El Origen de la Quiralidad de la Materia Viva

• Principales Hipótesis
  

Las moléculas biológicas, que son las responsables de las características propias de todo ser vivo: son los hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.Las hipótesis para el origen de la quiralidad en la naturaleza se clasifican en dos grupos: bióticas y abióticas.
Las teorías bióticas asumen que la vida se origina en un medio, en principio, racémico y que la evolución química de las moléculas esenciales para la vida escogió: L-amino ácidos y D-azúcares. En resumen, la selección y la homogeneidad quiral fue una consecuencia de la evolución de la materia viviente. Otra hipótesis es que en un principio surgieron D- y L-organismos en la tierra primitiva y algunos eventos eliminaron una de las dos especies. O posiblemente, el desarrollo de una "encima asesina" que apareció en el desarrollo de la evolución, eliminó solamente los organismos de su propia quiralidad, sobreviviendo los de mano opuesta.
Otra teoría biótica es la idea de "Panspermia" según la cual organismos vivos (formados ya por moléculas quirales) fueron transportados desde otro sistema solar hasta la tierra, "infectando" nuestro planeta con la vida. Esta teoría fue originariamente propuesta por Arrhenius en 1908 y actualizada por Crick y Orgel en 1973, pero esta hipótesis no resuelve el origen de la bioquiralidad sino que hace la duda aún más grande.

La teoría abiótica dice que la aparición de la selección y Homoquiralidad es anterior al origen de la vida, es decir cuando la vida comienza ya solo existía en el "medio ambiente" un enantiómero quiral, seleccionado previamente por algún mecanismo abiótico.

• Homoquiralidad

La vida usa solo moléculas de una de las manos isométricas (homoquirales), para las proteínas y el ADN. ¿Cómo esto pudo llegar a suceder cuando las mezclas de los bloques componentes de la vida contienen cantidades iguales de ambas manos? Es un desconcertante enigma que confunde a los investigadores acerca del origen de la vida. La biología usa componentes homoquirales puros al 100%: azúcares de la mano derecha (dextrógiros) en el ADN y en el ARN, y aminoácidos de la mano izquierda (levógiros) en las proteínas. La convención de la mano es sencillamente una regla humana acerca de la orientación en el espacio tridimensional de los grupos laterales de estas moléculas. Las dos manos tienen la misma probabilidad de formación. Debido a esto, las mezclas naturales contienen cantidades iguales de cada mano, y esta es la razón de que el ámbito biológico sea una asombrosa excepción. No existe ningún mecanismo natural conocido para aislar una forma quiral de la otra sin una selección diseñada inteligentemente.

• Estudios Recientes
  

Los estudios recientes apoyan la teoría abiótica que explica que antes de que la vida comenzara ya existía un enantiómero quiral que había sido seleccionado por algún mecanismo abiótico. En 1988 Goldanskii y Kusmin probaron esta teoría mediante modelos teóricos moleculares y en 1984 Joyce también intentó comprobar esta hipótesis por medio de experimentos sobre oligomerización de nucleótidos.
Estos experimentos solo comprobaron que la presencia de moléculas L y D al mismo tiempo en un sistema, impide la formación de polinucleótidos. Para que estos se ensamblen es necesaria la existencia previa de moléculas de una sola quiralidad. Estas consideraciones llevan a la necesidad de un escenario prebiótico inicial de una sola mano, de pureza quiral, para que sea posible el desarrollo de moléculas autorreplicativas, característica fundamental de la materia viva.
Los últimos estudios buscan establecer y buscar mecanismos y agentes prebióticos que sean capaces de generar un escenario de homogeneidad quiral en la tierra o en cualquier otro planeta del universo. Los minerales y los procesos asociados al crecimiento cristalino han sido propuestos como los agentes y el mecanismo más digno en esta selección quiral de un medio que antes era racémico.

Los Aminoácidos y las Proteínas

• ¿Son todos quirales?

Los aminoácidos son compuestos sólidos; incoloros; cristalizables; de elevado punto de fusión (habitualmente por encima de los 200 ºC); solubles en agua; con actividad óptica y con un comportamiento.

