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La asimetría, una propiedad esencial para la vida

Por Luis Gómez-Hortigüela y Mar Gulis (CSIC)*

Los documentos del caso es una novela epistolar de misterio escrita por Dorothy Sayers en 1930. En la trama —atención, spoiler—, Harrison, un marido engañado aficionado a buscar setas, aparece muerto, aparentemente tras haber consumido una seta venenosa por error. Sospechando que podría haber sido asesinado por el amante de su madre, el hijo del fallecido, Paul, decide investigar su muerte. Descubre que la muscarina, el veneno que acabó con la vida de Harrison, es un producto natural procedente del hongo Amanita muscaria, pero también puede ser preparado artificialmente en el laboratorio. Entonces, ¿falleció el padre de Paul por comerse la seta equivocada o alguien acabó con su vida deliberadamente?

La respuesta a esta cuestión está en la quiralidad, una propiedad que compartimos seres vivos, objetos cotidianos como un tornillo o un sacacorchos y compuestos químicos como la muscarina. Un objeto es quiral cuando no es superponible con su imagen especular. El ejemplo clásico son nuestras manos. Si ponemos la mano izquierda frente a un espejo, se convierte en la derecha. Y si hacemos lo mismo con un tornillo, veremos que la rosca parece girar en sentido contrario. A escala humana, se manifiesta entre otros rasgos en que tenemos el corazón desviado a la izquierda y un cerebro que compartimenta las funciones de forma asimétrica en sus dos hemisferios, así como en la mayor habilidad en nuestra mano diestra (o zurda). La quiralidad está pues estrechamente asociada a la asimetría, es decir, a la falta de simetría. Las dos formas especulares no superponibles entre sí de un objeto o de una molécula quiral se denominan enantiómeros. Si retomamos el ejemplo de nuestras manos, la derecha y la izquierda serían los dos enantiómeros. Lo mismo sucede a nivel molecular, donde muchos compuestos son quirales y poseen dos enantiómeros, ambos imágenes especulares que no son superponibles entre sí, constituyendo por tanto diferentes entidades.

Ejemplar de cangrejo violinista (Uca tangeri) con una de sus pinzas claramente mayor que la otra. / Esmeralda Ramos-García Neto. Fundación Aquae

Pero lo que en el mundo macroscópico es fácil de comprobar —podemos observar a simple vista las diferencias entre nuestras manos o pies derechos e izquierdos— ¿cómo se manifiesta en el microscópico? Uno de los principales rasgos de los compuestos quirales es que poseen actividad óptica, es decir, cuando son expuestos a la luz polarizada tienen la propiedad de rotar el plano de luz un cierto ángulo en uno u otro sentido, según el enantiómero de que se trate.

Volvamos a nuestro protagonista fallecido y su hijo con sed de verdad. A estas alturas ya intuirán que la asimetría algo tiene que ver con la resolución del misterio de la muerte de Harrison. Pues sí. La muscarina es un compuesto quiral. Tanto la muscarina natural como la sintética comparten la misma composición y propiedades, salvo una sutil diferencia: la de procedencia natural tiene actividad óptica, mientras que la sintética es ópticamente inactiva, no produce ningún cambio en el plano de la luz. Al analizar la muscarina ingerida por su difunto progenitor con un polarímetro, Paul observa que esta no posee actividad óptica, lo que no deja lugar a dudas sobre su origen artificial. Descartada la procedencia natural de la muscarina que tomó su padre, Paul consigue demostrar que, efectivamente, Harrison había sido deliberadamente envenenado. Fue Louis Pasteur quien descubrió la quiralidad molecular a mediados del siglo XIX en un experimento que ha sido calificado como el más hermoso de la historia de la química, y constituye la clave para explicar qué le ocurrió a Harrison.

‘Homoquiralidad’: la naturaleza es asimétrica

La investigación del asesinato que plantea Sayers pone de manifiesto una diferencia crucial entre los compuestos quirales de origen sintético, preparados en el laboratorio, y los de origen natural, extraídos a partir de algún componente de un ser vivo. Los primeros, al ser preparados a partir de reacciones químicas que implican movimientos de electrones —sometidos a fuerzas electromagnéticas que no distinguen entre derecha e izquierda— se obtienen como mezclas al 50% de ambos enantiómeros, siendo ópticamente inactivos –la rotación de la luz polarizada en un sentido propiciada por un enantiómero se cancela por la rotación en sentido inverso del otro enantiómero. Por el contrario, los de origen natural, que se obtienen a partir de rutas metabólicas reguladas por diversas entidades bioquímicas presentes en todos los seres vivos, constan de un solo enantiómero, siendo por tanto ópticamente activos. Así, en palabras de Pasteur, la actividad óptica es una firma de la vida.

