 515 millones de km de la Tierra y a 3 unidades astronómicas (AU) del Sol. El nombre del módulo se debe a la isla del río Nilo Philae, en la que se encontró un obelisco que sirvió, junto con la piedra Rosetta, para avanzar en el descifrado de los jeroglí- ficos egipcios. Por otra parte, la zona del cometa fijada para el aterrizaje de la sonda se denomina Agilkia, por la isla en la que se encuentran en la actualidad una serie de templos antes situados en la isla Philae.
Philae se separó de Rosetta, y siete horas más tarde al- canzó la superficie en la región de Agilkia, tal y como es- taba planeado. Lamentablemente, los arpones y el sistema de gas que debían garantizar un agarre firme fallaron y la sonda rebotó dos veces. Después de volver a ascender, la nave cayó después en una zona bautizada como Abydos. Philae acabó de lado y con los paneles solares parcialmente en sombra, lo que terminaría por condenarla, al menos momentáneamente. Sin embargo, una ventaja inesperada del doble aterrizaje es que la sonda fue capaz de comparar en detalle dos zonas muy distintas de la superficie del cometa. Ocho meses después del aterrizaje forzoso sobre Chury se puede analizar qué descu- brió durante sus 63 horas de trabajo contrarreloj antes de que se agotasen las baterías. No cabe duda de que los resultados más esperados eran los que deberían obtener los instrumen- tos Ptolemy y COSAC, destinados a estudiar la composi- ción de Chury.
Ptolemy puede medir las proporciones de isótopos esta- bles de elementos como H, C, N y O, y puede actuar adicio- nalmente en modo analítico como un espectrómetro de masas para analizar volátiles. Ptolemy estudió el gas ambiente de la coma (la atmósfera del cometa), y detectó vapor de agua, mo- nóxido de carbono, dióxido de carbono y varias sustancias or- gánicas, como el formaldehído. Por otra parte, registró datos que sugieren la presencia de un polímero inducido por radia- ción en su superficie, y confirmó la ausencia de compuestos aromáticos, como el benceno.
Por otra parte, el espectrómetro de masas COSAC (Cometary Sampling and Composition) fue capaz de anali- zar muestras del polvo levantado por la sonda durante su ate- rrizaje fallido en la región de Agilkia, y pudo encontrar hasta 16 compuestos orgánicos y distintos compuestos de nitrógeno, incluyendo cuatro (acetamida, isocianato de metilo, propanal y acetona) que no habían sido detectados en un cometa con an- terioridad. Ninguno de los dos instrumentos lograron detec- tar ningún compuesto con azufre en la superficie del cometa.
Todos los compuestos orgánicos detectados por COSAC podrían formarse en principio por irradiación con UV o ra- diolisis de hielos debido a la incidencia de rayos galácticos y solares: los alcoholes y los compuestos carbonílicos derivarían del monóxido de carbono (CO) y del agua (H2O), así como las aminas y los nitrilos del metano (CH4) del amoníaco (NH3). La hidrólisis de nitrilos produciría amidas, que podrían dar lugar a isocianatos por isomerización.
Desde un punto de vista astrobiológico, lo más importante es que varios de los productos hallados en el polvo cometario se pueden considerar precursores de la vida, ya que intervienen en la formación de aminoácidos esenciales o forman parte de las bases nucleicas. Así, el aldehído glicólico (CH2OHCHO) sería un iniciador eficiente de la formación prebiótica de los hidratos de carbono. El ácido cianhídrico (HCN) es una molécula clave en la síntesis prebiótica de aminoácidos y las bases nucleicas, e incluso está involucrado en una ruta elegante para la síntesis de hidratos de carbono. La formamida (HCONH2) propor- ciona igualmente una ruta prebiótica para las bases nucleicas. La formamida y la acetamida (CH3CONH2) catalizan la fos- forilación de nucleósidos y nucleótidos, en la que las aminas juegan también un papel fundamental. Los isocianatos son cla- ves en la síntesis prebiótica de péptidos dentro de la denomi- nada ruta del isocianato.
Buena parte de los datos recogidos y enviados por Philae durante sus primeras 60 horas en el cometa todavía no han sido analizados. Adicionalmente se espera que el módulo Philae, tras despertar de sus ocho meses de sueño, pueda seguir en- viando datos. La nave Philae es la primera en incluir un experi- mento destinado a detectar moléculas quirales fuera de nuestro planeta utilizando para ello la cromatografía con fases estacio- narias quirales, que permite separar enantiómeros y determi- nar la proporción relativa de los mismos. El sistema consta de un total de ocho columnas que difieren en el grosor de la fases estacionarias, en su diámetro y longitud. Cinco de ellas son estándar para separar distintas moléculas y las otras tres son columnas quirales que se pueden usar para el análisis de las moléculas orgánicas quirales. Estas técnicas deberían permitir el estudio de la proporción de los posibles aminoácidos quira- les, que aunque todavía no han podido ser realizados, presen- tan el máximo interés en el contexto del tema que nos ocupa.
Pero, supongamos por un momento que se demostrase la existencia de un desequilibrio entre los dos enantiómeros de los aminoácidos en los meteoritos. ¿Cuál podría ser el origen de la desviación de las mezclas racémicas? ¿Habría que ad- mitir que el universo puede proporcionar un ambiente qui- ral a las moléculas presentes en el espacio exterior, generando los excesos enantioméricos que podría finalmente afectar a la Tierra y comenzar la química autorreplicante que conduciría a la vida homoquiral? De acuerdo con recientes teorías, la "ruptura de la sime- tría" podría ser en última instancia el resultado de la destruc- ción parcial de un enantiómero de los aminoácidos iniciales, formados en el polvo de cometas en forma racémica, mediante la acción de la radiación circularmente polarizada, que consti- tuye el 17% de la radiación estelar. La exposición de una mezcla racémica orgánica en el espacio exterior a radiación polari- zada circularmente de alta energía podría conducir a un exceso enantiomérico si uno de los dos enantiómeros absorbe prefe- rencialmente la radiación y se destruye por tanto preferencial- mente, conduciendo a un exceso de las especies que absorben débilmente esta radiación. Ambos enantiómeros absorberían la radiación y serían destruidos, pero uno se destruiría fotoquími- camente mucho más rápidamente que el otro. Mientras mayor fuese la exposición a la luz polarizada circularmente, más óp- ticamente activas se volverían las mezclas, aunque una exposi- ción demasiado larga destruiría todas las moléculas. Se estima que la máxima relación de enantiómeros que se podría obte- ner mediante este proceso podría llegar a ser de 55:45 (exceso enantiomérico del 10%).
Origen terrestre de la homoquiralidad
Por otra parte, junto al propuesto origen extraterrestre de la homoquiralidad, la posibilidad de que este desequilibrio se originase en la Tierra supone distinguir entre si la vida es- taba predeterminada para estar basada en hidratos de car- bono D y aminoácidos L, o si esto ocurrió por azar. En este último caso habría que admitir la probabilidad de la existen- cia de una forma de vida basada en la quiralidad opuesta. En cualquier caso sería bastante lógico pensar que en un universo que fuese la imagen especular del que habitamos, las leyes de la química y de la física fuesen las mismas. Sin embargo esta conclusión es incorrecta en el caso de la física de las partículas elementales. Existen cuatro tipos de fuerzas en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, y la fuerza nuclear débil. En la elaboración de las estructuras del Modelo Estándar (el conjunto de leyes que gobiernan la mate- ria) los físicos han ido concediéndole cada vez mayor importan- cia a los órdenes simétricos, lo que ha dado lugar a complejos principios de conservación, igualdades, trasformaciones, etc. La propiedad que se usa para describir el efecto de la reflexión se conoce como la paridad. Si algo permanece inalterado tras la reflexión, se dice que se conserva la paridad, y en caso contra- rio se dice que no se conserva la paridad. En la práctica, antes de 1956 se creía que la paridad se conservaba en todos los sis- temas, pero posteriormente se verificó que esto no era así en el caso de las llamadas interacciones nucleares débiles. Se des- cubrió entonces que en los fenómenos en los que está involu- crada la fuerza nuclear débil se produce una anomalía que se denominó "violación de la paridad". En este contexto, se ob- servó que el decaimiento β de los núcleos atómicos viola (en contraste con otras fuerzas físicas fundamentales) el princi- pio de paridad, es decir, este proceso no ocurre con la misma probabilidad que su imagen en el espejo. Este descubrimiento implica que las partículas β emitidas por núcleos radioactivos son intrínsecamente asimétricas: los electrones L "izquierdos" se forman preferentemente en relación a los electrones D "de- rechos". La consecuencia más importante de estas observacio- nes es que conducen a la consideración de que existe quiralidad a nivel de partículas elementales. Así, en principio es factible que la homoquiralidad de las moléculas biológicas esenciales (aminoácidos, proteínas, hidratos de carbono, nucleótidos, áci- dos nucleicos, etc.) pudiera ser consecuencia de la quiralidad intrínseca de las partículas elementales.
