Quiralidad - Chirality

Dos enantiómeros de un aminoácido genérico que es quiral

La quiralidad / k r æ l ɪ t i / es una propiedad de asimetría importante en varias ramas de la ciencia. La palabra quiralidad se deriva del griego χειρ ( kheir ), "mano", un objeto quiral familiar.

Un objeto o un sistema es quiral si se distingue de su imagen especular ; es decir, no se le puede superponer . Por el contrario, una imagen especular de un objeto aquiral , como una esfera, no se puede distinguir del objeto. Un objeto quiral y su imagen especular se denominan enantiomorfos (en griego, "formas opuestas") o, cuando se hace referencia a moléculas, enantiómeros . Un objeto no quiral se llama aquiral (a veces también anfiquiral ) y se puede superponer a su imagen especular.

El término fue utilizado por primera vez por Lord Kelvin en 1893 en la segunda Conferencia de Robert Boyle en el Club Científico Juvenil de la Universidad de Oxford que se publicó en 1894:

Llamo 'quiral' a cualquier figura geométrica, o grupo de puntos, y digo que tiene quiralidad si su imagen en un espejo plano, idealmente realizado, no puede coincidir consigo misma.

Las manos humanas son quizás el ejemplo más universalmente reconocido de quiralidad. La mano izquierda es una imagen especular no superponible de la mano derecha; no importa cómo estén orientadas las dos manos, es imposible que todas las características principales de ambas manos coincidan en todos los ejes. Esta diferencia en la simetría se vuelve obvia si alguien intenta estrechar la mano derecha de una persona usando su mano izquierda, o si se coloca un guante para zurdos en la mano derecha. En matemáticas, la quiralidad es la propiedad de una figura que no es idéntica a su imagen especular. Se dice que una molécula es quiral si toda su valencia está ocupada por diferentes átomos o grupos de átomos.

Matemáticas

Un objeto 3D aquiral sin simetría central o plano de simetría
Una tabla de todos los nudos principales con siete cruces o menos (sin incluir imágenes en espejo).

En matemáticas , una figura es quiral (y se dice que tiene quiralidad) si no se puede asignar a su imagen especular mediante rotaciones y traslaciones únicamente. Por ejemplo, un zapato derecho es diferente de un zapato izquierdo y en el sentido de las agujas del reloj es diferente que en el sentido contrario a las agujas del reloj. Consulte para obtener una definición matemática completa.

Se dice que un objeto quiral y su imagen especular son enantiomorfos. La palabra enantiomorfo proviene del griego ἐναντίος (enantios) 'opuesto' + μορφή (morphe) 'forma'. Una figura no quiral se llama aquiral o anfiquiral.

La hélice (y por extensión una cuerda hilada, un tornillo, una hélice, etc.) y la tira de Möbius son objetos quirales bidimensionales en el espacio ambiental tridimensional. Los tetrominós en forma de J, L, S y Z del popular videojuego Tetris también exhiben quiralidad, pero solo en un espacio bidimensional.

Muchos otros objetos familiares exhiben la misma simetría quiral del cuerpo humano, como guantes, gafas (a veces) y zapatos. En la teoría de nudos se considera una noción similar de quiralidad , como se explica a continuación.

A algunos objetos quirales tridimensionales, como la hélice, se les puede asignar una mano derecha o izquierda, de acuerdo con la regla de la mano derecha .

Geometría

En geometría , una figura es aquiral si, y solo si, su grupo de simetría contiene al menos una isometría de inversión de orientación . En dos dimensiones, toda figura que posee un eje de simetría es aquiral, y se puede demostrar que toda figura aquiral acotada debe tener un eje de simetría. En tres dimensiones, toda figura que posea un plano de simetría o un centro de simetría es aquiral. Sin embargo, hay figuras aquirales que carecen de plano y centro de simetría. En términos de grupos de puntos , todas las figuras quirales carecen de un eje de rotación inadecuado (S n ). Esto significa que no pueden contener un centro de inversión (i) o un plano de espejo (σ). Solo las figuras con una designación de grupo de puntos de C 1 , C n , D n , T, O o I pueden ser quirales.

Teoría del nudo

Un nudo se llama aquiral si se puede deformar continuamente en su imagen especular; de lo contrario, se llama quiral. Por ejemplo, el nudo anudado y el nudo en forma de ocho son aquirales, mientras que el nudo trébol es quiral.

