La importancia del espejo

Hace pocas décadas una tragedia recorrió Europa. Muchos niños nacían con grandes malformaciones, frecuentemente con extremidades inexplicablemente cortas. El 40% de los bebes afectados moría durante el primer año de vida. Los médicos estaban desconcertados, pero pronto las investigaciones apuntaron al consumo de una medicina: la Talidomina. Esta droga, como la mayoría de las medicinas en estado sólido, se administraba formando cristales. Estos cristales, químicamente iguales, son de izquierda o de derecha, y mientras uno de ellos ejercía su efecto medicinal el otro era un veneno que deformaba los fetos en el vientre materno.

Para entender esta extraña conducta hay que remontarse 4500 millones de años cuando se originó la vida.

Uno de los problemas más fascinantes relacionado con el origen de la vida es el hecho de que las moléculas más importantes que construyen los organismos vivos son quirales, es decir tienen mano (derecha o izquierda) y sorprendentemente solo una de esas manos está presente en la materia viva.

La propiedad de la quiralidad consiste en que dos objetos o moléculas que son imágenes especulares una de otra, como nuestra mano izquierda y derecha, no son superponibles. Las dos formas posibles de una entidad o molécula quiral reciben el nombre de enantiómeros, los cuales tienen las mismas propiedades físicas o químicas. Sin embargo cuando interactúan con otras formas quirales lo hacen de manera diferente. Los calcetines o las cucharas no son quirales y se usan indistintamente por nuestros pies y manos que sí son quirales, izquierdos o derechos. Cosa bien distinta ocurre cuando se trata de zapatos y guantes que también son quirales: el zapato izquierdo o el guante derecho requieren el pie o la mano adecuada. (Figura 1). La diferente interacción de los enantiómeros está en la base del drama de la Talidomida.

                         Fig. 1 Figura 1: Los dos enantiómeros, imágenes especulares, de objetos o moléculas quirales

La quiralidad molecular

La quiralidad molecular fue descubierta por Pasteur en 1848. Previamente Biot había constatado el fenómeno de la “actividad óptica”, o capacidad de rotar el plano de la luz polarizada, que se daba en muchas disoluciones acuosas. Pasteur observó que los cristales de una sal del ácido tartárico presentaban dos morfologías especulares, en unos cristales las caras hemiédricas se inclinan a la derecha mientras que en otros se inclinan a la izquierda: eran cristales quirales (Figura 2). Pasteur separó ambos enantiómeros con un pelo de vaca (no con pinzas como suele decirse) y al disolver de nuevo los cristales enantiómeros por separado, cada solución giraba la luz polarizada en un sentido distinto, a la izquierda o la derecha dependiendo de la mano quiral del cristal disuelto: quedaba demostrado que los cristales quirales estaban formados por moléculas también quirales. Se había descubierto la quiralidad a nivel molecular.

Figura 2: Pasteur demuestra que los cristales enantiomorfos de ácido tartárico están formados por moléculas quirales de ambas manos.

Moléculas no quirales pueden formar cristales quirales.

Pero moléculas que no son quirales (aquirales) también puede formar cristales quirales, cristales que poseen una estructura quiral que se manifiesta en su morfología. Es el caso del cuarzo donde el origen de su quiralidad se encuentra no en sus moléculas SiO₄ sino en el ordenamiento espacial en el se disponen: la estructura helicoidal que rota en un sentido o el contrario, pudiendo existir cristales de cuarzo de mano derecha o izquierda, como los peldaños de una escalera de caracol que no siendo quirales individualmente generan una estructura quiral en la escalera como un todo (Figura 3)

Figura 3: La molécula SiO4, siendo aquiral, forma cristales de cuarzo quirales

La síntesis de moléculas quirales en el laboratorio o la formación de cristales -como el cuarzo- en la naturaleza genera estadísticamente la misma cantidad de enantiómeros de izquierda que de derecha. Es lo que se conoce como muestra racémica. Este fenómeno se denomina “simetría quiral” y tiene su explicación en que la formación de ambos enantiómeros requiere la misma energía y tiene, por tanto, la misma probabilidad de producirse.

Sin embargo, la gran regla de la simetría quiral se rompe en el mundo animado.

Todos los procesos o compuestos quirales asociados a la vida aparecen en un solo enantiómero. Solo una mano. Son homoquirales.

Por ejemplo, el 90% de las especies de gasterópodos muestran predilección por la derecha y fabrican su concha con una espiral hacia ese lado. Los virus y bacterias helicoidales se retuercen también siguiendo una misma y única dirección dependiendo de la especie. Las judías verdes crecen describiendo hélices a la derecha y las madreselvas crecen describiendo hélices a la izquierda. No hay un 50% de madreselvas que se enrosquen hacia la derecha ni un 50% de judías verdes que lo hagan a la izquierda.