Así pues, si los átomos pueden en realidad describirse como quirales, habría que redefinir lo que hemos denominado enantiómeros. Cuando hemos considerado los enantiómeros de las moléculas a través de sus imágenes especulares hemos modificado la disposición de los sustituyentes en el espacio, pero hemos considerado que los núcleos permanecían iguales. En realidad si sólo se cambia el aspecto espacial, los dos lados del espejo no son verdaderos enantiómeros, y no tendrán por tanto la misma energía. El cálculo de la diferencia de energía entre enantiómeros, debido al hecho de que el núcleo es qui- ral, ha sido objeto de numerosas investigaciones. Algunos de estos cálculos para el caso de los aminoácidos D y L han lle- vado a un valor para la diferencia de energía de 10-38 J, con una preferencia por los enantiómeros L. Este valor es muy pequeño, y estadísticamente supondría que en 1018 moléculas habría una molécula más de aminoácido L que de aminoácido D debido a la no conservación de la paridad.
Por otra parte, entre las teorías sobre el origen de la homo- quiralidad basadas en el azar se encuentra la síntesis asimétrica espontánea, que considera la síntesis de compuestos enantio- enriquecidos sin el concurso de ningún factor quiral. Aunque en principio en esta situación se debería obtener una relación molecular de enantiómeros 1:1, hay que tener en cuenta que cualquier número impar de moléculas tiene por definición rota la simetría. Fluctuaciones en el ambiente físico y químico po- drían dar lugar a fluctuaciones transitorias en el número de moléculas de cada enantiómero. Sin embargo, cualquier pro- ceso que desequilibrase el balance creado de esta manera de- bería alcanzar la media para llegar al racémico, a menos que interviniese algún proceso que lo mantuviese o lo amplificase.
En resumen, es posible que las moléculas orgánicas quira- les llegaran a la Tierra hace billones de años desde el mundo exterior, o alternativamente que haya una diferencia de ener- gía entre los enantiómeros, que podría dar lugar a una diferen- cia natural en la concentración de los diferentes enantiómeros. En ambos casos se esperaría una mezcla no racémica que fa- cilitaría los procesos que pudieron dar lugar al origen de la vida con unas materias de partida enriquecidas enantiomérica- mente. Pero surge una pregunta inmediata: ¿Cuanto se nece- sitaría de ese exceso para justificar la homoquiralidad? ¿Sería suficiente el 10% de ee al que conducen las predicciones más optimistas de la fotodestrucción en el espacio, o la única mo- lécula entre 1018 según predice la violación de la paridad? La amplificación del desequilibrio.
Homoquiralidad y autocatálisis
Para entender cómo una pequeña diferencia energética pudo haber dado lugar a un estado homoquiral en un planeta como el nuestro, es necesario asumir la existencia de algún tipo de mecanismo de amplificación capaz de transformar un pequeño exceso de un enantiómero en un escenario homoquiral, y en este contexto surge un concepto fundamental: la autocatálisis asimé- trica. La autocatálisis asimétrica se define como la reacción en la que un producto quiral actúa acelerando la reacción que con- duce a su propia formación. Así, si dos productos aquirales A y B reaccionan a una determinada velocidad para dar el producto P*, la presencia de P* aumenta esta velocidad. El propio pro- ducto actúa como lo que se denomina "catalizador quiral" para su propia multiplicación, en un proceso de tipo autocatalítico.
La autocatálisis podría tener una gran importancia para explicar cómo, a partir de un pequeño exceso, por ejemplo de un producto L, podría tener lugar una reacción en la que ese mismo producto L se formase más rápidamente que el pro- ducto D, en una competencia que, aunque lenta, condujera fi- nalmente a la homoquiralidad.
Durante más de medio siglo se han propuesto y discutido modelos teóricos de cómo un pequeño desequilibrio inicial en la concentración de enantiómeros podría finalmente terminar en la producción de un único enantiómero, pero sólo reciente- mente se ha abordado la realización de estudios experimenta- les para resolver esta cuestión directamente.
En 1953, el profesor F. C. Frank, de la Universidad de Bristol, desarrolló un modelo matemático para el posible me- canismo de una reacción autocatalítica que pudiera, en última instancia, servir para explicar la evolución hasta la homoqui- ralidad a partir de una pequeña diferencia entre los enantió- meros L y D. El modelo está basado en una idea simple: una sustancia que actúa como catalizador en su propia formación y al mismo tiempo actúa suprimiendo la síntesis de su enan- tiómero permitiría la formación de moléculas con una quira- lidad única a partir de una mezcla casi racémica. Las dudas de Frank sobre la posibilidad de descubrir experimentalmente una reacción con estas características quedó de manifiesto en la última frase de su artículo puramente teórico: "Puede que no sea posible una demostración experimental".
En la propuesta de Frank destaca el papel fundamental que juega el proceso de inhibición en los modelos autocatalíticos para la evolución de la homoquiralidad. En un pequeño grupo de enantiómeros L y D, que actuarían como autocatalizadores reaccionando sobre un conjunto ilimitado de moléculas sustrato, cada enantiómero sería capaz de reproducirse él mismo en una reacción con una molécula del sustrato. Además, sería necesa- rio que existiera un "antagonismo mutuo" entre los dos enan- tiómeros, de manera que cuando reaccionaran juntos, los dos se desactivaran y perdieran la capacidad para autorreplicarse.
Supongamos un ejemplo sencillo en el que existiera un con- junto original con un desequilibrio de una molécula extra del enantiómero L frente al número total de moléculas del enantió- mero D, por ejemplo 3:2. Si por azar una molécula L y otra D se encontrasen se desactivarían, mientras que las demás moléculas permanecerían en el medio y se autorreproducirían, obtenién- dose una mezcla de enantiómeros en una proporción 4:2. Si se repitiera el mismo proceso la mezcla pasaría a ser 6:2, después 10:2, y así sucesivamente. En cada ciclo se perdería una pareja de enantiómeros D y L en virtud del antagonismo mutuo, y por ello la autoproducción de enantiómeros haría que la relación L:D creciera como consecuencia del desequilibrio inicial. Así, la con- currencia de la autocatálisis y el antagonismo mutuo propaga- rían y amplificarían el desequilibrio de enantiómeros. El único problema es que mientras más pequeño fuese el desequilibrio inicial, mayor sería el número de moléculas de ambos enantió- meros que se perderían en el proceso de desactivación antes de que tuviese lugar un enantioenriquecimiento significativo. Sin embargo, si la muestra inicial fuese suficientemente grande, la productividad podría ser alta, y dominaría la formación auto- catalítica de un determinado enantiómero.
Morowitz en 1969 propuso que un modelo similar podría aplicarse para explicar el proceso mediante el cual un pequeño exceso enantiomérico presente en un aminoácido quiral se hu- biese amplificado bajo las condiciones prebióticas, teniendo en cuenta el hecho de que la mayoría de los aminoácidos forman "compuestos racémicos" cristalinos que son menos solubles y presentan puntos de fusión más altos que los cristales de los enantiómeros puros L o D. La idea consiste entonces en que dada una mezcla D/L de un aminoácido con un ligero exceso enantiomérico del enantiómero L disuelta en agua (en la "sopa" primitiva), al evaporarse el agua se favorecería la precipitación del racemato que es menos soluble, y la disolución remanente se enriquecería en el componente L.
Prueba del concepto de autocatálisis.
