Homoquiralidad - Homochirality

La homoquiralidad es una uniformidad de quiralidad o destreza. Los objetos son quirales cuando no se pueden superponer a sus imágenes especulares. Por ejemplo, las manos izquierda y derecha de un ser humano son aproximadamente imágenes especulares entre sí, pero no son sus propias imágenes especulares, por lo que son quirales. En biología , 19 de los 20 aminoácidos naturales son homoquirales, siendo L -quirales (zurdos), mientras que los azúcares son D -quirales (diestros). La homoquiralidad también puede referirse a sustancias enantiopuras en las que todos los constituyentes son el mismo enantiómero (una versión para diestros o zurdos de un átomo o molécula), pero algunas fuentes desaconsejan este uso del término.

No está claro si la homoquiralidad tiene un propósito; sin embargo, parece ser una forma de almacenamiento de información. Una sugerencia es que reduce las barreras de entropía en la formación de grandes moléculas organizadas. Se ha comprobado experimentalmente que los aminoácidos forman grandes agregados en mayor abundancia a partir de muestras enantiopuras del aminoácido que de las racémicas (mezcladas enantioméricamente).

No está claro si la homoquiralidad surgió antes o después de la vida, y se han propuesto muchos mecanismos para su origen. Algunos de estos modelos proponen tres pasos distintos: la ruptura de la simetría especular crea un desequilibrio enantiomérico diminuto, la amplificación quiral se basa en este desequilibrio y la transmisión quiral es la transferencia de quiralidad de un conjunto de moléculas a otro.

En biologia

Los aminoácidos son los componentes básicos de los péptidos y las enzimas, mientras que las cadenas de azúcar y péptidos son la columna vertebral del ARN y el ADN . En los organismos biológicos, los aminoácidos aparecen casi exclusivamente en la forma zurda ( L -aminoácidos) y los azúcares en la forma derecha (R-azúcares). Dado que las enzimas catalizan reacciones, refuerzan la homoquiralidad en una gran variedad de otras sustancias químicas, incluidas hormonas , toxinas, fragancias y sabores alimentarios. La glicina es aquiral, al igual que algunos otros aminoácidos no proteinogénicos que son aquirales (como la dimetilglicina ) o de la forma enantiomérica D.

Los organismos biológicos discriminan fácilmente entre moléculas con diferentes quiralidades. Esto puede afectar reacciones fisiológicas como el olfato y el gusto. La carvona , un terpenoide que se encuentra en los aceites esenciales , huele a menta en su forma L y alcaravea en su forma R. El limoneno sabe a limones cuando es diestro y a naranjas cuando es zurdo.

La homoquiralidad también afecta la respuesta a las drogas. La talidomida , en su forma para zurdos, cura las náuseas matutinas ; en su forma diestra, causa defectos de nacimiento. Desafortunadamente, incluso si se administra una versión pura para zurdos, parte de ella puede convertirse en la forma para diestros en el paciente. Muchos fármacos están disponibles como mezcla racémica (cantidades iguales de ambas quiralidades) y como fármaco enantiopuro (solo una quiralidad). Dependiendo del proceso de fabricación, las formas enantiopuras pueden ser más caras de producir que las mezclas estereoquímicas.

Las preferencias quirales también se pueden encontrar a nivel macroscópico. Las conchas de los caracoles pueden ser hélices que giran hacia la derecha o hacia la izquierda, pero una forma u otra es muy preferida en una especie determinada. En el caracol comestible Helix pomatia , solo uno de cada 20.000 es helicoidal a la izquierda. El enrollamiento de las plantas puede tener una quiralidad preferida e incluso el movimiento de masticación de las vacas tiene un 10% de exceso en una dirección.

Orígenes

Ruptura de simetría

Las teorías sobre el origen de la homoquiralidad en las moléculas de la vida pueden clasificarse como deterministas o basadas en el azar, según el mecanismo propuesto. Si existe una relación entre causa y efecto, es decir, un campo quiral específico o una influencia que causa la ruptura de la simetría especular, la teoría se clasifica como determinista; de lo contrario, se clasifica como una teoría basada en mecanismos de azar (en el sentido de aleatoriedad).

