sábado, 8 de abril de 2006

Como dos manos. Quiralidad y evolución.

Aunque el lector que lea estas líneas no haya oído hablar nunca de moléculas quirales la entrada no debe asustarle. Es un tema fascinante con múltiples ramificaciones, que no es muy difícil de introducir. Y como se verá a continuación es una intrigante cuestión sin resolver en el origen de la vida. Mas que sin resolver, yo diría que está en mantillas.

Sin entrar en excesivos tecnicismos sobre planos y ejes de simetría, podemos introducir el concepto de moléculas quirales reflexionando sobre la estructura de nuestras propias manos. En principio idénticas, no podemos sin embargo superponerlas una sobre otra. Cuando lo intentamos, el dedo pulgar acaba sobre el meñique. Esa misma idea puede aplicarse a ciertas agrupaciones de átomos para dar lugar a moléculas quirales. Tan es así que la denominación quiral proviene del griego keiros que significa mano. Muchas de sus propiedades son idénticas. Tienen la misma fórmula, el mismo punto de fusión, a veces el mismo color, etc. Pero hay otras propiedades que son sustancialmente distintas.

Nuestros conocimientos de las moléculas quirales arrancan de Louis Pasteur en los años cincuenta del siglo XIX y, ¡cómo no!, del vino (espero que se vaya entendiendo que mi interés por este curioso “material” va más allá de mis tendencias beodas). En ciertos vinos, particularmente en los blancos es normal encontrar cristales de tartratos en el corcho. Son sales del ácido tartárico que los enólogos se preocupan de evaluar adecuadamente para asegurar la longevidad del vino. Durante el proceso de fermentación del vino es posible también aislar otra sustancia, el ácido racémico que tiene exactamente la misma composición química que el ácido tartárico. Sin embargo se diferencian en algo que parece sutil. En sus propiedades ópticas. El ácido tartárico tiene la propiedad de hacer rotar un plano de luz polarizada, mientras que el racémico no.

Mirando la experiencia de Pasteur con la perspectiva que da el conocimiento actual de la quiralidad, hay que decir que fue muy afortunado. Tras cristalizar una sal de ácido racémico (suerte 1, no hay tantas moléculas quirales que formen cristales) y observándola al microscopio, pudo apreciar que aparecían dos formas cristalinas distintas, fácilmente distinguibles con los microscopios de la época (casi increíble). Separando ambas formas ¡con unas simples pinzas!, comprobó que cada una de las formas distintas giraba la luz polarizada en direcciones opuestas. Y que cuando estaban mezcladas, la luz no rotaba. Hoy decimos que el ácido racémico es una mezcla física de dos enantiómeros o formas quirales distintas del ácido tartárico, cada una de las cuales es a la otra como nuestra mano derecha es a nuestra izquierda, aparentemente iguales pero espacialmente distintas. Para terminar con el cúmulo de casualidades pasteurianas, hay que decir que la sal del racémico que Pasteur empleó sólo cristaliza a temperaturas inferiores a 20-22ºC. Parece que hasta tuvo suerte en el hecho de que los laboratorios del siglo XIX no tuvieran calefacción.

Hoy en día el papel de la quiralidad en las diferentes propiedades de los enantiómeros está suficientemente establecida y explotada comercialmente. Hay catalizadores específicos que hacen que la síntesis de un compuesto con potencial quiralidad evolucione hacia una forma u otra. Y hay ejemplos muy interesantes del papel de la quiralidad que no puedo dejar de relatar.

Quizás el más conocido sea el de la talidomida. La talidomida es una molécula no muy distinta a relajantes como el valium (diazepam) o el veronal (barbital), introducidos a principios de los 50. Por esa razón cuando la talidomida fue sintetizada en el pequeño Departamento de I+D de una también pequeña industria alemana (Grunenthal) en 1954, se pensó inmediatamente en su comercialización, como sedante durante los primeros meses de embarazo.

Sin embargo, las pruebas realizadas con ella, no tuvieron todo el rigor que debieran o no eran todavía los tiempos de tamaño rigor. El caso es que no se tuvo en cuenta su carácter teratógeno o lo que es lo mismo su capacidad de causar daños a un embrión en crecimiento. El resultado fue la aparición de 10.000 casos de focomelia, que se manifiesta en la ausencia o mal desarrollo de las extremidades. Casi todos los casos se dieron en Europa, porque en USA se encontraron con una joven científica, Frances Kelsey, trabajando en la FDA (Food and Drug Administration) a la que no convencieron de la fiabilidad de las pruebas realizadas con la talidomida. Comprobados los daños de la misma, Frances lideró la alerta a otras naciones hasta conseguir la desaparición del medicamento en los mercados, con lo que los casos de deformaciones desaparecieron rápidamente.