La reacción de Soai
Más de cuarenta años después se descubrió la primera prueba experimental del concepto de autocatálisis, cuando Soai y colaboradores describieron en 1995 la alquilación autoca- talítica de pirimidil aldehídos con reactivos de dialquilzinc. Sorprendentemente, esta reacción originó el producto con un exceso enantiomérico muy alto partiendo de un exceso enan- tiomérico muy bajo del catalizador quiral original y se aceleró por adición de cantidades catalíticas del alcohol producto de la misma (Figura 2).
Tras este descubrimiento inicial, y como continuación de estos estudios, Soai y colaboradores realizaron otras observacio- nes destacables de la amplificación asimétrica en la reacción que l eva su nombre. Se han descrito ee de hasta el 85% para esta re- acción empleando un iniciador con un 0,1% de ee por exposición a luz polarizada circularmente. También se ha observado que la amplificación asimétrica se puede desencadenar como conse- cuencia de la morfología de cristales inorgánicos quirales, como el cuarzo, el clorato sódico y el cinabrio. Esto sugiere la posibi- lidad de que cristales similares sirvieran como superficies quira- les accesibles en la evolución prebiótica de compuestos quirales.
con amplificación del exceso enantiomérico Figura 2. Reacción de Soai, primer ejemplo de autocatálisis asimétrica.
Adicionalmente, existen compuestos orgánicos aquirales que forman cristales enantiomorfos, como la base nitrogenada aquiral citosina. La cristalización quiral espontánea de un com- puesto orgánico aquiral y sus consiguientes reacciones estereo- específicas usando cristales como sustratos se han considerado igualmente como importantes candidatos para el origen de la La corroboración mecanística del modelo de Frank fue publicada en el año 2001 por Blackmond y Brown, que desa- rrollaron un modelo basado en medidas altamente precisas del progreso de la reacción de Soai. El modelo cinético propuesto era capaz de predecir tanto el grado temporal de amplifica- ción asimétrica como la concentración relativa de las especies catalíticas. El modelo de Blackmond/Brown racionaliza la amplificación asimétrica en la reacción autocatalítica de Soai basándose en una extensión del modelo de Kagan para los de- nominados efectos no lineales, que se observan en las reaccio- nes catalíticas en las que el exceso enantiomérico del producto de la reacción no se correlaciona linealmente con el exceso enantiomérico del catalizador. Un comportamiento de este tipo se puede observar en los casos en los que las moléculas del ca- talizador se agregan para formar especies de mayor orden. El modelo ML2 concretamente considera la formación de díme- ros homoquirales (RR y SS) y heteroquirales (SR) a partir de las especies monoméricas R y S. La concentración relativa de esas especies depende de la constante de equilibrio KD.
R + R R + S [RR] · [SS] El modelo de Kagan propone que los dos dímeros homo- quirales podrían actuar como catalizadores enantioméricos, originando los dos enantiómeros del producto de la reacción en procesos paralelos que transcurrirían con idénticas constan- tes de velocidad, mientras que el dímero heteroquiral produ- ciría el producto racémico con una constante de velocidad que podría ser diferente de la de las reacciones en las que intervie- nen los catalizadores homoquirales. En cualquier sistema en el que el catalizador dimérico heteroquiral fuese menos activo que los correspondientes homoquirales se observaría ampli- ficación asimétrica. Un valor de KD = 4 indicaría una distri- bución estocástica no selectiva de dímeros, y valores mayores de KD indicarían una distribución con preferencia por las es- En una reacción autocatalítica, en la que el catalizador ace- lerase su propia formación, y en la que existiese antagonismo mutuo, el enantiómero minoritario se eliminaría del medio a través del dímero heteroquiral, y la concentración relativa de los dos enantiómeros no quedaría fijada por el valor inicial, como ocurre en un sistema catalítico estático. En su lugar, en un sis- tema autocatalítico que siguiese el modelo dimérico, la concen- tración del catalizador aumentaría, y la concentración relativa de los dos dímeros homoquirales cambiaría a medida que pro- gresase la reacción. El exceso enantiomérico final del producto que podría conseguirse en esta reacción autocatalítica estaría li- mitado sólo por la cantidad de sustrato, no por la magnitud de KD. Considerando como ejemplo una reacción con un cataliza- dor con un 1% ee y KD= 1 / 4 × 4, en un sistema autocatalítico se podría alcanzar la homoquiralidad después de 5.000 ciclos. La amplificación del exceso enantiomérico en la autocatálisis no requeriría, por tanto, una sofisticada estereoselección, sino sólo una mayor actividad de los dímeros homoquirales, que se repetiría a través de muchos ciclos autocatalíticos.
Así pues, el modelo de dímeros proporcionaría una posi- ble respuesta simple y elegante para el misterio de la evolución hacia la homoquiralidad. Si, como en el caso de la reacción de Soai, las reactividades relativas de los dímeros le diesen ven- taja a los dímeros homoquirales, la amplificación y finalmente la homoquiralidad estaría asegurada incluso si la formación de los dímeros no fuese selectiva. La estadística (formación esto- cástica del dímero) y un toque de suerte (menor actividad del dímero heteroquiral) serían prerrequisitos suficientes.
Más recientemente Blackmond y colaboradores han despla- zado sus estudios sobre modelos para racionalizar el origen de la homoquiralidad biológica desde estas propuestas basadas pura- mente en reacciones químicas a otras basadas en el comporta- miento físico de fases de las moléculas quirales y en la combinación de procesos físicos y químicos. Se ha demostrado que se pueden obtener disoluciones altamente enriquecidas de aminoácidos a partir de mezclas racémicas mediante un particionamiento diso- lución-sólido de los enantiómeros. Las reacciones catalizadas por aminoácidos que se han llevado a cabo en estos sistemas mues- tran un comportamiento no lineal consistente con una composi- ción altamente enantioenriquecida de la disolución. La aplicación de este concepto se ha ampliado notablemente con el descubri- miento de composiciones eutécticas que podían ser "moduladas" mediante la elección adecuada de aditivos que alteran la estructura del cristal y su solubilidad. En contraste con los modelos de re- acciones autocatalíticas, que suponen comportamientos "lejos del equilibrio", este modelo eutéctico constituye un puro tratamiento de equilibrio. Esta distinción tiene implicaciones importantes para escenarios que tienen que ver con el intervalo de tiempo en el que la evolución de la homoquiralidad puede haberse desarro- llado. El comportamiento de fase de los aminoácidos unido a la racemización en disolución ha permitido comprobar que un enan- tiómero sólido de un compuesto puede transformarse completa- mente en el otro a partir de una mezcla casi racémica de los dos. Puesto que la interconversión en disolución permite a un enan- tiómero que había sido parte de un cristal L llegar a formar parte de un cristal D, este proceso se ha denominado "amnesia quiral".
Aunque las condiciones experimentales de la reacción de Soai no son en absoluto cercanas a las que se podrían considerar para un posible proceso prebiótico, puesto que emplea compues- tos orgánicos y organometálicos muy sensibles al agua, pro- porciona un modelo experimental que ayudar a entender como la autocatálisis en combinación con la inhibición podría con- ducir a una situación homoquiral. En la actualidad se siguen realizando estudios relacionados con la reacción autocatalítica de Soai, pero el modelo de Blackmond/Brown sigue siendo la única propuesta que proporciona una racionalización adecuada de los datos experimentales de esta reacción. Son de destacar los resultados más recientes publicados por Tsogoeva y colabora- dores en 2007 sobre reacciones puramente orgánicas que mues- tran propiedades similares de autocatálisis y amplificación del ee, y que han supuesto un revulsivo para la comunidad cientí- fica, puesto que la química involucrada se encuentra mucho más cercana a la que podría ser prebióticamente plausible (Figura 3).
(30 mol%, 99% ee) Figura 3. El primer sistema organoautocatalítico asimétrico descrito por Tsogoeva y colaboradores.
La quiralidad a nivel molecular
en los seres vivos
Independientemente del origen de la homoquiralidad, pero como consecuencia de la misma, las moléculas orgánicas pre- sentes en los seres vivos, las enzimas, receptores celulares, neurotransmisores, hormonas y, en conjunto, las especies bio- químicas que intervienen en el metabolismo, se construyen a partir de pequeñas moléculas quirales, tales como aminoácidos o hidratos de carbono, presentes en los organismos vivos como un único enantiómero. Presentan pues una estereoquímica de- finida, y por tanto los dos enantiómeros de una sustancia que tenga que interaccionar con estos receptores podrán presentar en el organismo humano un comportamiento diferente.
