5.-Evolución Química: El Carbono

5.-Evolución Química: El Carbono
El carbono es esencial para muchos procesos físicos y químicos que
ocurren en la Tierra y en el Universo. Es uno de los elementos más
abundantes en el espacio interestelar y en las estrellas. En las estrellas
medianas (solares) se forma por la fusión del berilio y el helio. En el espacio
interestelar gobierna procesos físicos y químicos, y probablemente forma la
estructura del polvo interestelar, recursos importantes de la formación de
los sistemas solares. El carbono es también el constituyente atmosférico
predominante en planetas cercanos, como Venus y Marte (Snow and Witt,
1995:1455-1460).
El carbono puede compartir pares de electrones consigo mismo, formando
enlaces C-C (carbono-carbono), de gran estabilidad. También puede formar
enlaces simples y dobles con el oxígeno y el nitrógeno. Evidencia de ello es
la conformación de monómeros simples, como las moléculas de ácido
cianhídrico (HCN), cianógeno (C2N2) y compuestos con grupos CHO, los que
constituyen pasos previos importantes hacia la síntesis de aminoácidos. Las
rutas hipotéticas evolutivas de estas moléculas carbonadas simples en
medios prebióticos ancestrales, encontrarían un adecuado respaldo en los
experimentos de Miller. Este demostró que mezclas de hidrógeno (HCN),
originando aminonitrilo (C2N2H4). Éste, al reaccionar consigo mismo y luego
de eliminar dos moléculas de agua, conformaba finalmente glicina (Miller,
1953:528). Claro que en ausencia de oxígeno libre que pudiese degradar a
los aminonitrilos, la hidrólisis pudo durar miles de años. En estas
condiciones el formaldehído (CH3O) puede convertirse primero en ácido
glicólico (C3H4O2) y luego en glicina. El acetaldehïdo (C2H3O) se convierte
primero en ácido láctico y luego en alanina (C3H7NO2). Como se ve el
carbono dominó la química prebiótica (Dickerson, 1979:91-173).
Las moléculas que tienen esqueletos carbonados unidos covalentemente se
denominan compuestos orgánicos. El número de ellas y sus variedades son
casi ilimitados, y están destinadas a la conformación de estructuras
precursoras de la vida. La evolución ulterior del carbono tuvo como base
tres tipos de reacciones iniciales de carácter fundamental:
1. Alargamiento de las cadenas de átomos de carbono y el desarrollo del
proceso inverso (ruptura de enlaces formados)
2. Polimerización o combinación de dos o más moléculas orgánicas
usando como puentes al nitrógeno, o al oxígeno, y el desarrollo del
proceso inverso (hidrólisis) y
3. Reacciones de óxido -reducción (Oparin,1979:91-173).
La mayor parte de las biomoléculas, son derivadas de los hidrocarburos
(Dickerson, 1979:36-38). La evolución de los hidrocarburos, demandó a los
átomos de hidrógeno su sustitución ulterior, por una amplia gama de grupos
funcionales para originar familias de compuestos orgánicos con
propiedades específicas. Los átomos de carbono unidos covalentemente
pueden formar cadenas lineales ramificadas, estructuras cíclicas y en forma
de celda, mayormente monocíclicas. En los seres vivos se conocen anillos
de 5 aristas unidas a otras de 6, para formar compuestos aromáticos
estables como los ácidos nucleicos: adenina y guanina (Curl y Smalley,
1991:14-20 ; Oparin, 1979 :20-71).
Para comprender la evolución ulterior del carbono, es necesario seguirlos
fuera de los organismos vivos. Y aquí importa revisar conocimientos con
relación a la conformación de ciertos compuestos carbonados policíclicos,
grandes vacíos, tridimensionales y de forma de pelotas o esferas cerradas:
los fullerenos (C60, C540, C960,etc). Estos, han sido obtenidos artificialmente
evaporando barras de gráfito (primera forma del carbono, con uniones de
tipo lineal), con láser, en atmósferas de helio (Curl y Smalley, 1991:14-24).
Otros fullerenos, como el dodecabenzocoroneno, compuesto de 19 anilos
bencenoides hexagonales, probablemente existe en las nebulosas
(Aihara,1992: 62-64).
Sólo 30 elementos, son esenciales para los organismos vivos. La mayoría de
los elementos constituyentes de la materia viva tienen números atómicos
relativamente bajos. Cinco de ellos tienen números superiores al del selenio
(Se). Los 4 elementos más abundantes en los seres vivos en términos
porcentuales son el hidrógeno, el oxígeno, el carbono y el nitrógeno, que de
conjunto representan más del 99% de la masa total, de la mayor parte de la
célula. Estos elementos además de ser los más ligeros, tienen capacidad
para formar enlaces estables (base para la formación de estructuras
biológicas), supone una suerte de selección natural específica, por lo menos
para el planeta en que habitamos. En la corteza terrestre, en términos
porcentuales casi no existe carbono libre, en el agua de mar existe en una
proporción de 0,0014%; mientras que en el ser humano alcanza la
proporción de 9,5%. Como se ve, la química de los organismos vivos se
organiza alrededor del elemento carbono (C), que representa más de la mitad
del peso seco de las células. Los oligoelementos (Zn, Na, K, etc.) sólo
representan una minúscula fracción del peso del cuerpo humano, sin que
esto les reste importancia como elementos esenciales de la vida
(Lehninger,1993: 18-32, 57-58).
