25.14: Evolución Química

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Un problema de gran interés para los curiosos sobre la evolución de la vida se refiere a los orígenes de las moléculas biológicas. ¿Cuándo y cómo se sintetizaron por primera vez las moléculas de la vida, como las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos?

En el transcurso de la historia geológica, debió haber habido un período prebiótico en el que se formaron compuestos orgánicos y se convirtieron en moléculas complejas similares a las que encontramos en los sistemas vivos. La composición de la atmósfera terrestre en tiempos prebióticos era casi con certeza muy diferente de lo que es hoy en día. Probablemente se trataba de una atmósfera reductora que consistía principalmente en metano, amoníaco, agua, y debido a que había poco o nada de oxígeno libre, no había capa de ozono de estratosfera y poco, si alguna, se proyectaba de la radiación ultravioleta del sol. Partiendo de\(\ce{CH_4}\)\(\ce{NH_3}\), y\(\ce{H_2O}\), es plausible que los procesos fotoquímicos den como resultado la formación de cianuro de hidrógeno\(\ce{HCN}\), y metanal\(\ce{CH_2O}\), por reacciones como las siguientes:

\[\ce{CH_4} + \ce{NH_3} \overset{h \nu}{\longrightarrow} \ce{HCN} + 3 \ce{H_2}\]

\[\ce{CH_4} + \ce{H_2O} \overset{h \nu}{\longrightarrow} \ce{CH_2=O} + 2 \ce{H_2}\]

El cianuro de hidrógeno y el metanal son materiales de partida especialmente razonables para la síntesis prebiótica de aminoácidos, bases de purina y pirimidina, ribosa y otros azúcares. La formación de glicina, por ejemplo, podría haber ocurrido por una síntesis de Strecker (Sección 25-6), por lo que el amoníaco se agrega al metanal en presencia de\(\ce{HCN}\). La hidrólisis posterior del aminoetanitrilo intermedio produciría glicina:

La plausibilidad de estas reacciones está fuertemente respaldada por los experimentos clásicos de S. Miller (1953), quien demostró que una mezcla de metano o etano, amoníaco y agua, en irradiación ultravioleta prolongada o exposición a una descarga eléctrica, produjo una amplia gama de compuestos incluyendo racémicos\(\alpha\) - y\(\beta\) -aminoácidos.

No es difícil visualizar cómo se pueden formar azúcares como la ribosa. Se sabe que el metanal se convierte por bases a través de una serie de adiciones de tipo aldol a una mezcla de moléculas similares a azúcar llamada “formose”. La formación de ribosa racémica junto con sus estereoisómeros podría ocurrir de la siguiente manera:

Es más difícil concebir cómo se pueden lograr las bases de ácido nucleico como la adenosina en las síntesis prebióticas. Sin embargo, la adenina\(\ce{C_5H_5N_5}\),, corresponde en composición a un pentámero de cianuro de hidrógeno y podría resultar por medio de un trímero de\(\ce{HCN}\)\(20\), y el aducto de amoníaco con\(\ce{HCN}\),\(21\):

Sin preocuparse por los detalles mecanicistas de cómo se podría formar la adenina\(20\) y\(21\), se puede ver que el sistema de anillos de adenina equivale a\(20\) más dos\(21\) menos dos\(\ce{NH_3}\):

¿Cómo crecieron estas pequeñas moléculas orgánicas prebióticas hasta convertirse en grandes sustancias poliméricas como péptidos, ARN, etc.? Es importante reconocer que por cualesquiera reacciones ocurriera la polimerización, tenían que ser reacciones que ocurrirían en un ambiente esencialmente acuoso. Esto presenta dificultades porque la condensación de aminoácidos para formar péptidos, o de nucleótidos para formar ARN o ADN, no es termodinámicamente favorable en solución acuosa.

Es muy posible que los polipéptidos primitivos se formaran por la polimerización de aminoetanitrilos producidos por la adición de amoníaco y\(\ce{HCN}\) a metanal u otros aldehídos. Los iminopolímeros resultantes ciertamente se hidrolizarían a polipéptidos:

Hay muchas otras preguntas sobre el origen de las moléculas de la vida para las cuales solo tenemos respuestas parciales, o ninguna respuesta en absoluto.

Es difícil imaginar cómo estas moléculas, una vez formadas, evolucionaron de alguna manera más hacia los sistemas extraordinariamente complejos que ofrece incluso la bacteria más simple capaz de utilizar la energía del sol para sostenerse y reproducirse. Sin embargo, los péptidos sintéticos se enrollan y se agregan como proteínas naturales, y algunos también han mostrado actividades catalíticas características de las enzimas naturales. Uno esperaría que algún tipo de vida se encontrara en otra parte del sistema solar, cuyo análisis nos ayudaría a comprender mejor cómo comenzó la vida en la tierra.

Colaboradores y Atribuciones

John D. Robert and Marjorie C. Caserio (1977) Basic Principles of Organic Chemistry, second edition. W. A. Benjamin, Inc. , Menlo Park, CA. ISBN 0-8053-8329-8. This content is copyrighted under the following conditions, "You are granted permission for individual, educational, research and non-commercial reproduction, distribution, display and performance of this work in any format."