La idea de que los procesos bioquímicos siguen un com- portamiento del tipo reconocimiento químico/respuesta fue propuesta por Emil Fischer en 1894, que usó para ello el concepto de "llave y cerradura". La idea es que un compuesto químico concreto se puede adaptar especialmente a una lo- calización específica de una biomolécula, lo que inicia una cierta respuesta bioquímica. El término cerradura y llave se usa todavía ampliamente, pero hoy en día se sabe que mu- chas moléculas diferentes con estructuras similares, pero no necesariamente idénticas, pueden iniciar respuestas bioquí- micas similares.
Con el fin de racionalizar las distintas interacciones com- puesto activo-receptor observadas para los dos enantiómeros de un compuesto biológicamente activo, Easson y Stedman pro- pusieron en 1933 un "modelo de acoplamiento de tres puntos" (3D point interaction). Las interacciones consideradas en este modelo pueden ser de tipo electrostático (por ejemplo, repul- sión de cargas del mismo signo y atracción de cargas opues- tas), fuerzas atractivas débiles como el enlace de hidrógeno, la formación de enlaces covalentes (electrones compartidos entre los átomos que interaccionan), o pueden consistir en simples interacciones de tipo estructural debidas al tamaño o la forma de las especies que se aproximan, en virtud de los llamados efectos estéricos. El modelo, que claramente supone una sim- plificación, se basa en que si tres grupos de la molécula de un enantiómero dado interaccionan con tres posiciones comple- mentarias en un receptor quiral del organismo, el otro enan- tiómero no podrá interactuar exactamente del mismo modo. Como consecuencia de ello, los dos enantiómeros de un com- puesto pueden presentar una actividad biológica diferente (distinta velocidad de reacción, interacciones con receptores diferentes, efectos secundarios, etc.), efecto que de hecho se puede observar en numerosos ejemplos de nuestra vida.
Así, los receptores olfativos están constituidos por proteí- nas que están compuestas por aminoácidos L, por lo que no es sorprendente que nuestro olfato sea bastante sensible no sólo a la estructura química de las moléculas responsables del olor, sino también a su quiralidad. En la práctica, para una pareja de enantiómeros pueden existir diferencias no sólo en el olor, sino también en el umbral de sensibilidad, es decir, la concentración a la que un enantiómero puede ser detectado. Hasta mediados del siglo XX no fue posible preparar compuestos enantioméri- camente puros y comprobar la diferencia de sus olores. Uno de los primeros ejemplos descritos en este sentido en 1971 fue el de la pareja de enantiómeros constituida por la (R)-(-)-carvona, que huele a hierbabuena, y la (S)-(+)-carvona, que huele a co- mino. Otro ejemplo lo constituye el (R)-(+)-limoneno, respon- sable del olor de la naranja, y el (S)-(-)-limoneno responsable del olor a limón. En algunos casos la diferencia entre enantió- meros se refleja más en la sensibilidad que en el tipo de olor. Por ejemplo, el (+)-nootkaton es responsable del olor del po- melo. El umbral de sensibilidad para el percibir el olor de este compuesto es 2000 veces más bajo que el de su enantiómero, que también tiene olor a fruta (Figura 4).
Otro ejemplo interesante es la androsterona. Esta mo- lécula, que contiene seis centros estereogénicos, es casi la más grande que puede oler un ser humano (Figura 5). Como su nombre sugiere, el hombre secreta el enantiómero (+), presente fundamentalmente en el sudor axilar. La (+)androsterona se encuentra también en las trufas, lo que permiten que los cer- dos, que son atraídos por este olor, las encuentren aunque estén enterradas. El enantiómero (-) no tiene un olor detectable por los humanos.
Figura 4. Estructuras de los dos enantiómeros de la carvona, el limoneno y el nootkaton.
Figura 5. Estructuras de los dos enantiómeros de la androsterona.
En lo que se refiere al sentido del gusto, se cree que el ser humano sólo puede detectar cinco tipos diferentes de sabores: sa- lado, ácido, dulce, amargo y umami. Este último es relativamente nuevo en el mundo occidental, pero era muy conocido en Japón desde comienzos del siglo XX. El nombre umami, sugerido por el profesor Kikunat Ikeda, de la Universidad de Tokyo, proviene de la combinación de los términos japoneses umai ( significa delicioso y mi ( ) que significa sabor. Se podría descri- bir como jugoso o sabroso, y está asociado fundamentalmente al glutamato monosódico, que fue descubierto y aislado por el pro- fesor Ikeda en 1908 a partir de algas marinas.
Existen muchos menos datos sobre la influencia de la qui- ralidad en el sabor que en el olor, pero un ejemplo bien estu- diado es justamente el glutamato monosódico. Este compuesto, que se puede comprar en los supermercados y se utiliza como aditivo para cocinar, es la sal monosódica del ácido L-glutámico (Figura 6). Su enantiómero, el D-glutamato monosódico, no tiene sabor alguno. Muchos de los aminoácidos de la serie L tie- nen un fuerte sabor umami, pero ninguno de la serie D lo posee.
Sal mono sódica del Sal mono sódica del ácido L-glutámico ácido D-glutámico Figura 6. Estructura de los dos enantiómeros de la sal sódica del ácido glutámico.
Hace algunos años se sugirió que la L-sacarosa, enan- tiómero del azúcar de mesa, que es la D-sacarosa (compuesta por unidades de D-fructosa y D-glucosa), podría ser un buen edulcorante artificial (Figura 7). La idea no es mala, ya que teniendo en cuenta que se sabe que tanto los hidratos de car- bono de la serie D como los de la serie L tienen sabor dulce, la L-sacarosa debería ser dulce, pero no engordaría, ya que no sería digerida ni metabolizada de la misma forma que el azú- car natural. El problema es sin duda la dificultad y los costes prohibitivos que conllevan la producción de un azúcar no na- tural en la escala necesaria para su comercialización.
Figura 7. Estructuras de los dos enantiómeros de la sacarosa.
Es interesante también considerar el papel de los olores en la comunicación. Los humanos usamos nuestros sentidos de una manera muy diferente a la de otras especies. La sensibili- dad y selectividad de nuestro olfato es bastante pobre cuando se compara con las de la mayoría de los animales. El ser hu- mano confía fundamentalmente en sus ojos y sus oídos para evitar el peligro, y tiene la capacidad de comunicarse a través de la lengua. Sin embargo, muchas especies de animales usan la producción y detección de olores para su comunicación, y la importancia de la quiralidad en estos casos es indudable.
Una feromona (del griego pherein, transportar, y hormon, excitar) es una sustancia secretada por un animal o planta in- dividual que, al ser detectada por un individuo de la misma especie, induce una reacción específica. Las feromonas se han asociado fundamentalmente a diversos aspectos de la atrac- ción sexual y la reproducción, pero también se han identificado como portadoras de señales de alarma, de señales para la agre- gación, señales de identificación individual, o señales para la atracción de posibles presas o para la repulsión de depredadores. Las dos principales aproximaciones para la comunicación a tra- vés de los olores es la variación de las concentraciones relativas de los distintos compuestos volátiles emitidos o la secreción de un compuesto concreto, a menudo con una especificidad enan- tiomérica. Aunque las feromonas se han estudiado en mamí- feros, especialmente en roedores y cerdos, la mayor proporción de estudios, especialmente los relativos a la importancia de la quiralidad, se han realizado en insectos.
En 1973 el profesor Kenji Mori, de la Science University de Tokyo, mientras enseñaba a sus alumnos los primeros expe- rimentos de Pasteur sobre estereoquímica, se dio cuenta de que podía usar los dos enantiómeros del ácido tartárico para sinte- tizar los dos enantiómeros de la brevicomina. Se sabía que la exo-brevicomina y la frontalina eran componentes de la fero- mona responsable del comportamiento de agregación del esca- rabajo del pino del oeste (Dendroctonus brevicomis), responsable de graves plagas de las coníferas. En colaboración con el profe- sor Wood de la Universidad de Berkeley, en California, demos- traron que los escarabajos del pino del oeste eran atraídos por la (+)-brevicomina y, sin embargo, su enantiómero, la (-)-brevi- comina, era completamente inactivo a estos efectos (Figura 8).
