En los inicios de nuestro mundo, las duras condiciones de la Tierra primitiva dieron origen a un grupo de moléculas orgánicas básicas que evolucionaron hasta convertirse en las moléculas más complejas que fueron las precursoras de los diversos organismos vivos; entre este grupo de moléculas esenciales para la vida encontramos aminoácidos, nucleobases y azúcares. Si bien se cree que los aminoácidos (moléculas orgánicas que tienen un grupo amino y un grupo carboxilo) pudieron haber surgido del amoniaco, y que las nucleobases (compuestos orgánicos cíclicos que tienen uno o dos átomos de nitrógeno) surgieron del cianuro de hidrógeno; aún no está claro el cómo surgieron los primeros azucares. Veamos en este posts algunas hipótesis planteadas para explicar el origen de una de las moléculas orgánicas más abundantes de la naturaleza.
En la duras condiciones de la Tierra primitiva surgieron las moléculas básicas para la vida, entre ellas los primeros azúcares. Fuente: 
Química prebiótica ¿qué había en el principio?
Hace más de cuatro mil millones de años, lo que después se convertiría en nuestro habitable planeta azul, apenas había comenzado a enfriarse y se estaban formando las principales capas estructurales del planeta, en estos orígenes, este primitivo y convulso planeta era sacudido por el vulcanismo y su atmósfera era muy diferente a la actual, era una mezcla de CO2, amoniaco, hidrógeno, metano y vapor de agua. Bajo estas duras condiciones aparecieron las primeras moléculas orgánicas que dieron origen a la vida.
La química prebiótica es una especialidad de la química que estudia las vías para obtener las moléculas orgánicas que pudieron formarse en la Tierra primitiva, y que bajo este ambiente inhóspito, dieron lugar a las moléculas que constituyeron las unidades estructurales responsables de la vida
En la atmósfera de la Tierra primitiva evolucionaron las primeras moléculas orgánicas. Fuente: pixabay.com.
El primer aporte realizado para esclarecer el origen de las primeras moléculas orgánicas fue hecho por los químicos Stanley Miller y Harold Clayton Urey en la Universidad de Chicago en 1953. Estos químicos llevaron a cabo un experimento que constituyó la primera comprobación de que se pueden formar moléculas orgánicas bajo las condiciones ambientales de la Tierra primitiva a partir de los compuestos inorgánicos presentes en la atmósfera.
En su experimento, los investigadores construyeron un sistema de reacción que simulaba la atmósfera de la Tierra temprana, para ello colocaron los gases que se supone componían la atmosfera de la Tierra en sus orígenes en el sistema compuesto por recipientes conectados por tubos de cristal, en otro de los recipientes que compone el sistema se agregó agua (un pequeño océano), se calentó para proporcionar vapor de agua al conjunto de gases, donde luego se hicieron pasar descargas eléctricas que simulaban rayos, para imitar la composición y condiciones de la atmósfera primitiva. Luego, los gases atravesaban un condensador, y las gotas condensadas volvían al primer recipiente, repitiendo el ciclo durante una semana.
Esquema del experimento de Miller. Fuente: Wikipedia.org.
Cuando el ciclo fue interrumpido, analizaron los compuestos químicos producidos en estas condiciones y detectaron aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, además de urea y otros compuestos orgánicos. Aunque el experimento de Miller y Urey demostró cómo se pudieron haber originado este importante tipo de moléculas, no explica cómo se pudieron haber originado otro tipo de moléculas indispensables para la vida, como los azúcares.
La reacción de la Formosa
En 1861 el químico Alexander Butlerov encontró una reacción que demostraba la formación de azúcar a partir del formaldehído, lo que se dio a conocer como la reacción de la Formosa (el nombre es una contracción de formaldehído y aldosa). Butlerov descubrió que la reacción era catalizada por una base y un metal divalente, como magnesio, calcio, bario y plomo; y particularmente, el calcio está muy disponible en la superficie de la Tierra.