Las proteínas son moléculas muy complejas, en su composición elemental se encuentran siempre presentes carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. La mayoría de ellas también incluye en su composición al azufre y en algunas también esta la presencia de fósforo, hierro, zinc, molibdeno.

Desde el punto de vista estructural, los elementos químicos que constituyen a las proteínas se encuentran distribuidos en bloques o unidades estructurales que son los aminoácidos, que unidos entre si integran una estructura polimérica; las proteínas son fundamentalmente polímeros de aminoácidos. anfótero. Los aminoácidos, que forman las proteínas y son la base de la química de la vida, son quirales y lo extraño es que todos nuestros aminoácidos son de mano izquierda. La capacidad para discriminar unos y otros enantiómeros resulta esencial para los sistemas vivos.

• Tipo de Quiralidad que presentan

Las cadenas de aminoácidos forman las proteínas que estan presentes en las personas, las plantas y en todas las otras formas de vida en la Tierra. Los aminoácidos pueden tener dos orientaciones diferentes: a la derecha y a la izquierda, que son como el reflejo en un espejo la una con la otra pero no se pueden sobreponer a esto se le llama quiralidad. Para que surja la vida, las proteínas deben contener un sólo tipo quiral de aminoácidos, el "zurdo" o el "diestro".

En los aminoacidos de las proteinas solo hay una forma de azucar presente en la naturaleza. Los aminoácidos que utilizan los seres vivos en la Tierra son homoquirales y siempre dextrógiros. Si son dextrogiros significa que es un isomero óptico cuyo carbono asimétrico se encuentra desplazado a la izquierda, y es la imagen especular del mismo isomero dextrógiro. Esto significa que los aminoacidos que forman las proteinas tienen quiralidad pero los carbonos estan en la izquierda. Y cuando se refleja con la luz poralizada la direccion tambien es hacia la izquierda. En la imagen se muestra como las moleculas de los aminoacidos que forman las proteinas son quirales, es decir que se reflejan igual.

• Excepciones

No hay excepciones, todos los aminoacidos y proteínas presentan algun tipo de quiralidad.

Los Hidratos de Carbono

• ¿Son todos quirales?
  
  

¿Que son?
Los hidratos de carbono (carbohidratos) son la fuente de energía mas importante en el mundo. Los carbohidratos son compuestos orgánicos compuestos por carbono, oxigeno e hidrogeno; su representación o formula química es (CH2O).

Tipo de Hidratos
Aunque se componen de la misma forma, hay diferentes tipos de hidratos de carbono, por ejemplo:
Monosacáridos
Disacáridos
Polisacáridos

Hidratos de Carbono Quirales
Solo un hidrato de carbono es quiral, el cual es la aldosa mas simple y es llamado:

-Gliceraldehido

• Tipo de Quiralidad que presentan

Los hidratos de carbono son moléculas orgánicas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los carbonos pueden tener hasta cuatro radicales diferentes acomodados en forma tetraédrica. Cuando es así la molécula puede existir en dos formas, llamadas enantiómeros o isomería óptica. Los dos enantiómeros de la molécula son como el reflejo del otro en un espejo o también llamada la imagen especular. Cuando la imagen especular de un objeto es igual al objeto pero si se sobreponen no queda igual es cuando hay quiralidad, pero cuando los dos objetos se pueden sobreponer son aquirales ya que tienen al menos un eje de simetría que divide al objeto en dos mitades completamente iguales.

Los hidratos de carbono están formados por unidades de azúcares de forma enantiómera. Todos los carbohidratos excepto la dihidroxiacetona tienen uno o más átomos de carbonos asimetricos, lo que son los centros quirales. En una molécula de carbono el enantiómero tiene un centro estereogénico que es lo mismo que un carbono quiral, el cual normalmente tiene 4 radicales diferentes, la longitud de los enlaces en la molécula son diferentes.

• Excepciones de la quiralidad

No todos los hidratos de carbono son Quirales, debido a que no todos tienden a tener 4 radicales y por lo cual no son un Centro Quiral. Un carbono asimétrico es aquel que tiene los 4 sustituyentes dieferentes. Ahora bien, en una hexosa, el carbono del grupo carbonilo NO es asimétrico, por que no tiene 4 sustituyentes distintos. El grupo carbonilo presenta un doble enlace C=O por lo que de entrada ni siquiera tiene 4 sustituyentes.