Figura 8. Estructura de los dos enantiómeros de la brevicomina.
El conocimiento sobre la biología y la química asociada con la comunicación en insectos está adquiriendo una impor- tancia creciente a medida que la sociedad intenta desarrollar métodos más medioambientalmente benignos para el control de las plagas. Por ejemplo, el conocimiento de la especial sen- sibilidad de los mosquitos y otros insectos a los enantiómeros específicos de repelentes puede conducir sin duda a productos comerciales más orientados. De hecho, el uso comercial de fe- romonas a gran escala ha ido aumentando como consecuen- cia de los esfuerzos realizados para aumentar la producción de alimentos, disminuyendo al mismo tiempo el uso generali- zado de pesticidas y herbicidas. En muchos casos las feromo- nas se usan para atraer insectos específicos y atraparlos, y en otros casos se usan directamente para modificar la población de insectos, interrumpiendo el apareamiento mediante la apli- cación de feromonas que dificultan que las parejas se localicen.
Figura 9. Estructura de los dos enantiómeros de la luciferina.
Otros seres vivos "usan" la quiralidad de otras formas muy interesantes y a veces inesperadas. Un ejemplo es el de las lu- ciérnagas, que son los más conocidos de entre los seres vivos que despiden luz. La reacción química que conduce a la bioluminis- cencia involucra a la D-luciferina, nombre que hace alusión a Lucifer (del latín lux "luz" y fero "llevar": "portador de luz"). La estructura de este compuesto está relacionada con la del ami- noácido D-cisteína (Figura 9). Lo interesante está en el hecho de que la forma natural de la cisteína es la L-cisteína. ¿Cómo fabrica la luciérnaga la D-luciferina (o la D-cisteína), y por qué para que se dé el fenómeno de la bioluminiscencia se emplea el aminoácido no natural? Niva y colaboradores, en Osaka, criaron luciérnagas japonesas (Luciola lateralis) y analizaron la cantidad de D-luciferina, L-luciferina, D-cisteína y L-cisteína en distintos momentos del ciclo de la vida de estos insectos. Observaron que la cantidad de D-luciferina crecía con la edad, detectándose muy poca cantidad de D-cisteína. Llegaron a la conclusión de que la luciérnaga sintetiza L-luciferina a partir del aminoácido natural, L-cisteína, y utiliza una enzima para transformarla en la D-luciferina, que se emplea para el efecto parpadeante que atrae a la pareja. Dado que la luciérnaga no come después de pasar del estado de larva, necesita almacenar de forma segura los compuestos luminiscentes, lo que se lleva a cabo en forma del isómero D, menos susceptible a otros procesos metabóli- cos que podría sufrir la L-cisteína natural.
Quiralidad y actividad de los fármacos
Sin embargo, la importancia de la quiralidad alcanza su máxima expresión en el diseño, desarrollo y uso de nuevos fár- macos, cuyo impacto en la longitud y calidad de vida de los seres humanos es enorme. Aunque existen algunos fármacos comunes aquirales, como la aspirina (ácido acetilsalicílico) y el paracetamol [N-(4-hidroxifenil)etanamida] (Figura 10), la ma- yoría de los medicamentos son compuestos quirales.
Figura 10. Estructuras de la aspirina y del paracetamol.
Dado que los remedios usados en la medicina natural y en la medicina tradicional se obtienen casi exclusivamente de las plantas o de los animales, cuando son quirales están constitui- dos por un solo enantiómero. Uno de los productos naturales quirales más ampliamente usado durante miles de años es la morfina, nombrada así por el farmacéutico alemán Friedrich Wilhelm Adam Sertürner en honor a Morfeo, el dios griego de los sueños. La morfina, que se purificó a comienzos del siglo XIX, es el alcaloide que se encuentra en mayor propor- ción en el opio, que se extrae de las cápsulas verdes de la ador- midera (Papaver somniferum) (Figura 11).
O (R) H (R) Figura 11. Estructura de la morfina.
A comienzos del siglo XX comenzaron a cobrar impor- tancia los estudios comparativos de la efectividad de los com- puestos naturales enantioméricamente puros frente a la de la mezcla racémica. Por ejemplo, Fromherz demostró en 1923 que la (-)-adrenalina o epinefrina, secretada por las glándulas suprarrenales, era un 50% más activa sobre la presión sanguí- nea que la mezcla racémica, y que la (-)-adrenalina era 30-40 veces más activa que la (+)-adrenalina (Figura 12).
Figura 12. Estructura de los dos enantiómeros de la adrenalina.
En la primera mitad del siglo XX se realizaron impor- tantes avances en la química, sin duda en gran parte motiva- dos por las necesidades de un mundo que se había encontrado con dos guerras devastadoras. Por una parte, en esta época fue posible la extracción, purificación e identificación de produc- tos naturales de una manera mucho más eficiente y precisa, y por otra, la industria basada en la síntesis de nuevos compues- tos no naturales progresó notablemente.
Pero paralelamente a las ventajas derivadas de la dispo- nibilidad de nuevos compuestos, ocurrieron tragedias, entre las que destaca el desarrollo y comercialización de la talido- mida. Este compuesto fue fabricado por la compañía quí- mica alemana Chemie Grünenthal en los años cincuenta, en la búsqueda de una manera económica de preparar un nuevo antibiótico. El compuesto sintetizado resultó no poseer pro- piedades antibióticas, pero era útil como sedante y antináusea, por lo que se empleó para disminuir los síntomas de mujeres embarazadas en los primeros meses de gestación. La trage- dia fue que este fármaco produjo más de 10.000 malforma- ciones fetales en todo el mundo. Posteriormente se demostró que la (R)(+)-talidomida es responsable del efecto sedativo de este fármaco, y que la (S)-(-)-talidomida es responsable de los efectos teratogénicos (Figura 13). En principio podría pensarse en la posibilidad de emplear el enantiómero R puro para aprovechar su efecto sedante, evitando así el efecto no deseado del enantiómero S. Sin embargo, esto no es posible, porque en el cuerpo tiene lugar una rápida interconversión de los dos enantiómeros de este compuesto (racemización), de tal manera que la presencia del enantiómero perjudicial no puede evitarse.
Figura 13. Estructura de los dos enantiómeros de la talidomida.
El caso de la talidomida no sólo puso de relieve la im- portancia de la quiralidad en el desarrollo de nuevos fár- macos, sino que demostró la necesidad imperiosa de llevar a cabo un análisis riguroso de los distintos enantiómeros en lo que se refiere a su eficiencia y seguridad. En parte como con- secuencia de esta tragedia, se consideró necesaria la existencia de una legislación más restrictiva para la aprobación de nue- vos fármacos. Así, en 1992 la Food and Drug Administration (FDA) comenzó a exigir para la comercialización de nuevos fármacos como mezcla racémica que se determinasen las acti- vidades farmacológicas y toxicológicas de los dos enantiómeros por separado, y que se comprobase la posible interconversión de los mismos en animales y en humanos.
El ciclo de la vida de un fármaco en el cuerpo involucra la absorción de la sustancia, el transporte y distribución, la inte- racción con los receptores, el metabolismo y la excreción, entre otras posibles funciones. Todos estos procesos potencialmente pueden ser distintos para los dos enantiómeros de un com- puesto determinado. En la práctica, el número de fármacos quirales en los que los dos enantiómeros tienen la misma ac- tividad es relativamente bajo. Muy a menudo los dos enantió- meros tienen efectividad cuantitativamente muy diferente, y en algunos casos muy distintas propiedades terapéuticas, como en el caso de la talidomida. Existen innumerables ejemplos de la interacción diferencial de enantiómeros en el caso de fármacos de uso muy extendido.
Uno de ellos es el ibuprofeno, fármaco anti nflamatorio no esteroide (AINE), que se comercializa bajo distintas mar- cas. Se sabe que el (S)-ibuprofeno es mucho más efectivo para calmar el dolor que el enantiómero R (Figura 14). Aunque es posible la preparación del enantiómero S puro, se ha demos- trado que el enantiómero R se isomeriza enzimáticamente ori- ginando el enantiómero S, por lo que puede considerarse como un profármaco de este último. Como consecuencia de ello, el ibuprofeno se comercializa casi siempre como mezcla racémica.