Física

Animación de luz polarizada circularmente hacia la derecha (en el sentido de las agujas del reloj) , definida desde el punto de vista de un receptor de acuerdo con las convenciones ópticas .

En física, la quiralidad se puede encontrar en el giro de una partícula, donde la mano del objeto está determinada por la dirección en la que gira la partícula. No debe confundirse con la helicidad , que es la proyección del espín a lo largo del momento lineal de una partícula subatómica, la quiralidad es una propiedad intrínseca de la mecánica cuántica, como el espín. Aunque tanto la quiralidad como la helicidad pueden tener propiedades para zurdos o diestros, solo en el caso sin masa son idénticas. En particular, para una partícula sin masa, la helicidad es la misma que la quiralidad, mientras que para una antipartícula tienen el signo opuesto.

La destreza tanto en quiralidad como en helicidad se relaciona con la rotación de una partícula mientras avanza en movimiento lineal con referencia a las manos humanas. El pulgar de la mano apunta hacia la dirección del movimiento lineal, mientras que los dedos se curvan hacia la palma, representando la dirección de rotación de la partícula (es decir, en sentido horario y antihorario). Dependiendo del movimiento lineal y de rotación, la partícula puede definirse por ser diestro o zurdo. Una transformación de simetría entre los dos se llama paridad . La invariancia bajo paridad por un fermión de Dirac se llama simetría quiral .

Electromagnetismo

Las ondas electromagnéticas pueden tener la mano asociada con su polarización . La polarización de una onda electromagnética es la propiedad que describe la orientación , es decir, la dirección y amplitud que varían en el tiempo , del vector de campo eléctrico . Por ejemplo, los vectores de campo eléctrico de ondas polarizadas circularmente para zurdos o diestros forman hélices de sentido opuesto en el espacio.

Las ondas polarizadas circularmente de sentido contrario se propagan a través de medios quirales a diferentes velocidades ( birrefringencia circular ) y con diferentes pérdidas ( dicroísmo circular ). Ambos fenómenos se conocen conjuntamente como actividad óptica. La birrefringencia circular provoca la rotación del estado de polarización de las ondas electromagnéticas en medios quirales y puede provocar un índice de refracción negativo para las ondas de una mano cuando el efecto es suficientemente grande.

Si bien la actividad óptica ocurre en estructuras que son quirales en tres dimensiones (como hélices), el concepto de quiralidad también se puede aplicar en dos dimensiones. Los patrones quirales 2D , como las espirales planas, no se pueden superponer con su imagen especular por traslación o rotación en un espacio bidimensional (un plano). La quiralidad 2D está asociada con la transmisión asimétrica direccional (reflexión y absorción) de ondas polarizadas circularmente. Los materiales quirales 2D, que también son anisotrópicos y con pérdida, exhiben diferentes niveles de transmisión total (reflexión y absorción) para la misma onda polarizada circularmente incidente en su frente y dorso. El fenómeno de transmisión asimétrica surge de diferentes eficiencias de conversión de polarización circular, por ejemplo, de izquierda a derecha para direcciones de propagación opuestas de la onda incidente y, por lo tanto, el efecto se denomina dicroísmo de conversión circular. Al igual que el giro de un patrón quiral 2d parece invertido para direcciones de observación opuestas, los materiales quirales 2d tienen propiedades intercambiadas para ondas polarizadas circularmente para zurdos y diestros que inciden en su parte delantera y trasera. En particular, las ondas polarizadas circularmente para zurdos y diestros experimentan asimetrías de transmisión direccional opuesta (reflexión y absorción).

Si bien la actividad óptica está asociada con la quiralidad 3d y la conversión circular está asociada con la quiralidad 2d, ambos efectos también se han observado en estructuras que no son quirales por sí mismas. Para la observación de estos efectos electromagnéticos quirales, la quiralidad no tiene por qué ser una propiedad intrínseca del material que interactúa con la onda electromagnética. En cambio, ambos efectos también pueden ocurrir cuando la dirección de propagación de la onda electromagnética junto con la estructura de un material (aquiral) forman una disposición experimental quiral. Este caso, donde la disposición mutua de componentes aquirales forma una disposición quiral (experimental), se conoce como quiralidad extrínseca.

Los espejos quirales son una clase de metamateriales que reflejan la luz polarizada circularmente de una cierta helicidad de una manera que preserva la mano, mientras que absorben la polarización circular de la mano opuesta. Sin embargo, la mayoría de los espejos quirales absorbentes operan solo en una banda de frecuencia estrecha, limitada por el principio de causalidad. Al emplear una metodología de diseño diferente que permite el paso de ondas no deseadas en lugar de absorber la forma de onda no deseada, los espejos quirales pueden mostrar un buen rendimiento de banda ancha.

