5EVOLUCIÓN QUÍMICA EL CARBONO EL CARBONO ES ESENCIAL PARA

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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:

Alargamiento de las cadenas de átomos de carbono y el desarrollo del proceso inverso (ruptura de enlaces formados)
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
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, C_960,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).

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