Figura 14. Estructura de los dos enantiómeros del ibuprofeno.
La fluoxetina (también conocida como Prozac®, su pri- mer nombre comercial), es un fármaco oral psicotrópico para el tratamiento de la depresión, del que en el año 2006 se hicieron más de 21 millones de prescripciones. Los dos enantiómeros tienen propiedades como antidepresivos, pero el enantiómero S se elimina más lentamente del cuerpo (15). El Prozac se fa- brica y se vende en forma racémica.
Figura 15. Estructura de los dos enantiómeros de la fluoxetina.
El Cialis® (taladafil), a diferencia de sus dos competidores como fármacos para la disfunción eréctil, la Viagra® (sildena- fil) y el Levitra® (vardenafil), es un compuesto quiral, del que se prescribe el enantiómero (R,R), que es mucho más activo que los otros posibles estereoisómeros (Figura 16).
El esomeprazol (Nexium®) fue introducido por la compa- ñía farmacéutica AstraZeneca para controlar el ardor de estó- mago y el reflujo gástrico, reemplazando al popular omeprazol (Prilosec®). El omeprazol es una mezcla racémica, y el eso- meprazol es el enantiómero S, en el que el centro estereogé- nico es un átomo de azufre en lugar de un átomo de carbono (Figura 17). Se ha demostrado que el esomeprazol es mucho más efectivo que el (R)-omeprazol, y al menos dos veces más efectivo que la mezcla racémica.
Taladafil (Cialis®) Sidenafil (Viagra®) Vardenafil (Levitra®) Figura 16. Estructuras del taladafil (Cialis®), sidenafil (Viagra®) y vardenafil (Levitra®).
Figura 17. Estructura de los dos enantiómeros del omeprazol.
El fármaco reductor del colesterol atorvastativa (Lipitor®) es quizás el más vendido en el mundo. Inicialmente se patentó y vendió como mezcla racémica de los enantiómeros (R,R) y (S,S). Más recientemente se ha comercializado el enantiómero activo (R,R), que según se indica es 10 veces más activo que la mezcla racémica (Figura 18).
Figura 18. Estructura de la (R,R)-atorvastatina.
Hasta hace poco tiempo, aunque uno de los enantiómeros de un fármaco fuese inactivo era habitual la comercialización del mismo en forma racémica. Sin embargo, la tendencia ha evo- lucionado en los últimos años hacia la comercialización en muchos casos en forma enantioméricamente pura, en una evo- lución conocida como "chiral switching". Existen distintos mo- tivos que han promovido este cambio.
Por una parte, se han desarrollado nuevas metodologías de síntesis de compuestos quirales, o de purificación de enan- tiómeros a partir del racémico, más económicos y sencillos. Adicionalmente, como ya se ha indicado, las normativas dic- tadas por distintos organismos reguladores obligan a realizar todos los estudios de estabilidad, farmacocinética, ensayos clí- nicos, etc. previos a la comercialización de un nuevo fármaco para los dos enantiómeros, aunque éste vaya a ser adminis- trado de forma racémica. La elección final para la puesta en el mercado como isómero único o como racemato tiene que estar plenamente justificada sobre la base de las propiedades químicas y los ensayos preclínicos y clínicos. Adicionalmente, la forma activa enantioméricamente pura de un fármaco pre- senta en general un tiempo de respuesta notablemente infe- rior al de la mezcla racémica, y como consecuencia es posible reducir la dosis del fármaco, con lo que pueden disminuir los efectos secundarios del mismo. Por último, lo que ocurre con el isómero inactivo ingerido en el racémico puede llegar a ser un problema, puesto que su acumulación innecesaria en el organismo humano puede provocar a largo plazo efectos no deseados en algunos casos.
La incidencia de todos estos conceptos en la industria far- macéutica es muy importante. Los fármacos quirales consti- tuyen más de la mitad de los aprobados cada año en todo el mundo. Por otra parte, es interesante destacar que entre los 10 fármacos más vendidos en EEUU en 2010, siete eran enantió- meros puros (de hecho los tres primeros, Nexium®, Lipitor® y Plavix®, lo eran), sólo dos eran compuestos aquirales, y uno era una combinación de dos productos, uno enantiomérica- mente puro y otro racémico.
Preparación de enantiómeros puros
La industria farmacéutica es sin duda una de las que mayor demanda exige de procedimientos sencillos y adecuados para la síntesis y/o separación de enantiómeros puros, pero la nece- sidad de obtener moléculas orgánicas enantiopuras se extiende como hemos visto a otros campos muy diversos. Los herbicidas, plaguicidas, pesticidas y reguladores del crecimiento de plantas que poseen estructuras quirales y que son ampliamente usados en agricultura, también muestran fuertes biodiscriminaciones. Otros campos de interés se encuentran en la industria alimen- ticia, la petroquímica o la cosmética, fragancias, aromas, adi- tivos alimentarios, y la química de materiales quirales, como polímeros y cristales líquidos.
La enorme demanda de compuestos quirales enantio- méricamente puros se encuentra también motivada por los conceptos de sostenibilidad y desarrollo sostenible, que de- sarrollados a principios de los 90 pretenden despertar una mayor atención sobre la minimización de los riesgos humanos y ecológicos. Una sociedad sostenible es aquella que es capaz de satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades, haciendo así el progreso compatible con la conservación del medio ambiente y el ahorro de re- cursos naturales.
El desarrollo sostenible se puede conseguir mediante di- versas aproximaciones, que incluyen la regulación de la conta- minación y la eliminación de residuos, la búsqueda de energías alternativas y el desarrollo de materiales degradables o reci- clables, acciones todas ellas reconocidas como imprescindibles para la protección de la salud ambiental y humana.
Este espíritu se extendió también al campo de la química, y en 1991 nació la "química verde", que en sus 12 principios resume las estrategias fundamentales para el diseño de nuevos productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso y la generación de sustancias peligrosas: 1. Prevenir la formación de residuos en lugar de tratarlos tras su formación.
2. Diseñar métodos sintéticos que consigan la máxima in- corporación de todas las materias usadas en el proceso en el producto final (economía atómica).
3. Diseñar metodologías sintéticas que usen sustancias con escasa toxicidad humana y ambiental.
4. Diseñar productos químicos que, preservando la eficacia de su función, presenten una toxicidad escasa.
5. Minimizar el uso de reactivos y disolventes auxiliares 6. Diseñar procesos con los mínimos requerimientos ener- géticos (temperatura y presión ambiente).
7. Usar preferentemente materias de partida renovables.
8. Diseñar síntesis más cortas, evitando la derivatización (bloqueo de grupos, protección/desprotección).
9. Reemplazar los procesos estequiométricos por proce- sos catalíticos.
10. Diseñar nuevos productos biodegradables (que no per- sistan en el ambiente, sino que se fragmenten en pro- ductos de degradación inocuos).
11. Desarrollar métodos de análisis y control de los proce- sos en tiempo real y on line.
12. Elegir materias primas y diseñar procesos que minimi- cen la posibilidad de accidentes.
A la luz de estos principios, en los últimos tiempos se ha llevado a cabo una intensa investigación encaminada al de- sarrollo de nuevos métodos más eficientes para la preparación de compuestos enantiopuros.
Como hemos visto, los sistemas vivos descubrieron hace billones de años como fabricar enantiómeros puros. En el siglo XXI muchos químicos, entre los que me encuentro, tra- bajamos en el campo de la síntesis asimétrica artificial, con el objetivo de conseguir la eficiencia y la selectividad quiral que presentan las biomoléculas. Y aunque se han realizado nota- bles progresos en este campo, todavía no nos aproximamos ni de lejos a esa capacidad sintética de la naturaleza.