Se podría hacer otra clasificación para las diferentes teorías del origen de la homoquiralidad biológica en función de si la vida surgió antes del paso de la enantiodiscriminación (teorías bióticas) o después (teorías abióticas). Las teorías bióticas afirman que la homoquiralidad es simplemente el resultado del proceso de autoamplificación natural de la vida, que o bien la formación de la vida prefiriendo una quiralidad u otra fue un evento casual poco común que ocurrió con las quiralidades que observamos, o que todas las quiralidades de la vida emergió rápidamente, pero debido a eventos catastróficos y una fuerte competencia, las otras preferencias quirales no observadas fueron aniquiladas por la preponderancia y el enriquecimiento metabólico y enantiomérico de las opciones de quiralidad "ganadoras". Si este fuera el caso, se deberían encontrar restos del signo de quiralidad extinto. Dado que este no es el caso, hoy en día las teorías bióticas ya no son compatibles.

La aparición del consenso de quiralidad como un proceso de autoamplificación natural también se ha asociado con la segunda ley de la termodinámica .

Teorías deterministas

Las teorías deterministas se pueden dividir en dos subgrupos: si la influencia quiral inicial tuvo lugar en un espacio o ubicación temporal específicos (con un promedio de cero en áreas de observación o períodos de tiempo suficientemente grandes), la teoría se clasifica como determinista local; si la influencia quiral es permanente en el momento en que ocurrió la selección quiral, entonces se clasifica como determinista universal. Los grupos de clasificación de las teorías deterministas locales y las teorías basadas en mecanismos de azar pueden superponerse. Incluso si una influencia quiral externa produjo el desequilibrio quiral inicial de una manera determinista, el signo de resultado podría ser aleatorio ya que la influencia quiral externa tiene su contraparte enantiomérica en otros lugares.

En las teorías deterministas, el desequilibrio enantiomérico se crea debido a un campo quiral externo o influencia, y el último signo impreso en biomoléculas se debe a él. Los mecanismos deterministas para la producción de mezclas no racémicas a partir de materiales de partida racémicos incluyen: leyes físicas asimétricas, como la interacción electrodébil (a través de los rayos cósmicos) o entornos asimétricos, como los causados ​​por la luz polarizada circularmente , los cristales de cuarzo o la rotación de la Tierra. , β-Radiolisis o el efecto magnetoquiral. La teoría determinista universal más aceptada es la interacción electrodébil. Una vez establecida, se seleccionaría la quiralidad.

Una suposición es que el descubrimiento de un desequilibrio enantiomérico en las moléculas del meteorito Murchison respalda un origen extraterrestre de homoquiralidad: existe evidencia de la existencia de luz polarizada circularmente que se origina a partir de la dispersión de Mie en partículas de polvo interestelar alineadas que pueden desencadenar la formación de un enantiomérico. exceso dentro del material quiral en el espacio. Los campos magnéticos interestelares y casi estelares pueden alinear las partículas de polvo de esta manera. Otra especulación (la hipótesis de Vester-Ulbricht) sugiere que la quiralidad fundamental de procesos físicos como el de la desintegración beta (ver Violación de la paridad ) conduce a vidas medias ligeramente diferentes de moléculas biológicamente relevantes.

Teorías de azar

Las teorías del azar se basan en el supuesto de que " la síntesis asimétrica absoluta, es decir, la formación de productos enriquecidos enantioméricamente a partir de precursores aquirales sin la intervención de catalizadores o reactivos químicos quirales, es en la práctica inevitable solo por motivos estadísticos ".

Considere el estado racémico como una propiedad macroscópica descrita por una distribución binomial; el experimento de lanzar una moneda, donde los dos posibles resultados son los dos enantiómeros, es una buena analogía. La distribución de probabilidad discreta de obtener n éxitos de los ensayos de Bernoulli, donde el resultado de cada ensayo de Bernoulli ocurre con probabilidad y lo contrario ocurre con probabilidad, viene dada por: ${\ Displaystyle P_ {p} (n, N)}$${\ Displaystyle N}$${\ Displaystyle p}$${\ Displaystyle q = (1-p)}$

${\ Displaystyle P_ {p} (n, N) = {\ binom {N} {n}} p ^ {n} (1-p) ^ {Nn}}$ .

