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Química prebiótica basada en formamida

La química prebiótica basada en formamida es una reconstrucción de los inicios de la vida en la Tierra, asumiendo que la formamida podía acumularse en cantidades suficientemente...

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La química prebiótica basada en formamida es una reconstrucción de los inicios de la vida en la Tierra, asumiendo que la formamida podía acumularse en cantidades suficientemente altas para servir como bloque de construcción y medio de reacción para la síntesis de las primeras moléculas biogénicas . [1]

La formamida (NH 2 CHO), la amida más simple que se encuentra en la naturaleza , contiene todos los elementos ( hidrógeno , carbono , oxígeno y nitrógeno ) que se requieren para la síntesis de biomoléculas y es una molécula omnipresente en el universo . [2] La formamida se ha detectado en centros galácticos , [3] [4] regiones de formación estelar de densas nubes moleculares , [5] objetos estelares jóvenes de alta masa, [6] el medio interestelar , [7] cometas , [8] [9] [10] y satélites. [11] En particular, se han observado nubes densas que contienen formamida, con tamaños del orden de kiloparsecs , en las proximidades del Sistema Solar . [5]

La formamida se forma en una variedad de condiciones, correspondientes tanto a entornos terrestres como a medios interestelares : por ejemplo, en la irradiación de partículas de alta energía de mezclas binarias de amoníaco (NH 3 ) y monóxido de carbono (CO), [12] o a partir de la reacción entre el ácido fórmico (HCOOH) con NH 3 . [13] Se ha sugerido que en los poros hidrotermales la formamida puede acumularse en concentraciones suficientemente altas para permitir la síntesis de moléculas biogénicas . [14] Las simulaciones de dinámica molecular ab initio sugieren que la formamida también podría ser un intermediario clave del experimento de Miller-Urey . [15]

El poder combinatorio del carbono se manifiesta en la composición de las poblaciones moleculares detectadas en los medios circunestelares e interestelares (véase el sitio web Astrochemistry.net [16] ). El número y la complejidad de las moléculas que contienen carbono son significativamente mayores que las de los compuestos inorgánicos , presumiblemente en todo el universo. Una de las moléculas de tres átomos que contienen carbono más abundantes observadas en el espacio es el cianuro de hidrógeno (HCN). [17] Por lo tanto, la química del HCN ha atraído la atención en los estudios sobre el origen de la vida desde los tiempos más remotos, y la síntesis de adenina en laboratorio a partir de HCN en presuntas condiciones prebióticas se informó ya en 1961. [18] El límite intrínseco del HCN se deriva de su alta reactividad, que conduce a su vez a la inestabilidad y la dificultad asociada con su concentración y acumulación en forma no reaccionada. [19] El “pequeño estanque cálido” en el que se supone que comenzó la vida, tal como lo imaginó Charles Darwin [20] [21] y reelaboró ​​Alexander Oparin , [22] probablemente tenía que alcanzar concentraciones suficientemente altas para comenzar a crear los siguientes niveles de complejidad. De ahí la necesidad de un derivado del HCN que sea lo suficientemente estable para sobrevivir durante períodos de tiempo lo suficientemente prolongados como para permitir su concentración en los entornos físico-químicos reales , pero que sea lo suficientemente reactivo para originar nuevos compuestos en entornos prebióticamente plausibles. [19] Idealmente, este derivado debería poder experimentar reacciones en varias direcciones, sin barreras de energía prohibitivamente altas , permitiendo así la producción de diferentes clases de compuestos potencialmente prebióticos . La formamida cumple todos estos requisitos y, debido a su punto de ebullición significativamente más alto (210 °C), permite la síntesis química en un rango de temperaturas mucho más amplio que el agua. [1] [23]

Química prebiótica

Las formas de vida actuales en la Tierra están compuestas esencialmente por cuatro tipos de entidades moleculares: (i) ácidos nucleicos , (ii) proteínas , (iii) carbohidratos y (iv) lípidos . Los ácidos nucleicos ( ADN y ARN ) incorporan y expresan la información genética y, juntos, constituyen el genoma y el aparato para su expresión (el genotipo ). Las proteínas , los carbohidratos y los lípidos forman las estructuras que aprovechan y manejan la energía del medio ambiente para organizar la materia según las instrucciones especificadas por el genotipo , con el objetivo de su conservación y transmisión. El conjunto de proteínas , carbohidratos , lípidos y ácidos nucleicos constituye el fenotipo . La vida está hecha, pues, de la interacción del metabolismo y la genética , del genotipo con el fenotipo . Ambos se construyen en torno a la química de los elementos más comunes del universo ( hidrógeno , oxígeno , nitrógeno y carbono ), desempeñando papeles importantes aunque secundarios el fósforo y el azufre , y otros elementos.

Dada la abrumadora variedad de moléculas concebibles desde el punto de vista químico , el hecho de que en los sistemas biológicos observemos sólo un pequeño subconjunto de moléculas orgánicas ha planteado preguntas sobre cómo y qué vías de reacción diferentes podrían haber conducido plausiblemente a la síntesis de moléculas prebiológicas en la Tierra primigenia. Estos son los principales objetivos de la investigación en química prebiótica .