Hoy sabemos que la talidomida es una molécula quiral y que de sus dos enantiómeros, uno es el teratógeno y el otro no. De hecho, este segundo acaba de ser aprobada por la misma FDA para su aplicación en casos de SIDA por su capacidad de inhibir la replicación del virus. Pero, desgraciadamente, lo que se vendió como talidomida en los años 50 era una mezcla de ambos.

La talidomida no es el único medicamento con implicaciones quirales. Muchos otros fármacos tienen estructuras de ese tipo y son activas unicamente en una de las formas. Entre ellos se incluye un amplio rango de medicamentos como antiinflamatorios, antibióticos, para tratamientos cardíacos, cáncer, colesterol, etc. Entre los medicamentos quirales más usados está el ibuprofeno, un analgésico que se vende como mezcla de enantiómeros, aunque sólo uno de ellos es el analgésico. Pero el otro, en el ambiente fisiológico se transforma en el primero, resultando igualmente activo contra el dolor. Lo cual tiene la ventaja de no tenerse que meter en un procesos mas costoso de síntesis selectiva del enantiómero adecuado. Sin embargo, otro analgésico, el Naproxen, solo se puede vender en la forma activa contra el dolor porque la otra puede causar serios problemas hepáticos.

Otro interesante ejemplo son los dos enantiómeros de una molécula denominada carvona. Uno de ellos se extrae de las hojas de la menta y se usa de forma extendida como aromatizante en los chicles mentolados. El otro enantiómero se encuentra predominantemente en las semillas de una planta denominada alcaravea, similar al anís o al hinojo y que se usa como especia gastronómica. Ambos enantiómeros se pueden encontrar como sustancias distintas en catálogos de productos químicos (yo los he visto en un catálogo Aldrich).

En los últimos años, ha habido repetidos intentos de conseguir plásticos biodegradables, en un intento de que los desechos que generamos acaben su vida de forma sostenible. Uno de los mas recientes y ambiciosos es el generado por el consorcio Dow-Cargill. Dow es un gigante químico y Cargill, entre otras cosas, controla de forma importante el mercado del maiz mundial. El consorcio pretende usar el maiz para, mediante un proceso de fermentación, generar ácido lactico una molécula que puede polimerizar para dar poliácido láctico, un polímero que se usa en forma de hilos de sutura y en algunas prótesis biocompatibles y biodegradables. Pero se pretende ampliar ese mercado al de los termoplásticos convencionales y obtener materiales que sean usables en forma de todo tipo de objetos, filmes, envases, etc.

Para ello, una parte de la estrategia descansa en el hecho de que la unidad de ácido láctico es quiral. Mediante adecuados métodos de síntesis uno puede conseguir cadenas de polímeros en las que la unidad repetitiva sea uno de los enantiómeros al 100% o adecuados copolímeros de ambas formas quirales. Como se puede comprender las variantes son infinitas, no sólo en composición sino en la topología, esto es, la forma en la que las diferentes unidades se ordenan.

Pero lo que más me ha sorprendido en los últimos tiempos en torno a la quiralidad es una serie de artículos que he leído en el que se plantea esta propiedad como una de las grandes incógnitas de la teoría evolucionista del origen de la vida. Resulta que casi todos los polímeros biológicos que nos constituyen son homoquirales, esto es, constituidos por uno de los enantiómeros posibles y no por mezclas de ambos. Todos los aminoácidos en proteínas son del tipo L, que desvían la luz polarizada a la izquierda. Y todos los carbohidratos que forman el ADN son R (justo el efecto contrario). Y son así porque tienen que ser. Si en una proteina se nos metiera como imperfección el enantiómero inadecuado, esta no podría adquirir la estructura adecuada. Y la famosa estructura de doble hélice del ADN no podría formarse si un monómero L entrara donde debía entrar un R, no almacenando así la información que soporta la vida.

Y, sin embargo, lo lógico es que no se formaran estructuras homoquirales. La síntesis biológica de estos materiales parte de monómeros que son mezclas de enantiómeros y hay una regla bien establecida en Química Orgánica que establece que a partir de esas mezclas de reactivos es imposible obtener polímeros homoquirales. La pregunta que atormenta a los partidarios de la teoría evolucionista de la vida es: ¿cómo es posible que se haya conseguido esa estructura homogénea en los componentes esenciales de nuestro organismo?. Porque aquí no hay un Pasteur que ande mirando al microscopio la diferente morfología de uno y otro enantiómero y separándolos con pinzas.

1 comentario:

gabriela dijo...

Esta entrada, es por lejos la más interesante de tu blog, me ha dado mucho en qué pensar, sobretodo relativo a medicamentos como el ceox , el celebra...
Gracias.

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Boredom is the highest mental state, según Einstein. Pero, a veces, aburrirse cansa. Y por eso ando en esto, persiguiendo quimiofóbicos.