La distribución de probabilidad discreta de tener exactamente moléculas de una quiralidad y de la otra, viene dada por: ${\ Displaystyle P (N / 2, N)}$${\ Displaystyle N / 2}$${\ Displaystyle N / 2}$

${\ Displaystyle P_ {1/2} (N / 2, N) = {\ binom {N} {N / 2}} \ left ({\ frac {1} {2}} \ right) ^ {N / 2 } \ left ({\ frac {1} {2}} \ right) ^ {N / 2} \ approx {\ sqrt {\ frac {2} {\ pi N}}}}$ .

Al igual que en el experimento de lanzar una moneda, en este caso, suponemos que ambos eventos ( o ) para ser equiprobables, . La probabilidad de tener exactamente la misma cantidad de ambos enantiómeros es inversamente proporcional al número total de moléculas . Para un mol de un compuesto racémico, moléculas, esta probabilidad se convierte en . La probabilidad de encontrar el estado racémico es tan pequeña que podemos considerarla insignificante. ${\ Displaystyle L}$${\ Displaystyle D}$${\ Displaystyle p = q = 1/2}$${\ Displaystyle N}$${\ Displaystyle N = N_ {A} \ aproximadamente 6.022 \ cdot 10 ^ {23}}$${\ Displaystyle P_ {1/2} (N_ {A} / 2, N_ {A}) \ aproximadamente 10 ^ {- 12}}$

En este escenario, existe la necesidad de amplificar el exceso enantiomérico estocástico inicial a través de cualquier mecanismo eficiente de amplificación. La ruta más probable para este paso de amplificación es mediante autocatálisis asimétrica . Una reacción química autocatalítica es aquella en la que el producto de reacción es en sí mismo un reactivo, en otras palabras, una reacción química es autocatalítica si el producto de reacción es en sí mismo el catalizador de la reacción. En la autocatálisis asimétrica, el catalizador es una molécula quiral, lo que significa que una molécula quiral está catalizando su propia producción. Un exceso enantiomérico inicial, como el que puede producir la luz polarizada, permite que el enantiómero más abundante compita con el otro.

Amplificación

Teoría

Retrato de fase del modelo de Frank: comenzando desde casi todas partes en el plano L - D (excepto la línea L = D ), el sistema se acerca a uno de los estados homoquirales

En 1953, Charles Frank propuso un modelo para demostrar que la homoquiralidad es una consecuencia de la autocatálisis . En su modelo, los enantiómeros L y D de una molécula quiral se producen autocatalíticamente a partir de una molécula aquiral A

${\ displaystyle {\ begin {align} A + L \ xrightarrow {k_ {a}} 2L, \\ A + D \ xrightarrow {k_ {a}} 2D, \ end {alineado}}}$

mientras se reprimen el uno al otro a través de una reacción que llamó antagonismo mutuo

${\ displaystyle {\ begin {alineado} L + D \ xrightarrow {k_ {d}} \ varnothing. \\\ end {alineado}}}$

En este modelo, el estado racémico es inestable en el sentido de que el más mínimo exceso enantiomérico se amplificará hasta un estado completamente homoquiral. Esto se puede demostrar calculando las velocidades de reacción a partir de la ley de acción de masas :

${\ Displaystyle {\ begin {alineado} {\ frac {d [{\ ce {L}}]} {dt}} & = k_ {a} [{\ ce {A}}] [{\ ce {L} }] - k_ {d} {\ ce {[L] [D]}} \\ {\ frac {d [{\ ce {D}}]} {dt}} & = k_ {a} [{\ ce {A}}] [{\ ce {D}}] - k_ {d} {\ ce {[L] [D]}}, \ end {alineado}}}$

donde es la velocidad constante para las reacciones autocatalíticas, es la velocidad constante para la reacción de antagonismo mutuo, y la concentración de A se mantiene constante para simplificar. Al definir el exceso enantiomérico como ${\ Displaystyle k_ {a}}$${\ Displaystyle k_ {d}}$${\ Displaystyle \ Phi}$

${\ Displaystyle \ Phi = {\ frac {[{\ ce {D}}] - [{\ ce {L}}]} {[{\ ce {D}}] + [{\ ce {L}}] }},}$

podemos calcular la velocidad de cambio de exceso enantiomérico utilizando regla de la cadena de la velocidad de cambio de las concentraciones de enantiómeros L y D .