La elección del carbono para formar estructuras biológicas, está basada en
su gran estabilidad. Esto se debe a que mientras ciertos átomos, al ceder
electrones, desprendiéndose de ellos, se convierten en iones negativos; al
aceptar al incorporarlos, se convierte en un ion positivo. La unión de este
tipo, define a los denominados enlaces iónicos. El carbono, que posee 4
electrones de valencia, en lugar de cederlos o aceptarlos, prefiere
compartirlos mediante enlaces covalentes (Gribbin, 1986:169).
Para el caso de los enlaces simples C-C, o C-O, la fortaleza del enlace
depende de la electronegatividad de los átomos enlazados. La
electronegatividad en el caso C-C es nula, por lo tanto el enlace es muy
estable. En el caso de elementos con diferente afinidad electrónica
(electronegatividad) como C-O, el enlace se polariza, es decir que los
electrones compartidos tendrán más probabilidad de encontrarse en la
región del átomo más electronegativo, (en este caso el O), lo que hace al
enlace, menos estable. El número de electrones compartidos y la distancia
de los de enlace, con respecto a cada núcleo también afecta la fuerza del
enlace. Los enlaces carbonados dobles son más fuertes que los simples, y
los triples, lo son más que los dobles. Ningún otro elemento puede constituir
moléculas con formas y tamaños tan diferentes y con tanta variedad de
grupos funcionales como el carbono (Lehninger, 1993:58-59).
Con relación a enlaces carbonados dobles, importantes aportes, en relación
con la estabilidad de los mismos, han sido proporcionados por estudios
realizados en el benceno y los fullerenos. Del benceno se sabe que su
extraordinaria estabilidad reside en el hecho de que todos sus átomos de
carbono presentan órbitas llenas de electrones. En este caso, cada átomo de
carbono comparte más de dos electrones de valencia con el átomo de
carbono más cercano. Las dos uniones que integran los enlaces dobles del
benceno, se conocen con los nombres de enlace sigma, (enlace sencillo y
fuerte) y enlace pi (al parecer inestable y débil en apariencia). Los orbitales
atómicos, en los que residen los electrones pi, al ser deslocalizados, se
solapan con los de sus vecinos y se movilizan por zonas comunes formando
nubes pi, en forma de rosquillas. Esta características de viajar por orbitales
comunes contribuye a la estabilidad del enlace. Si el número de electrones
pi, que conforman los orbitales externos, es: 2, 6, 10, 14 etc, los enlaces
serán fuertes, lo que a su vez determinará acopio de energía en cantidades
que pueden ser predichas (Aihara,1992:62-66). El hecho de que este aserto
falle en los fullerenos, se debe a que las estructuras cíclicas incorporan una
energía adicional, positiva (energía de resonancia topológica, no presente en
las estructuras carbonadas lineales), y que al parecer es promovida por la
propia estructura tridimensional del compuesto. Cálculos matemáticos
topológicos, resumidos en la ecuación de un polinomio característico,
creado por Hosoya y Aihara, han acercado bastante los valores de energía
calculados, para romper cierto número de enlaces carbonados (energía de
atomización), que nos permite predecir qué compuesto tendrá un enlace
fuerte. En general todos los compuestos aromáticos con energía positiva,
presente aún en algunos compuestos carbonados del tipo de los fullerenos,
sólo indica nuestra precariedad de conocimientos con relación a los
fundamentos últimos condicionadores de los fuertes enlaces del carbono
(Aihara and Hosoya, 1988:2657-2659).
Así pues la evolución estructural del carbono en los seres vivos se inicia con
la creación de cadenas lineales, covalentes (como las largas uniones de los
ácidos grasos), las mismas que llegado a un punto, devienen en
anillamientos del tipo del colesterol y los pigmentos de las plantas (Schopf,
1979:56-57). Al final y según la propuesta de Ingber, existirían reglas
universales que parecerían guiar el diseño de las estructuras orgánicas,
desde elementales compuestos carbonados hasta células complejas y
complicados tejidos y organismos (Ingber, 1998:30). Las proteínas y los
polinucleótidos tienen también tendencias a anillarse en forma reversible y
espontánea, efecto que parece depender de las uniones hidrogenadas y de
demostrar que compuestos hidrocarbonados artificiales, tornan sus
estructuras lineales en helicoidales, han asumido que estas conformaciones
son promovidas casi exclusivamente por enlaces carbonados (Nelson,
1997:1793-1796). Los radiolarios, protozoos de esqueleto silíceo, desarrollan
estructuras fullerénicas, al igual que ciertos virus, organelas y ciertas
enzimas celulares (Curl and Smalley, 1991:23, Ingber, 1998:31-39).