En general, cuantos más centros estereogénicos hay en una molécula, más complicado es el proceso. Algunos de los fár- macos que hemos comentado anteriormente tienen uno o dos centros estereogénicos, y los procesos desarrollados para su sín- tesis pueden ser relativamente directos. Pero hay muchos fár- macos importantes que tienen muchos centros estereogénicos y se aíslan de las plantas o de los animales en cantidades varia- bles o muy pequeñas. Su uso extendido y las posibles modifica- ciones estructurales que conduzcan a productos de propiedades mejoradas descansa en el diseño que se pueda hacer para su síntesis artificial. Un ejemplo de la preparación de un producto natural complejo con todos los centros estereogénicos con la es- tereoquímica correcta, en un proceso al que se denomina sín- tesis total, es el fármaco anticancerígeno paclitaxel (Taxol®), que fue inicialmente aislado de la corteza del tejo del Pacífico (Figura 19). Tiene 11 centros estereogénicos, lo que constituye todo un reto, que ha sido acometido por numerosos grupos in- vestigadores de prestigio.
En general, la química sintética se enfrenta con dos po- sibilidades para obtener productos enantioméricamente puros: preparar la mezcla racémica y encontrar una manera eficiente de separar los enantiómeros, o comenzar la síntesis con sus- tancias quirales que muy probablemente tienen un origen en un ser vivo (productos naturales o chiral pool).
Figura 19. Estructura del paclitaxel.
En lo que se refiere a la primera aproximación, el método clásico para la separación de racémicos ha sido la resolución de mezclas de enantiómeros a través de una reacción con un reac- tivo quiral en cantidad estequiométrica. Se convierten así los dos enantiómeros en una pareja de diastereoisómeros, separa- bles con las técnicas de separación clásicas, por sus diferentes propiedades físicas y químicas, a partir de los que se recupera el reactivo quiral y los enantiómeros. La resolución de racémi- cos más simple explota la formación de sales diastereoisoméri- cas con ácidos o bases quirales y la cristalización preferencial de uno de ellos. La posibilidad de recuperar ambos enantió- meros y el agente de resolución de las sales diastereoisoméricas separadas por simple variación del pH hace que este método sea ampliamente usado a escala industrial. Este tipo de sepa- ración de sales diastereoisoméricas, que ya usó Pasteur para la separación de los dos enantiómeros del ácido tartárico, se usa todavía en el laboratorio y en la producción a gran escala de enantiómeros. Un ejemplo es la separación del enantiómero S del antidepresivo e inhibidor selectivo de recaptación de sero- tonina citalopram (Celexa®, Ciprolex®, Lexipro®) a partir de la mezcla racémica (Figura 20).
Figura 20. Estructura de los dos enantiómeros del citalopram.
Una técnica más reciente para separar enantiómeros con- siste en la cromatografía líquida sobre fases estacionarias qui- rales (CSPs), técnica que, basada en interacciones no covalentes reversibles, se usa ampliamente para la determinación analí- tica de la pureza enantiomérica, pero que puede escalarse fá- cilmente a nivel preparativo. Este método es especialmente adecuado en los casos en los que los compuestos quirales no posean grupos funcionales que permitan una fácil derivati- zación. En esta aproximación una disolución que contiene la mezcla racémica se hace pasar a través de una columna que contiene un material quiral sólido. A medida que la disolución que contiene los enantiómeros pasa a través de la columna, bien por gravedad o por la acción de una bomba de presión, los enantiómeros interaccionan de una manera diferente con el soporte quiral, al que se denomina fase estacionaria quiral. Si por ejemplo el enantiómero R es más fuertemente atraído por el soporte quiral, o se adapta mejor a su forma, entonces su ve- locidad de paso a través de la columna será menor que la del enantiómero S. Al final de la columna, existe un detector que, en las condiciones óptimas en las que se consigue la máxima separación entre los enantiómeros, indica cuándo sale de la co- lumna cada uno de ellos. El uso de columnas quirales de varios tipos se ha extendido desde los años 80 a medida que ha au- mentado la necesidad de separación de enantiómeros a escala de laboratorio y a escala preparativa. Diversos fármacos qui- rales se han preparado con fines comerciales usando la croma- tografía quiral, como el antidepresivo (S)-sertralina (Zoloft®) (Figura 21). El principal inconveniente de esta aproximación es que es a menudo cara, ya que se requiere un agente de re- solución o de separación, y por otra parte se desecha el enan- tiómero no deseado.
Figura 21. Estructura de la (S,S)-sertralina.
Como extensión de este método, en los casos de com- puestos con funcionalidades químicas sin grupos ácidos o básicos, la resolución puede conseguirse a través de la com- plejación enantioselectiva mediante enlaces de hidrógeno y otras interacciones débiles de un racemato con los anfitrio- nes adecuados.
Aunque se prefieren los métodos basados en la forma- ción de sales o complejos diastereoisoméricos por la rever- sibilidad de las interacciones involucradas que permiten la recuperación simple de un reactivo quiral, también se ha em- pleado en la resolución de racematos la conversión de enan- tiómeros en derivados diastereoisoméricos por interacciones covalentes con un reactivo quiral. Los derivados diastereoi- soméricos se purifican normalmente por cromatografía, y los enantiómeros del sustrato se recuperan por eliminación del grupo auxiliar.
Una alternativa a la resolución clásica de racematos es la resolución cinética, proceso en el que los dos enantiómeros de una mezcla racémica reaccionan a velocidades diferentes en una transformación determinada. Si la resolución cinética es eficiente, uno de los enantiómeros se convierte en el producto deseado, mientras que el otro se recoge inalterado. Este pro- cedimiento presenta la limitación de que posee un máximo rendimiento teórico del 50%. Un ejemplo de este tipo de se- paración lo constituyen las resoluciones biocatalíticas, en las que un sustrato racémico reacciona bajo el control de una en- zima, que no es más que una proteína que sirve como catali- zador para una reacción química específica en una célula viva. Enzimas hidrolíticas, como las lipasas y estearasas, se emplean muy frecuentemente en síntesis orgánica. Debido a la quirali- dad intrínseca de las enzimas, los enantiómeros de un sustrato racémico pueden transformarse con distintas velocidades de acuerdo con su tendencia a interaccionar con la posición activa.
La resolución cinética dinámica (DKR) constituye un avance notable, que supera parte de las limitaciones de la resolución clásica. Esta técnica combina el paso de resolución de la reso- lución cinética con una equilibración in situ o racemización de un sustrato quiral por métodos químicos, biocatalíticos o in- cluso de manera espontánea. De esta manera sería posible que todo el material racémico de partida se convirtiese en última instancia en un único enantiómero.
La segunda aproximación para la síntesis de compuestos enantioméricamente puros es la denominada síntesis asimétrica, que consiste en la formación preferente de un enantiómero cuando se forma un nuevo centro estereogénico en reacciones llevadas a cabo en un ambiente quiral. Esta estrategia consti- tuye sin duda la alternativa más poderosa para la obtención de compuestos enantioméricamente enriquecidos.
La fuente de quiralidad puede provenir del sustrato o del reactivo, de tal manera que un grupo quiral preexistente en al- guno de ellos ejerce alguna influencia en la dirección de la interacción entre ambos, lo que conduce a una mezcla no ba- lanceada de enantiómeros. Dentro de este apartado se incluye la síntesis a partir de la reserva quiral o "chiral pool", que emplea como sustancias de partida relativamente baratas y renovables compuestos enantiopuros de origen natural, cuya quiralidad se retiene en los productos finales a través de sucesivas reacciones con reactivos aquirales en procesos de estereoquímica contro- lada. Los hidratos de carbono, los aminoácidos, los terpenos, los hidroxiácidos y los alcaloides son sustancias de partida em- pleadas con mucha frecuencia en la síntesis de compuestos de estructura muy diversa. La principal limitación de esta aproxi- mación es que, en la mayoría de los casos, se dispone sólo de uno de los enantiómeros de las sustancias de partida, y en mu- chos casos el otro enantiómero es muy difícil de sintetizar o simplemente no es asequible. A pesar de todo ello, esta apro- ximación ha sido y sigue siendo ampliamente utilizada cuando ello es posible.