Química

( S ) -Alanina (izquierda) y ( R ) -alanina (derecha) en forma zwiteriónica a pH neutro

Una molécula quiral es un tipo de molécula que tiene una imagen especular no superponible . La característica que suele ser la causa de la quiralidad en las moléculas es la presencia de un átomo de carbono asimétrico .

El término "quiral" en general se usa para describir el objeto que no es superponible en su imagen especular.

En química, la quiralidad generalmente se refiere a moléculas. Dos imágenes especulares de una molécula quiral se denominan enantiómeros o isómeros ópticos . Los pares de enantiómeros a menudo se denominan " diestros ", "zurdos" o, si no tienen sesgo, "aquirales". A medida que la luz polarizada pasa a través de una molécula quiral, el plano de polarización, cuando se ve a lo largo del eje hacia la fuente, se rotará en el sentido de las agujas del reloj (hacia la derecha) o en sentido antihorario (hacia la izquierda). Una rotación a la derecha es dextrorrotativa (d); el de la izquierda es levorotary (l). Los isómeros d y l son el mismo compuesto pero se denominan enantiómeros . Una mezcla equimolar de los dos isómeros ópticos no producirá una rotación neta de luz polarizada a su paso. Las moléculas de la mano izquierda tienen un prefijo l- en sus nombres; d- tiene el prefijo de moléculas diestras. Sin embargo, esta notación d y l de enantiómeros distintivos no dice nada sobre la disposición espacial real de los ligandos / sustituyentes alrededor del centro estereogénico, que se define como configuración. Otro sistema de nomenclatura empleado para especificar la configuración es la convención de Fischer. Esto también se conoce como el sistema D y L. Aquí la configuración relativa se asigna con referencia a D - (+) - Gliceraldehído y L - (-) - Gliceraldehído, tomándose como estándar. La convención de Fischer se usa ampliamente en la química del azúcar y para los α-aminoácidos. Debido a los inconvenientes de la convención de Fischer, reemplaza casi por completo por la convención de Cahn-Ingold-Prelog, también conocida como regla de secuencia o nomenclatura R y S. Esto se amplió aún más para asignar la configuración absoluta a los isómeros cis-trans con la notación EZ.

La quiralidad molecular es de interés debido a su aplicación a la estereoquímica en química inorgánica , química orgánica , química física , bioquímica y química supramolecular .

Los desarrollos más recientes en química quiral incluyen el desarrollo de nanopartículas inorgánicas quirales que pueden tener la geometría tetraédrica similar a los centros quirales asociados con átomos de carbono sp3 tradicionalmente asociados con compuestos quirales, pero a mayor escala. También se obtuvieron simetrías helicoidales y otras de nanomateriales quirales.

Biología

Todas las formas de vida conocidas muestran propiedades quirales específicas en las estructuras químicas, así como en la anatomía macroscópica, el desarrollo y el comportamiento. En cualquier organismo específico o conjunto del mismo relacionado evolutivamente, los compuestos, órganos o comportamientos individuales se encuentran en la misma forma enantiomórfica única. La desviación (que tiene la forma opuesta) se puede encontrar en una pequeña cantidad de compuestos químicos, o en cierto órgano o comportamiento, pero esa variación depende estrictamente de la composición genética del organismo. Desde el nivel químico (escala molecular), los sistemas biológicos muestran una estereoespecificidad extrema en la síntesis, captación, detección y procesamiento metabólico. Un sistema vivo generalmente se ocupa de dos enantiómeros del mismo compuesto de formas drásticamente diferentes.

En biología, la homoquiralidad es una propiedad común de los aminoácidos y los carbohidratos . Los aminoácidos quirales productores de proteínas , que se traducen a través del ribosoma a partir de la codificación genética, se presentan en forma L. Sin embargo, los D -aminoácidos también se encuentran en la naturaleza. Los monosacáridos (unidades de carbohidratos) se encuentran comúnmente en la configuración D. La doble hélice del ADN es quiral (como cualquier tipo de hélice es quiral), y la forma B del ADN muestra un giro a la derecha.

