Un guante de la mano izquierda no encaja en la mano derecha. Las dos manos tienen la misma forma y el mismo tamaño y se parecen como si fueran el reflejo una de otra, pero por mucho que las giremos y les demos la vuelta, no podemos superponerlas por completo. Sorprendentemente, en el mundo invisible de las moléculas también hay gemelas cuyas imágenes especulares no se pueden superponer. Esta propiedad se llama «quiralidad (Chirality)».
En pocas palabras, la quiralidad es la propiedad de un objeto o una molécula de no poder superponerse a su imagen especular. El nombre procede de la palabra griega kheir, que significa «mano», y el físico británico lord Kelvin fue el primero en usarlo como término científico. Aunque los tipos de átomos y el orden en que se enlazan sean idénticos, si sus disposiciones espaciales son imágenes especulares, las dos moléculas pueden comportarse como sustancias distintas.
Este material presenta de forma accesible la definición básica de la quiralidad, el principio que permite distinguir moléculas que son imágenes especulares, las diferencias que se manifiestan en los olores y en los fenómenos biológicos, y las razones por las que la quiralidad es importante en el desarrollo de medicamentos.
Quiralidad y diferencias entre moléculas que son imágenes especulares
¿Qué es la quiralidad?
El caso más común de quiralidad molecular se da cuando un átomo de carbono está unido a cuatro átomos o grupos atómicos distintos. Ese carbono se llama centro quiral o carbono asimétrico. Si los cuatro brazos son distintos, el reflejo de esa disposición da lugar a otra molécula que no se puede superponer a la original. Por ejemplo, el ácido láctico que se acumula en los músculos durante el ejercicio tiene un carbono central unido a cuatro grupos distintos, hidrógeno, hidroxilo, metilo y carboxilo, por lo que presenta dos formas que son imágenes especulares entre sí.
Las dos moléculas de un par de imágenes especulares no superponibles se llaman enantiómeros. En química se usan con frecuencia los siguientes términos.
- Enantiómero (Enantiomer). Los enantiómeros forman un par de moléculas que son imágenes especulares entre sí y no se pueden superponer.
- Centro quiral (Chiral Center). Átomo al que se unen cuatro grupos atómicos distintos y que da lugar a la quiralidad.
- Mezcla racémica (Racemic Mixture). Mezcla de dos enantiómeros en proporción de 1 a 1.
- Aquiral (Achiral). Molécula que se superpone exactamente a su imagen especular, como el agua o el dióxido de carbono.
Cómo distinguir moléculas que son imágenes especulares
Los enantiómeros tienen el mismo punto de fusión, el mismo punto de ebullición, la misma densidad y la misma solubilidad en agua. Por eso es difícil distinguirlos con experimentos convencionales. La diferencia solo se manifiesta cuando aquello con lo que interactúan también tiene una orientación definida.
(1) Rotación del plano de la luz polarizada
Cuando se hace pasar luz polarizada, que vibra en una sola dirección, por una solución de un enantiómero, este gira el plano de polarización hacia la derecha, mientras que el otro lo gira hacia la izquierda en el mismo ángulo. Esta propiedad se llama actividad óptica. En una mezcla racémica, que contiene ambos enantiómeros a partes iguales, sus efectos se compensan y el plano de polarización no gira.
(2) El experimento de Pasteur con pinzas
En 1848, mientras observaba al microscopio cristales de una sal del ácido tartárico, el químico francés Louis Pasteur descubrió que había dos tipos de cristales mezclados y que eran imágenes especulares entre sí. Los separó uno a uno con unas pinzas y comprobó que sus respectivas soluciones giraban el plano de polarización de la luz en sentidos opuestos. Esta fue la primera prueba de que las propias moléculas podían distinguirse por su orientación a la izquierda o a la derecha.
(3) Designación con R y S
Hoy en día, los químicos asignan un orden de prioridad a los grupos atómicos unidos al centro quiral. Si la disposición sigue el sentido de las agujas del reloj, se indica con R. Si sigue el sentido contrario, se indica con S. Para las moléculas que se estudian desde hace mucho tiempo, como los aminoácidos y los azúcares, también se emplea la notación anterior con L y D.
La quiralidad en los olores y en la vida
Nuestro cuerpo está formado por moléculas quirales, de modo que responde de manera distinta a cada enantiómero.
(1) La misma molécula, olores distintos
Uno de los enantiómeros de la carvona huele a hierbabuena y el otro, a semillas de alcaravea. Su composición atómica es idéntica, pero los receptores olfativos de la nariz se ajustan mejor a una de las formas, como un guante a una mano. Por eso percibimos olores distintos.
(2) La vida eligió una sola forma
Casi todos los aminoácidos que forman las proteínas de los seres vivos de la Tierra son de tipo L, y los azúcares que forman el esqueleto del ADN y del ARN son de tipo D. Por qué la vida empezó a usar una sola de las dos «manos» desde el principio sigue siendo un misterio que la ciencia aún no ha resuelto del todo.
Desarrollo de medicamentos y quiralidad
Los medicamentos actúan al acoplarse a enzimas o receptores del organismo, por lo que la quiralidad influye directamente en su eficacia y seguridad. El caso más doloroso fue el de la talidomida, un sedante comercializado a finales de la década de 1950. Se utilizó para aliviar las náuseas del embarazo y, en todo el mundo, nacieron más de 1 decena de miles de bebés con malformaciones en las extremidades. Se suele explicar que un enantiómero produce el efecto sedante y el otro causa las malformaciones. En el organismo, las dos formas se convierten una en otra, por lo que tomar una sola tampoco evitaba el riesgo.
A raíz de este caso, cobró importancia evaluar por separado los enantiómeros durante el desarrollo de medicamentos. En 1992, la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos publicó directrices al respecto. También avanzaron considerablemente las técnicas para producir de forma selectiva el enantiómero deseado.
- Síntesis asimétrica (Asymmetric Synthesis). Método que permite obtener desde el principio uno de los enantiómeros en mayor cantidad. Fue el tema del Premio Nobel de Química de 2001, concedido a Knowles, Noyori y Sharpless.
- Organocatálisis (Organocatalysis). Método para obtener uno de los enantiómeros empleando moléculas orgánicas pequeñas en lugar de metales. Recibió el Premio Nobel de Química de 2021, concedido a List y MacMillan.
- Cambio quiral (Chiral Switch). Estrategia que consiste en volver a comercializar un medicamento que se vendía como mezcla racémica en una formulación que contiene únicamente el enantiómero eficaz.
Algunos medicamentos pueden formularse con ambos enantiómeros. En el caso del ibuprofeno, un analgésico, el efecto se debe principalmente a la forma S. Como en el organismo una parte considerable de la forma R se convierte en la forma S, el ibuprofeno sigue utilizándose ampliamente como mezcla racémica. Por eso es importante comprobar por separado cómo se comporta cada enantiómero en el organismo para cada medicamento.
La quiralidad demuestra que, aun partiendo de los mismos componentes, una orientación distinta puede dar resultados completamente diferentes. Examinar tanto la composición de una molécula como la forma en que se dispone en el espacio es el primer paso para comprender a fondo las propiedades de la materia.
