Molecola chirale: asimmetria nella chimica della vita

STRUTTURA MOLECOLA CHIRALE

La chiralità è una proprietà geometrica fondamentale della chimica organica e dei sistemi viventi. Si definisce chirale una molecola che non è sovrapponibile alla sua immagine speculare: perché ciò avvenga, la molecola non deve presentare alcun piano di simmetria. Questa proprietà è riscontrabile in oggetti di ogni tipo, non soltanto nelle molecole. Per esempio, le tue mani sono oggetti chirali: appoggiando il palmo di una mano sul dorso dell’altra, ti accorgerai subito che non sono sovrapponibili. Nonostante possano apparire uguali ai nostri occhi, le due mani sono quindi profondamente diverse.

In chimica organica, molto spesso, la chiralità di una molecola è dovuta alla presenza di almeno un atomo di carbonio legato a quattro sostituenti differenti: un gruppo di atomi di questo tipo viene definito un elemento stereogenico. Quasi tutti gli amminoacidi (esclusa la glicina) sono chirali proprio per questo motivo.

Esistono poi molecole che non sono chirali, ma che possono diventarlo facilmente grazie a specifiche reazioni chimiche. La prochiralità è definita come la capacità di una molecola achirale di diventare chirale in seguito a un singolo passaggio chimico. Un esempio di molecola prochirale è il citrato, che durante il ciclo di Krebs viene trasformato in isocitrato, una molecola dalle caratteristiche chirali.

Enantiomeri

L’immagine speculare di una molecola chirale è un isomero che viene detto enantiomero. Mentre il termine “chiralità” indica una proprietà che appartiene alla singola molecola, il concetto di enantiomero si riferisce alla relazione che sussiste tra le due molecole. Due enantiomeri hanno l’interessante caratteristica di comportarsi diversamente l’uno dall’altro soltanto in intorni chirali: quando si trovano in un contesto achirale, infatti, presentano le stesse proprietà fisiche scalari e chimiche.

Se tu provassi, per esempio, a infilare il piede destro nella scarpa sinistra, incontreresti non poche difficoltà. Tuttavia, se provassi a fare lo stesso con due calzini, ti accorgeresti che il calzino sinistro è perfettamente indistinguibile dal calzino destro. I piedi sono infatti chirali, così come le scarpe: il piede destro e quello sinistro sono enantiomeri, e lo stesso vale per la scarpa destra e quella sinistra. Lo stesso discorso non può essere fatto per i due calzini, che sono invece perfettamente sovrapponibili tra loro.

Questa proprietà degli enantiomeri è estremamente importante in biologia. Le proteine, in quanto formate da amminoacidi, costituiscono un intorno chirale; reagiscono quindi in modo diverso con enantiomeri differenti. Queste considerazioni si rivelano particolarmente importanti nella produzione dei farmaci. Tristemente noto è per esempio il caso della talidomide, un farmaco che durante gli anni Cinquanta e Sessanta veniva venduto alle donne incinta per ridurre il senso di nausea dovuto alla gravidanza. Presto infatti ci si accorse che il farmaco provocava aborti spontanei o la nascita di bambini con braccia e gambe sottosviluppate. Questo perché la talidomide può esistere sotto forma di due strutture enantiomeriche differenti, e una di queste può causare gravi danni collaterali nei confronti del feto.

Proiezioni di Fischer

Per rappresentare graficamente e per distinguere gli enantiomeri di una molecola chirale risulta comodo utilizzare le proiezioni di Fischer e applicare i descrittori di stereochimica R/S. Per disegnare correttamente la struttura di Fischer occorre immaginare di visualizzare dall’alto l’elemento stereogenico formato da un carbonio centrale cui sono legati quattro sostituenti differenti. Il passo successivo è quello di immaginare di proiettare la struttura sul piano, in modo che i sostituenti più vicini all’osservatore definiscano un asse orizzontale e quelli più lontani un asse verticale.