R - (+) - Limoneno que se encuentra en naranja
S - (-) - Limoneno que se encuentra en el limón

A veces, cuando dos enantiómeros de un compuesto se encuentran en organismos, difieren significativamente en su sabor, olor y otras acciones biológicas. Por ejemplo, (+) - limoneno que se encuentra en la naranja (que causa su olor) y (-) - limoneno que se encuentra en los limones (que causa su olor), muestran diferentes olores debido a diferentes interacciones bioquímicas en la nariz humana. (+) - La carvona es responsable del olor del aceite de semilla de alcaravea , mientras que la (-) - carvona es responsable del olor a aceite de menta verde .

( S ) - (+) - La carvona se encuentra en el aceite de semilla de alcaravea, y ( R ) - (-) - la carvona se encuentra en la menta verde
Dextropropoxifeno o Darvon, un analgésico
Levopropoxifeno o Novrad, un agente contra la tos

Además, para los compuestos artificiales, incluidos los medicamentos, en el caso de los fármacos quirales , los dos enantiómeros a veces muestran una diferencia notable en el efecto de sus acciones biológicas. Darvon ( dextropropoxifeno ) es un analgésico, mientras que su enantiómero, Novrad ( levopropoxifeno ) es un agente contra la tos. En el caso de la penicilamina , el isómero ( S se usa en el tratamiento de la artritis crónica primaria, mientras que el isómero ( R ) no tiene ningún efecto terapéutico, además de ser altamente tóxico. En algunos casos, el enantiómero menos terapéuticamente activo puede causar efectos secundarios. Por ejemplo, ( S -naproxeno es un analgésico pero el isómero ( R) causa problemas renales. En tales situaciones en las que uno de los enantiómeros de un fármaco racémico está activo y el otro socio tiene un efecto indeseable o tóxico, uno puede cambiar de racemato a un fármaco enantiómero único para un mejor valor terapéutico. [1] Tal cambio de un fármaco racémico a un fármaco enantiopuro se denomina cambio quiral .

La forma vegetal natural del alfa-tocoferol ( vitamina E ) es RRR-α-tocoferol, mientras que la forma sintética (vitamina E totalmente racémica o dl-tocoferol) es partes iguales de los estereoisómeros RRR, RRS, RSS, SSS, RSR , SRS, SRR y SSR con equivalencia biológica progresivamente decreciente, de modo que 1,36 mg de dl-tocoferol se considera equivalente a 1,0 mg de d-tocoferol.

Una hélice natural para zurdos, formada por el zarcillo de cierta planta trepadora .

Los ejemplos macroscópicos de quiralidad se encuentran en el reino vegetal, el reino animal y todos los demás grupos de organismos. Un ejemplo simple es la dirección de enrollamiento de cualquier planta trepadora, que puede crecer para formar una hélice izquierda o derecha.

Conchas de dos especies diferentes de caracol de mar: a la izquierda está la concha normalmente sinistral (zurda) de Neptunea angulata , a la derecha está la concha normalmente dextral (diestra) de Neptunea despecta

En anatomía, la quiralidad se encuentra en la simetría imperfecta de la imagen especular de muchos tipos de cuerpos animales. Los organismos como los gasterópodos exhiben quiralidad en sus caparazones enrollados, lo que resulta en una apariencia asimétrica. Más del 90% de las especies de gasterópodos tienen caparazones dextrales (diestros) en su enrollamiento, pero una pequeña minoría de especies y géneros son virtualmente siempre sinistrales (zurdos). Muy pocas especies (por ejemplo, Amphidromus perversus ) muestran una mezcla igual de individuos dextrales y sinistrales.

En los seres humanos, la quiralidad (también referido como handedness o lateralidad ) es un atributo de los seres humanos definidos por su distribución desigual de la habilidad motora fina entre la izquierda y derecha las manos . Un individuo que es más diestro con la mano derecha se llama diestro , y uno que es más hábil con la izquierda se dice que es zurdo . La quiralidad también se observa en el estudio de la asimetría facial .

En el caso de la condición de salud situs inversus totalis , en la que todos los órganos internos se voltean horizontalmente (es decir, el corazón se coloca ligeramente a la derecha en lugar de a la izquierda), la quiralidad plantea algunos problemas si el paciente requiere un trasplante de hígado o corazón, como estos órganos son quirales, lo que significa que los vasos sanguíneos que irrigan estos órganos tendrían que reorganizarse en caso de que se requiera un órgano normal non situs inversus ( situs solitus ).

En los peces planos, la platija de verano o la platija tienen el ojo izquierdo, mientras que el fletán tiene el ojo derecho.

Ver también

Referencias

enlaces externos