Precursor de moléculas biogénicas

Figura 1. Relación entre la formamida y otras moléculas de materia prima prebiótica, como el HCN y el formato de amonio.[1]
Figura 1. Relación entre la formamida y otras moléculas de materia prima prebiótica, como el HCN y el formato de amonio (NH 4 + HCOO − ). [1]

La figura 1 resume la química básica de la formamida y su conexión química con HCN y formiato de amonio (NH 4 + HCOO − ), considerando ejemplos seleccionados de reacciones preparativas y degradativas. [1]

La síntesis de purina a partir de formamida se informó por primera vez en 1980. [24] Una serie de estudios basados ​​en esta observación se inició 20 años después: la síntesis de un gran panel de compuestos prebióticamente relevantes (incluyendo purina , adenina , citosina y 4(3H)pirimidinona) en buenos rendimientos se informó en 2001. [25] Estos productos se obtuvieron calentando formamida en presencia de catalizadores simples como carbonato de calcio (CaCO 3 ), sílice (SiO 2 ) o alúmina (Al 2 O 3 ).

Además de nucleobases , también se sintetizaron azúcares , [26] ácidos carboxílicos , [27] aminoácidos , [27] así como compuestos heterogéneos de varias clases, [27] (incluyendo urea y carbodiimida ). Los catalizadores estudiados incluyen, además de los mencionados, óxidos de titanio , [28] arcillas , [29] análogos de polvo cósmico , [30] fosfatos , [31 ] minerales de sulfuro de hierro , [32] minerales de circonio , [33] minerales de borato , [34] o numerosos materiales de origen meteorítico [26] [27] que abarcan meteoritos de hierro , hierro-pétreo, condritas y acondritas .

Se probaron varias fuentes de energía, incluida la energía térmica, [25] la radiación ultravioleta, [31] la irradiación con pulsos láser de alta energía (teravatios) [35] o protones lentos [26] . Se han reconstruido y analizado imitaciones de diferentes escenarios prebióticos basados ​​en formamida, incluida la irradiación espacial de meteoritos con el viento solar, [26] jardines químicos dinámicos [36] y meteoritos en entornos acuosos. [37] Se ha sugerido que la disminución gradual de la temperatura del entorno prebiótico podría inducir una secuencia de eventos químicos fuertemente fuera de equilibrio que llevaron al surgimiento de especies cada vez más complejas a partir de formamida en la Tierra primitiva. [23] [38]

Para cada combinación estudiada de catalizador /fuente de energía/ambiente, la formamida se condensó en una variedad de diferentes compuestos prebióticamente relevantes, cada combinación dando lugar a un conjunto específico de moléculas relativamente complejas, que generalmente abarcan varias nucleobases , aminoácidos y ácidos carboxílicos . [1] El nivel más alto de complejidad se alcanzó para el sistema formamida / meteorito , [27] utilizando la irradiación de protones como fuente de energía, donde se observó la síntesis en un solo recipiente de cuatro nucleósidos ( uridina , citidina , adenosina , timidina ). [26] Hasta ahora, ningún otro compuesto de un átomo de carbono ha demostrado la versatilidad de los productos que se pueden formar a partir de la formamida en condiciones prebióticas plausibles en una química de un solo recipiente (ver Figura 2). [39]

Figura 2. Principales bloques prebióticos que pueden sintetizarse a partir de formamida en condiciones prebióticas plausibles.[1]
Figura 2. Principales bloques prebióticos que pueden sintetizarse a partir de formamida en condiciones prebióticas plausibles. [1] , [26]

Además de su doble función de sustrato y disolvente en síntesis one-pot que dan lugar a compuestos prebióticos tan complejos como nucleósidos y largas cadenas alifáticas , [37] se ha observado que la formamida desempeña un papel en la generación de moléculas más cercanas al dominio biológico. En presencia de una fuente de fosfato (p. ej., minerales de fosfato ), la formamida promueve la fosforilación de nucleósidos , lo que conduce a la formación de nucleótidos , [40] [41] y estimula fuertemente la polimerización no enzimática de nucleótidos cíclicos 3',5' , lo que conduce a la síntesis abiótica de oligómeros de ARN . [42] Esta es la razón por la que la formamida se considera un medio plausible para las reacciones de fosforilación prebiótica también en el escenario de “síntesis discontinua” del origen de la vida. [43] [44] Además de la fosforilación, se ha demostrado que la formamida es un medio competente para la producción de derivados de aminoácidos a partir de sus precursores simples de aldehído y nitrilo, lo que demuestra que el agua no es el único disolvente en el que puede ocurrir este proceso. [45] En particular, la formamida proporciona un medio para la síntesis prebiótica de derivados de cisteína, algo que anteriormente no se consideraba plausible en entornos prebióticos estrictamente acuosos.

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