Moléculas quirales que conforman las macromoléculas funcionales de los seres vivos. En la imagen aparece a la izquierda un L-aminoácido y a la derecha un D-aminoácido. Solo los primeros se encuentran en las proteínas de la materia viva. / Wikipedia

La materia inanimada o inerte está asociada a la existencia de simetría, bien por estar constituida por elementos no quirales o por la existencia de ambas formas especulares en igual proporción de elementos quirales, mientras que la materia animada está invariablemente asociada a la quiralidad en su forma enantioméricamente pura. Podríamos decir que la naturaleza en su conjunto es un sistema quiral.

La mayoría de las moléculas que constituyen los organismos vivos son quirales y, en todos los casos, existe una clara preferencia por uno de los dos enantiómeros, lo que se conoce como ‘homoquiralidad’. Esto es lo que ocurre con los ‘ladrillos’ de los que estamos formados todos los seres vivos: los aminoácidos que componen las proteínas y los azúcares que conforman los ácidos nucleicos, el ADN, con sus hélices retorciéndose invariablemente hacia la derecha, y el ARN.

Así, a través de mecanismos aún desconocidos quiso la vida comenzar su andadura usando exclusivamente la forma L de los aminoácidos y exclusivamente la forma D de los azúcares. A su vez, quiso la evolución imprimir esta caprichosa selección quiral en todos y cada uno de los seres vivos existentes, al menos en lo que a nuestro planeta concierne, haciendo de la asimetría una propiedad esencial asociada intrínsecamente a la vida.

Luis Gómez-Hortigüela es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y autor del libro ‘La quiralidad’ (CSIC-Catarata) de la colección ¿Qué sabemos de?

Moléculas zurdas y diestras: el porqué del desastre de la talidomida

JG MuñozPor Jesús Gil Muñoz (CSIC)*

Cuando el ser humano vio por primera vez su propio reflejo, quedó fascinado por las superficies que proyectan nuestra propia imagen. Posiblemente, por causa de esta fascinación, una gran variedad de supersticiones, mitos y leyendas rodean los espejos. En el momento en que Alicia, después de su periplo por el país de las maravillas, pasa al otro lado del espejo, se muestra confusa: se encuentra con los mismos objetos que antes (o al menos parecen ser los mismos) pero se comportan de distinta manera.

Enantiómeros

Enantiómeros: aunque estos dos compuestos tienen la misma fórmula molecular se diferencian por su disposición interna. Una es la imagen especular de la otra.

Al colocarnos frente a un espejo, la persona que aparece al otro lado es exactamente igual que nosotros. Sin embargo, si levantamos el brazo derecho, ese otro ‘yo’ hace lo propio pero con el izquierdo. Sería nuestro ‘yo zurdo’. En la Química ocurre algo parecido. Hay moléculas que se comportan como si estuvieran en diferentes lados del espejo. A simple vista parecen ser las mismas pero no es así: una es ‘zurda’ y la otra ‘diestra’. A estos compuestos se les conoce como enantiómeros. Dos enantiómeros son imagen especular el uno del otro pero no son superponibles y, por supuesto, son moléculas diferentes. Por ejemplo, la molécula de limoneno tiene dos variantes que producen dos olores diferentes: en un lado del espejo produce el olor característico a limón; sin embargo, del otro lado, sorprendentemente, proporciona olor a naranja. Algo similar sucede con la molécula de carvona, que da olor a menta u olor a comino según sea ‘zurda’ o ‘diestra’.

Existen miles de moléculas cuyas imágenes especulares presentan propiedades diferentes, y no solo atienden a cuestiones de olor. Durante el Tercer Reich, la compañía farmacéutica Grünenthal empezaba a abrirse paso con hitos como el desarrollo de la primera penicilina. Pero fue con la síntesis de la talidomida con lo que tuvo mayor impacto. Ya finalizado el régimen nazi, Grünenthal comercializó este compuesto, que se hizo popular por sus propiedades sedante y calmante de las náuseas en los primeros meses de embarazo. A finales de los 50 y principios de los 60 nacieron más de 12.000 niños con graves deformaciones congénitas, caracterizadas por la carencia o excesivo acortamiento de las extremidades. Un hecho que a priori era totalmente ajeno, resultó estar relacionado con la talidomida. Precisamente un médico español, aunque su nombre no lo parezca –Claus Knapp–, que trabajaba en Alemania en aquella época, fue clave para esclarecer la relación: las mujeres que habían tomado talidomida, tenían hijos con malformaciones.

Talidomida

Cápsulas de talidomida / Duckwailk

El medicamento se retiró inmediatamente del mercado y se llevó a cabo una investigación en la que se descubrió que realmente constaba de dos talidomidas: una que efectivamente actuaba como sedante, y otra, su imagen especular, que tenía efectos teratogénicos, causantes de las malformaciones en los bebés. A partir de este genocidio farmacéutico se produjo un importante endurecimiento de las pruebas que debían pasar los medicamentos antes de ser comercializados.

Con este desagradable capítulo de la historia, queda patente que incluso en el extraordinario mundo de la Química, el viaje entre los dos lados del espejo, por muy corto que sea, puede salir caro.

 

* Jesús Gil Muñoz (Barbate, 1984) trabaja en el Centro de Investigaciones Biológicas del CSIC y es autor del blog RadicalBarbatilo.