${\ displaystyle {\ frac {d \ Phi} {dt}} = \ left ({\ frac {2k_ {d} {\ ce {[L] [D]}}} {[{\ ce {D}}] + [{\ ce {L}}]}} \ derecha) \ Phi.}$

El análisis de estabilidad lineal de esta ecuación muestra que el estado racémico es inestable. Comenzando desde casi cualquier lugar del espacio de concentración, el sistema evoluciona a un estado homoquiral. ${\ Displaystyle \ Phi = 0}$

Se entiende generalmente que la autocatálisis sola no cede a la homoquiralidad, y la presencia de la relación mutuamente antagónica entre los dos enantiómeros es necesaria para la inestabilidad de la mezcla racémica. Sin embargo, estudios recientes muestran que la homoquiralidad podría lograrse a partir de la autocatálisis en ausencia de una relación mutuamente antagónica, pero el mecanismo subyacente para romper la simetría es diferente.

Experimentos

Hay varios experimentos de laboratorio que demuestran cómo una pequeña cantidad de un enantiómero al comienzo de una reacción puede conducir a un gran exceso de un solo enantiómero como producto. Por ejemplo, la reacción de Soai es autocatalítica . Si la reacción se inicia con alguno de los enantiómeros del producto ya presentes, el producto actúa como un catalizador enantioselectivo para la producción de más de ese mismo enantiómero. La presencia inicial de solo 0,2 equivalentes de un enantiómero puede conducir a un exceso enantiomérico de hasta un 93% del producto.

Otro estudio se refiere a la aminoxilación catalizada por prolina de propionaldehído por nitrosobenceno . En este sistema, un pequeño exceso enantiomérico de catalizador conduce a un gran exceso enantiomérico de producto.

Los racimos de octámeros de serina también son contendientes. Estos grupos de 8 moléculas de serina aparecen en espectrometría de masas con una preferencia homoquiral inusual; sin embargo, no hay evidencia de que tales grupos existan en condiciones no ionizantes y el comportamiento de la fase de aminoácidos es mucho más relevante prebióticamente. La reciente observación de que la sublimación parcial de una muestra de leucina enriquecida al 10% da como resultado un enriquecimiento de hasta el 82% en el sublimado muestra que podría producirse un enriquecimiento de aminoácidos en el espacio. Los procesos de sublimación parcial pueden tener lugar en la superficie de los meteoros donde existen grandes variaciones de temperatura. Este hallazgo puede tener consecuencias para el desarrollo del Detector Orgánico de Marte programado para su lanzamiento en 2013, que tiene como objetivo recuperar trazas de aminoácidos de la superficie de Marte exactamente mediante una técnica de sublimación.

Una alta amplificación asimétrica del exceso enantiomérico de azúcares también está presente en la formación asimétrica de carbohidratos catalizada por aminoácidos.

Un estudio clásico involucra un experimento que tiene lugar en el laboratorio. Cuando se permite que el clorato de sodio cristalice en agua y los cristales recolectados se examinan en un polarímetro , cada cristal resulta ser quiral y la forma L o la forma D. En un experimento ordinario, la cantidad de cristales L recolectados es igual a la cantidad de cristales D (corregidos para efectos estadísticos). Sin embargo, cuando la solución de clorato de sodio se agita durante el proceso de cristalización de los cristales son bien exclusivamente L o exclusivamente D . En 32 experimentos de cristalización consecutivos, 14 experimentos entregan cristales D y otros 18 cristales L. La explicación de esta ruptura de simetría no está clara, pero está relacionada con la autocatálisis que tiene lugar en el proceso de nucleación .