Como vemos, una conducta muy distinta a la de los cristales de cuarzo cuyos ejes helicoidales giran en ambos sentidos en igual proporción. Vida y homoquiralidad parecen ir de la mano…

La ruptura de la simetría quiral más determinante y sorprendente del mundo vivo es la que se produce en las moléculas orgánicas que componen todos los seres vivos. Los aminoácidos que forman las proteínas son de izquierda (L) y los azúcares de los nucleótidos que forman el ADN y el ARN son de derecha (D) (Figura 4).

Figura 4: Todas las manifestaciones quirales asociadas a la vida rompen la gran regla de “Simetría quiral” y aparecen en una única mano

El hecho de que las principales moléculas biológicas estén formadas por un único enantiómero, es crítico para el reconocimiento y ensamblaje molecular en los procesos bioquímicos y podría ser un prerrequisito indispensable para el origen de la vida (Figura 5), al tiempo que nos convierte, como seres vivos, en entidades “homoquirales”, lo que marca para siempre el tipo de relación que tendremos con otras moléculas quirales.

Es probable que haya vida en otro planeta y que incluso esa vida esté basada en la misma química del carbono que se generó en la Tierra. Puede también que nuestros hermanos extraterrestres, con un grado de evolución semejante, sean idénticos a nosotros. Pero queda la gran pregunta. Sus moléculas orgánicas fundamentales… ¿Son de izquierda o son de derecha? ¿Son como nosotros o son nuestra imagen en el espejo?

Una vida extraterrestre con la quiralidad invertida, sería incompatible con nosotros. Nuestras uniones serían infecundas y no podríamos compartir los alimentos. Lewis Carroll, en boca de Alicia, sugiere: «Quizás la leche del espejo no es buena para beber». Está claro que los poetas siempre se nos adelantan.

Figura 5: La homoquiralidad es una característica de la vida y por eso en la búsqueda de vida en otros planetas nuestros robots llevan en su código binario esta pregunta… ¿hay algo homoquiral aquí?

Un ejemplo paradigmático y cruel de esta discriminación quiral lo proporciona la Talidomida, medicina en la que uno de sus enantiómeros tiene propiedades excelentes como calmante de las nauseas matinales en las mujeres embarazadas pero el otro enantiómero altera profundamente el desarrollo del feto. Durante los años sesenta del siglo pasado, en que la droga se administraba racémica, miles de niños nacieron con las graves malformaciones congénitas descritas al principio (Figura 6)

      Figura 6: La Talidomida puede ser un veneno, no por su formula química sino por su quiralidad. La diferencia entre izquierda y derecha puede ser mortal

La mayoría de los compuestos farmacéuticos son quirales y después del desastre de la Talidomida las regulaciones legales para la distribución de estos medicamentos se han vuelto muy estrictas: nuevas leyes obligan a que las medicinas se vendan solo con el enantiómero adecuado.

El enigma de la homoquiralidad de las moléculas biológicas presenta dos problemas complementarios.

Un problema, académico: en un mundo prebiótico presumiblemente racémico…

¿Qué pasó en el origen de la vida en la Tierra para que sólo una de las dos posibles manos en las moléculas quirales entrara en el juego de la evolución, y por qué precisamente la una y no la otra? ¿Fue una casualidad, algo fruto del azar?

Éste es uno de los enigmas científicos más intrigantes desde la época de Pasteur hace ya 150 años.

El otro problema es práctico: necesitamos productos enantiomericamente puros… ¿Cómo podemos fabricar medicinas de una solo mano si ambos enantiómeros tienen las mismas propiedades físico-químicas? La producción eficiente de un único enantiómero es un asunto clave en la industria farmacéutica y dado que la mayoría de las medicinas se comercializan en forma cristalina, la cristalización quiral es la ruta más importante para la obtención del enantiómero deseado (Figura 7).

Al mismo tiempo los procesos de cristalización quiral proporcionan modelos experimentales de cómo se generan medios quiralmente puros a partir de sistemas previamente racémicos. Estos modelos pueden ser extrapolados a escenarios prebióticos y arrojar luz en procesos relacionados con el origen de la vida.

Figura 7: Casi todas las medicinas se toman formando microcristales envueltos (capsulas) o prensados (pastillas). Necesitamos técnicas cristalográficas para cristalizar ambas moléculas quirales y poder separarlas.

Dr. Cristobal Viedma es Profesor Titular del Dpto de Cristalografía-Mineralogía de la Facultad de Geología de la Universidad Complutense de Madrid.

Dña. Belén Soutullo García es Técnico del Departamento de Mineralogía-Cristalografía. Conservadora del Museo de la Geología de la Universidad Complutense de Madrid