La reacción inicia con dos moléculas de formaldehído que reaccionan entre sí para formar glicoaldehído, el mecanismo de este primer paso autocatalítico no es del todo claro, la reacción podría ser promovida por la luz o mediante un proceso de radicales libres, este producto, mediante una reacción aldólica con otro formaldehído forman gliceraldehído, el cual, mediante una isomerización forma dihidroxiacetona, esta reacciona con un glicoaldehido para formar ribulosa (una molécula tipo glúcido que pertenece al grupo de los monosacáridos) , y en una subsecuente isomerización esta última forma ribosa, un monosacárido de relevancia biológica ya que forma parte del ARN.
Representación del ciclo catalítico para la dimerización del formaldehído y la formación de sacáridos. Fuente: [Wikipedia.org], imagen editada.
La dihidroxiacetona también puede reaccionar con otro formaldehído, mediante otra reacción aldólica para forma tetrulosa, la cual sufre sufre otra isomerización cetosacetosa-aldosa para formar aldotetrosa, un monosacárido que tiene un aldehído y cuatro carbonos (tetrosa).
La reacción de la Formosa, que autocatalíticamente genera a partir del simple formaldehído una variedad de azúcares complejos, como la ribosa (un componente del ARN) es de gran importancia para explicar las posibles fuentes prebióticas de biomoléculas esenciales para el origen de la vida. Sin embargo, la hipótesis de que los primeros azúcares pudieron originarse por medio de esta reacción tiene dos importantes dificultades, por un lado es que la reacción es muy desordenada y dirigirla hacia la formación selectiva de azúcares es muy difícil, aún en condiciones controladas; y por otro lado, esta reacción procede en medio acuoso, lo que contrasta con el hallazgo de azúcares en meteoritos.
Glioxilato como fuente potencial de azúcares
Como alternativa a la reacción de la Formosa, los químicos Ramanarayanan Krishnamurthy (Departamento de Química del Scripps Research) y Charles Liotta (Instituto de Tecnología de Georgia) demostraron que el glioxilato, un pequeño α-cetoácido, resulta un reactivo versátil en condiciones prebióticas plausibles, que permite la síntesis de hidroxiácidos asociados a rutas metabólicas, α-aminoácidos y sus precursores.
La ruta de síntesis alternativa propuesta por este par de químicos es una "reacción de glioxilosa" en la que el glioxilato es la principal fuente de carbono y donde en primer lugar reacciona consigo mismo para formar una molécula conocida como glicolaldehído, un pariente cercano del formaldehido; luego, los investigadores plantean que prosiguen una serie de reacciones de condensación aldólicas repetitivas con glioxilato, migraciones carbonílicas y descarboxilaciones de las que finalmente se producen azúcares simples.
Esquema de reacción de glioxilosa. Fuente: imagen elaborada en PowerPoint.
Aunque las posibilidades de que esta reacción de lugar a la formación de azúcares depende de varios factores, como la velocidad, eficiencia y pH del medio; esta hipótesis plantea una vía de síntesis diferente a la reacción de la Formosa, en la que se producen azúcares lineales y ácidos de azúcar sin los inconvenientes presentados por la hipótesis de que los azúcares provienen de reacciones a partir del formaldehido.
Actualmente los investigadores trabajan para demostrar la química de su hipótesis y las condiciones en las que la reacción glioxilosa pudo haber formado los primeros azúcares. Si logran hacerlo, esta teoría ampliaría el papel que tiene la molécula de glioxilato en la química prebiótica y sin duda impulsaría aún más la investigación para tratar de descubrir su procedencia.
Por otro lado, los investigadores también plantean algunos aplicaciones para esta reacción, ya que en la misma se consume dióxido de carbono, podría emplearse para reducir los niveles de este gas en la atmósfera para hacer frente al calentamiento global.
Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre el posible origen de los primeros azúcares. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Maren Haas, Saskia Lamour, Sarah Babette Christ & Oliver Trapp; (2020). Mineral-mediated carbohydrate synthesis by mechanical forces in a primordial geochemical setting. Communications Chemistry 3, Article number: 140.
Wikipedia.org. Experimento de Miller y Urey.
Wikipedia.org. Reacción de la formosa.
Ramanarayanan Krishnamurthy, Charles L. Liotta (2023). The potential of glyoxylate as a prebiotic source molecule and a reactant in protometabolic pathways—The glyoxylose reaction. Chem, Volume 9, Issue 4, Pages 784-797.