La permutazione dei leganti sull’asse orizzontale della proiezione di Fischer permetterà di rappresentare un enantiomero della molecola di partenza. I descrittori di stereochimica R/S vengono attribuiti osservando il senso di rotazione che consente di passare dal sostituente con numero di massa più alto al sostituente con numero di massa più basso, osservando la molecola chirale in modo che il sostituente a priorità più bassa sia il più lontano dall’osservatore. Se il senso di rotazione è orario il descrittore corretto sarà R, se è antiorario sarà S.

Esistono molecole chirali che presentano più stereocentri: in questo caso la permutazione dei leganti sull’asse orizzontale permetterà di ottenere non solo enantiomeri, ma anche omomeri della molecola di partenza e diastereoisomeri, cioè isomeri con la stessa connettività di legame della molecola originaria ma che non sono tra di loro né speculari né sovrapponibili, neanche per rotazione attorno a legami semplici. Dalla permutazione dei leganti si potranno ottenere anche composti meso, cioè molecole achirali caratterizzate dalla presenza di elementi stereogenici: un esempio è costituito dall’acido mesotartarico.

POTERE OTTICO ROTATORIO

Le molecole chirali presentano una proprietà fisica vettoriale estremamente importante: il potere ottico rotatorio. Tale proprietà consiste nella capacità di interagire con il piano della luce piano-polarizzata, cioè una radiazione luminosa fatta passare attraverso un filtro polarizzante tale per cui i vettori elettromagnetici oscillino su un unico piano. Si dice quindi che le molecole chirali presentano attività ottica. Un campione di molecole chirali ottiche posizionato all’interno di una cella è in grado di ruotare il piano della luce piano-polarizzata in modo differente a seconda delle molecole in questione. Si definisce rotazione specifica la rotazione osservata in una cella caratterizzata dalla lunghezza di 1 dm e da una concentrazione del campione pari a 1.0 g/ml.

Due enantiomeri sono in grado di influenzare la polarizzazione della luce in maniera opposta: per esempio, l’acido (R,R)-tartarico presenta una rotazione specifica di +12,7 e l’acido (S,S)-tartarico di -12,7. A seconda del segno della rotazione specifica è quindi possibile distinguere composti destrogiri (+) e composti levogiri (-): i due enantiomeri dell’acido tartarico possono quindi essere indicati come acido (R,R)-(+)-tartarico e acido (S,S)-(-)-tartarico. Ne consegue che una miscela racemica, cioè una miscela equimolare di due enantiomeri, non è otticamente attiva e lo stesso vale per i composti meso, che non sono molecole chirali: l’acido mesotartarico presenta infatti una rotazione specifica pari a 0.

ENZIMI E MOLECOLE CHIRALI

Nell’interagire con una molecola chirale proteine come gli enzimi devono essere in grado di distinguere una molecola dal suo enantiomero. Per capire come questo possa avvenire occorre soffermarsi brevemente sul funzionamento degli enzimi. Un enzima è un catalizzatore biologico: è quindi in grado di accelerare una reazione biologica grazie alla presenza di siti di legame altamente specifici sulla sua superficie.

Consideriamo ora un generico enzima in grado di riconoscere uno degli enantiomeri di una generica molecola. Ipotizziamo che questa molecola sia chirale e caratterizzata dalla presenza di un carbonio centrale cui sono legati quattro sostituenti differenti. La molecola chirale in questione potrà esistere sotto forma di un enantiomero R e di un enantiomero S. Per semplicità immaginiamo che i sostituenti non siano atomi, ma figure geometriche tridimensionali differenti, e che i siti di legame siano delle nicchie in grado di ospitare queste figure. Si dimostra così, in maniera visiva e intuitiva, che l’enzima sarà in grado di interagire con una sola delle due forme enantiomeriche. Per interagire con uno specifico enantiomero di una molecola chirale proteine come enzimi e recettori di membrana devono quindi essere loro stessi chirali. Ecco che la chiralità si rivela ancora una volta una proprietà fondamentale di tutti i sistemi viventi.