En la imagen de abajo hay un ejemplo de carbono asimétrico (Gliceraldehido). El carbono central tiene 4 sustituyentes diferentes (carbono asimétrico). El carbono del grupo carbonilo ya ha quedado claro que no es asimétrico, mientras que el último átomo de carbono está unido a dos átomos de H, por lo que tampoco será asimétrico.

• Anómeros y Mutarrotación
  

Anómeros
En Bioquímica de Carbohidratos, un Carbono Anomérico hace referencia al carbono carbonílico que se transforma en un nuevo centro quiral tras una ciclación hemicetal o hemiacetal.

Mutarrotación
La mutarrotación es un fenómeno que ocurre en monosacáridos referido a la rotación que sufre el carbono anomérico al pasar de un confórmero al otro. Puede pasar de un enlace de carbono alfa a uno beta, o viceversa. En la serie "D",por convencion si la disposicion del OH es hacia arriba lo llamamos beta, si es hacia abajo lo denominamos alfa, ocurriendo lo contrario en la serie "L", donde el OH hacia arriba indica el confórmero alfa, y hacia abajo, el beta. Para pasar de un estado al otro debe pasar primero por el estado de cadena abierta.

Otras Biomoléculas

• ¿Es quiral el ADN?

La vida utiliza exclusivamente proteínas L y ácidos nucleicos D. Podríamos decir que la vida es homoquiral y que para un tipo de moléculas no se puede aceptar más que una sola orientación, si no la estructura no estaría bien.Casi todos los polímeros biológicos que nos constituyen son homoquirales, esto significa que casi siempre estan formados por uno de los isómeros quirales posibles y no por mezclas de ambos. Todos los aminoácidos que dan lugar a las proteínas son del tipo L, esto es, que desvían la luz polarizada a la izquierda. Y todos los carbohidratos que forman parte del ADN son isómeros quirales R, que desvían la luz poralizada a la derecha.

La dispocisión macromolecular, que es una unidad química sencilla que se repite muchas veces, puede causar la quiralidad en las moléculas. Consiste en una disposición paralela de las hélices sin ningun orden, el mejor ejemplo de este tipo de quiralidad es el ADN. Independientemente de los estereocentros presentes en las moléculas de desoxirribosa (que son monosácaridos de 5 átomos de carbono), se genera una disimetría adicional global por causa de la secuencia helicoidal de los nucleótidos. Esto es lo que hace que la doble hélice presente una rotación "hacia la derecha o hacia la izquierda". La mayoría de las células de ADN son dextrógiras, aunque también se conocen formas levógiras de ADN.

• Lípidos Quirales

¿Qué son los lípidos quirales?

Los lípidos quirales son un conjunto de moléculas orgánicas la mayoría biomoleculares, compuestas principalmente por hidrogeno y carbono y en menor medida oxigeno, aunque también pueden contener fosforo, azufre y nitrógeno que tienen como característica principal el ser hidrofóbicas o insolubles al agua y disolventes orgánicos como la bencina, el alcohol, el benceno y el cloroformo.
En el uso coloquial, a los lípidos se les llama incorrectamente a las grasas, aunque las grasas son un tipo de lípidos procedentes de los animales. Los lípidos cumplen funciones diversas en los organismos vivientes entre ellas la de la reserva energética (triglicéridos), la estructural fosfolípidos de las bicapas y la reguladora (esteroides).
Los lípidos son biomoléculas muy diversas, algunas están formados por cadenas alifáticas saturadas o insaturadas, en general lineales, pero algunos tienen anillos (aromáticos). Algunos son flexibles mientras que otros son rígidos o semiflexibles hasta alcanzar casi una flexibilidad molecular, algunos comparten carbonos libres y otros forman puentes de hidrógenos.
Los lípidos son un grupo muy heterogéneo que usualmente se clasifican en dos grupos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasosos (lípidos saponificables) o no la posean (lípidos insaponificables).