La fuente de quiralidad puede provenir también de un ca- talizador quiral, y en este caso la conversión de sustratos pro- quirales en productos enriquecidos enantioméricamente es promovida por una cantidad sub-estequiométrica del mismo que es capaz de regenerarse, con una transferencia de qui- ralidad intermolecular continua. La principal ventaja de este método es que, dado que el catalizador no se consume en el proceso, cada molécula puede participar en muchos ciclos con- secutivos, por lo que sólo se necesitan pequeñas cantidades del mismo para obtener grandes cantidades de compuestos enan- tioenriquecidos. Es importante destacar que un catalizador no es simplemente algo que acelera una reacción sin que se con- suma en el proceso, sino que de hecho abre un camino de re- acción distinto y más favorable energéticamente que el de la reacción no catalizada.
Hay que destacar que la moderna biología molecular y la biotecnología han tenido un tremendo impacto en la dispo- nibilidad de moléculas quirales para distintos usos, mediante procesos industriales que involucran microorganismos natura- les o modificados para producir los productos quirales deseados a partir de fuentes asequibles. Como ejemplo, en los últimos tiempos se han preparado diversos L-aminoácidos de impor- tancia comercial mediante el uso de determinadas cepas muy eficientes de bacterias y otros microorganismos. Así, el ácido L-aspártico se puede obtener a partir del amoniaco (NH3) aqui- ral y el ácido fumárico mediante la enzima aspartasa aislada de la bacteria Escherichia coli. Este proceso industrial tiene rele- vancia, ya que el aspartamo, conocido edulcorante artificial que se comercializa bajo varias marcas como Natreen®, Canderel® o NutraSweet®, se puede obtener en gran escala a partir del ácido L-aspártico y la Lfenilalanina mediante un proceso bio- tecnológico (Figura 22). El L-aspartamo es de 150 a 200 veces más dulce que el azúcar, mientras que el D-aspartamo tiene sabor amargo.
Figura 22. Estructura del aspartamo.
Teniendo en cuenta las bases de las distintas aproximacio- nes comentadas, la catálisis asimétrica se erige como una de las estrategias más útiles y respetuosas con el medio ambiente. Desde que se describió el primer catalizador artificial para la ciclopropanación asimétrica y la primera aplicación de un pro- ceso catalítico asimétrico a escala industrial (Monsanto) para la producción del fármaco anti-Parkinson LDOPA, ha existido un creciente interés en el desarrollo de nuevas reacciones cata- líticas enantioselectivas. La catálisis asimétrica ha demostrado ser una aproximación altamente competitiva para la produc- ción de compuestos quirales a partir de moléculas aquirales, y su creciente importancia fue reconocida en 2001 con la conce- sión del Premio Nobel de Química a los profesores Knowles, Noyori y Sharpless por sus investigaciones fundamentales en este campo. Dado que la efectividad de una reacción catalítica enantioselectiva reside en la estructura del catalizador quiral, cuyas características químicas, estereoquímicas, electrónicas y estéricas determinan el control de la inducción asimétrica, para el desarrollo de nuevos procesos asimétricos "verdes" se hace imprescindible una búsqueda intensiva de nuevos cata- lizadores y metodologías innovadoras, que en muchos casos deben derivar de un mejor entendimiento del mecanismo de cada reacción.
En la actualidad, los avances en ambas direcciones, di- seño de nuevos catalizadores quirales y nuevos procesos enan- tioselectivos, han conducido a sistemas efectivos para una gran variedad de reacciones asimétricas. La organización de los sustratos en el entorno quiral de los catalizadores, requisito esencial para la inducción asimétrica, se ha abordado por coor- dinación con metales de transición, la formación de interme- dios unidos covalentemente a los reactivos, o a través de redes de enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas. La ac- tivación simultánea de los dos componentes de una reacción usando la catálisis bifuncional ha conseguido a menudo alcan- zar mejores rendimientos químicos y ópticos de los productos. Muchas transformaciones asimétricas se han aplicado ya a la síntesis de compuestos quirales con actividad biológica o far- macológica, y es indudable que en el futuro se extenderá a un mayor número de preparaciones a gran escala.
A lo largo de este viaje, en el que hemos intentado ana- lizar qué les sucede a las moléculas cuando se miran en el es- pejo, queda patente la importancia de la asimetría para la vida tal y como la conocemos. Sin embargo, en todas las culturas, simetría y belleza aparecen como consustanciales. Reconocer y contemplar formas y estructuras simétricas es una fuente de placer que comenzamos a descubrir desde la infancia, ya que transmiten precisión, orden, calma. Por su parte, la asimetría transmite agitación, tensión, dinamismo, alegría, vitalidad. Hoy todavía estamos muy lejos de llegar a comprender en pro- fundidad las razones de la asimetría del universo y los oríge- nes de la homoquiralidad. Pero en cualquier caso, los desafíos de la asimetría pueden hacer más interesante la vida, y hacer- nos ver el universo como algo aún más sorprendente, algo que está esperando para ser explorado y para ser entendido. Y por ese camino seguimos y debemos seguir, con un claro objetivo que ya enunció Albert Einstein: "No sólo queremos saber cómo es la naturaleza (y cómo se llevan a cabo las transformaciones en ella), sino que también queremos alcanzar si es posible una meta que puede parecer utópica y presuntuosa, conocer por qué la naturaleza es así y no de otra manera".
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ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
Es Licenciada (1980) y Doctora (1985) en Ciencias Químicas por la Universidad de Sevilla, en la que es Catedrática de Química Orgánica desde 2008. En 2011 fue elegida miembro de la Real Academia Sevillana de Ciencias. Sus intere ses en la investigación se centran en la síntesis asimétrica, en especial en la catálisis enantioselectiva mediada por metales y/o en procesos organocatalíticos. Es autora de un centenar de publicaciones, ha dirigido veinticuatro Tesis Doctorales, así como impartido conferencias en múltiples Congresos Nacionales e Interna cionales y en distintas Universidades y Centros de Investigación. Por otra parte ha estado implicada en tareas de gestión relacionadas con la investiga-ción a nivel nacional, autonómico y en el seno de la Comisión de Investigación de la Universidad de Sevilla.
LECCIONES INAUGURALES
ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
DE LA UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Es Licenciada (1980) y Doctora (1985) en Curso Académico 2014­2015 Ciencias Químicas por la Universidad de Sevilla, Miguel Toro Bonilla en la que es Catedrática de Química Orgánica La informática: una ingeniería joven ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ desde 2008. En 2011 fue elegida miembro de la muy importante Real Academia Sevillana de Ciencias. Sus intere­ Curso Académico 2013­2014 ses en la investigación se centran en la síntesis Ángel M. lópez y lópez asimétrica, en especial en la catálisis enantio­ La autonomía universitaria selectiva mediada por metales y/o en procesos organocatalíticos. Es autora de un centenar de Curso Académico 2012­2013pilar león-CasTro alonso publicaciones, ha dirigido veinticuatro Tesis Ideales y actitudes para la Universidad de Hoy Doctorales, así como impartido conferencias Curso Académico 2011­2012Jesús palaCios gonzÁlez CUANDO LAS MOLÉCULAS en múltiples Congresos Nacionales e Interna­cionales y en distintas Universidades y Centros de Investigación. Por otra parte ha estado im­ Paradojas del desarrollo humano Curso Académico 2010­2011ernesTo CarMona guzMÁn SE MIRAN EN EL ESPEJO. plicada en tareas de gestión relacionadas con la investigación a nivel nacional, autonómico y en el seno de la Comisión de Investigación de la Viaje a los confines de la tabla periódica. Átomos ligeros, átomos pesados y energía nuclear ORÍGENES Y CONSECUENCIAS Universidad de Sevilla.
Curso Académico 2009­2010Manuel Ángel VÁzquez MedelLa universidad del siglo XXI en la sociedad de la comunicación y del conocimiento DE LA ASIMETRÍA Curso Académico 2008­2009BeniTo Valdés CasTrillónConcepto de Botánica. Consideraciones sobre los reinos Lección Inaugural leída en la Solemne Apertura Curso Académico 2007­2008 del Curso Académico 2015-2016 Manuel zaMora Carranza en la Universidad de Sevilla Las motivaciones de la investigación científica Curso Académico 2006­2007FranCisCo garCía TorTosaPalabras y silencios Curso Académico 2005­2006eMilio góMez piñolRuptura vanguardista, desintegración y nostalgia del Arte Curso Académico 2004­2005Juan anTonio Carrillo salCedoGlobalización y orden internacional Catálogo completo de nuestras publicaciones en la página web

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