En un experimento relacionado, una suspensión cristalina de un derivado de aminoácido racémico agitado continuamente da como resultado una fase cristalina del 100% de uno de los enantiómeros porque el par enantiomérico puede equilibrarse en solución (comparar con la resolución cinética dinámica ).

Transmisión

Una vez que se ha producido un enriquecimiento enantiomérico significativo en un sistema, es habitual la transferencia de quiralidad a través de todo el sistema. Este último paso se conoce como paso de transmisión quiral. Muchas estrategias de síntesis asimétrica se basan en la transmisión quiral. Especialmente importante es la llamada organocatálisis de reacciones orgánicas por prolina, por ejemplo, en reacciones de Mannich .

Algunos modelos propuestos para la transmisión de asimetría quiral son polimerización, epimerización o copolimerización.

Resolución óptica en aminoácidos racémicos

No existe ninguna teoría que aclare las correlaciones entre los L -aminoácidos. Si se toma, por ejemplo, alanina , que tiene un grupo metilo pequeño , y fenilalanina , que tiene un grupo bencilo más grande, una pregunta simple es en qué aspecto, la L- alanina se parece más a la L- fenilalanina que a la D- fenilalanina, y de qué tipo de mecanismo provoca la selección de todos los L -aminoácidos. Debido a que podría ser posible que la alanina era L y fenilalanina D .

En 2004 se informó que el exceso de D , L -asparagina (Asn) racémica , que forma espontáneamente cristales de cualquiera de los isómeros durante la recristalización, induce la resolución asimétrica de un aminoácido racémico coexistente como la arginina (Arg), el ácido aspártico (Asp). , glutamina (Gln), histidina (His), leucina (Leu), metionina (Met), fenilalanina (Phe), serina (Ser), valina (Val), tirosina (Tyr) y triptófano (Trp). El exceso enantiomérico ee = 100 x ( L - D ) / ( L + D ) de estos aminoácidos se correlacionó casi linealmente con el del inductor, es decir, Asn. Cuando se hicieron recristalizaciones de una mezcla de 12 D , L -aminoácidos (Ala, Asp, Arg, Glu, Gln, His, Leu, Met, Ser, Val, Phe y Tyr) y un exceso de D , L- Asn, todos Los aminoácidos con la misma configuración que Asn se cocristalizaron preferentemente. Era incidental si el enriquecimiento tuvo lugar en L - o D - Asn, sin embargo, una vez que se realizó la selección, el aminoácido coexistente con la misma configuración en el carbono α se involucró preferentemente debido a la estabilidad termodinámica en la formación de cristales. . Se informó que el ee máximo era del 100%. En base a estos resultados, se propone que una mezcla de aminoácidos racémicos provoca una resolución óptica espontánea y eficaz, incluso si la síntesis asimétrica de un único aminoácido no se produce sin la ayuda de una molécula ópticamente activa.

Este es el primer estudio que dilucida razonablemente la formación de quiralidad a partir de aminoácidos racémicos con evidencias experimentales.

Historia del término

Este término fue introducido por Kelvin en 1904, año en que publicó su Conferencia de Baltimore de 1884. Kelvin usó el término homoquiralidad como una relación entre dos moléculas, es decir, dos moléculas son homoquirales si tienen la misma quiralidad. Sin embargo, recientemente se ha utilizado homoquiral en el mismo sentido que enantioméricamente puro. Esto está permitido en algunas revistas (pero no se recomienda), y su significado cambia a la preferencia de un proceso o sistema por un solo isómero óptico en un par de isómeros en estas revistas.

Ver también

• Concepto de vida quiral : de sintetizar artificialmente la versión de la vida en espejo quiral
• Sistema CIP
• Estereoquímica
• Efecto Pfeiffer
• Problemas sin resolver en química

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

• Las observaciones apoyan la teoría de la homoquiralidad . Photonics TechnologyWorld noviembre de 1998.
• Orígenes de la homoquiralidad . Conferencia en Nordita Estocolmo, febrero de 2008.