Los átomos de carbono y moléculas que contienen
enlaces carbono-carbono son fundamentales para todos los organismos vivos de la
Tierra. Por ejemplo, constituyen la estructura del ADN, ARN, de proteínas,
plantas, animales, seres humanos, y mucho más. Aun así, ¿será posible que la
vida se centre alrededor de un elemento además del carbono? La tabla periódica,
introducida en la década de 1860, ordena los elementos por tamaño y propiedades
químicas. Los elementos en la misma columna anticipan a exhibir propiedades
químicas similares. Silicio debería ser el elemento químicamente más parecido
al carbono ya que se encuentra directamente debajo del carbono en la tabla
periódica. Ambos tienen cuatro electrones de valencia en su capa exterior que
permite a los dos unirse con cuatro grupos para formar estructuras
tetraédricas.
Sin embargo, hay algunas diferencias importantes entre
los enlaces que el carbono y el silicio pueden hacer. Enlaces de
carbono-carbono son un poco más fuertes que los enlaces de silicio-silicio
debido al tamaño más grande del átomo de silicio. El carbono está limitado por
la regla del octeto – solo puede tener ocho electrones de valencia – y por lo
general se limita a cuatro enlaces. Silicio no está limitado por la regla del
octeto y puede tener más de ocho electrones de valencia. Silicio prefiere
cuatro enlaces, pero fácilmente produce moléculas estables en las que tiene
cinco o incluso seis enlaces con otros átomos. La habilidad para formar más
enlaces debería permitir al silicio producir una mayor variedad de estructuras
moleculares complejas comparado con el carbono. Además, el silicio predomina en
cantidad sobre el carbono en planetas rocosos como la Tierra. El silicio
constituye el 14% de la Tierra por peso mientras el carbono representa menos
del 0.1%. ¿Dada la promiscuidad química y la abundancia de silicio podemos
visualizar formas de vida basadas en el silicio en lugar del carbono?
La cuestión sobre vida basada en el silicio no es
nueva. Muchos han especulado sobre las formas de vida basadas en el silicio. La
educación bioquímica de Isaac Asimov y su visión diletante lo llevó a evaluar
las características químicas del carbono en relación con el silicio. Ambos
elementos forman óxidos estables con oxígeno molecular: el carbono forma
dióxido de carbono (CO2) y el silicio forma sílice (SinO2n).
Las propiedades físicas de estos dos compuestos difieren dramáticamente. El
dióxido de carbono se procesa sin esfuerzo; es un gas que se disuelve
fácilmente en agua y reacciona con el agua. En contraste, sílice rápidamente
forma sales de silicato refractario. Sílice y silicatos son el principal
componente de la roca; son insolubles en agua y no son reactivos con agua.
Además, la mayor estabilidad de sílice en relación con la del dióxido de
carbono hace que sea más difícil de reducirlo para formar enlaces útiles como
silicio-hidrógeno o silicio-silicio. La vida en nuestro planeta últimamente es
posible por la reducción bioquímica de CO2 para formar moléculas
compuestas de enlaces carbono-hidrógeno y carbono-carbono.
La vida también depende de una
serie de otros procesos bioquímicos tales como la replicación, la adaptación, y
el metabolismo. Estos procesos son dependientes de las interacciones que
involucran anillos planos que son un átomo grueso. La forma plana de estos
fragmentos moleculares depende de la capacidad de formar enlaces dobles
estables y planos. Los átomos de carbono, nitrógeno, y oxigeno pueden hacerlo.
Además, estos elementos también pueden combinarse para formar enlaces dobles
estables de carbono-nitrógeno, carbono-oxígeno, y nitrógeno-oxígeno (Figura 1).
Los átomos de silicio no pueden formar enlaces dobles estables entre sí o con
otros átomos. Enlaces dobles de silicio-silicio son más débiles que enlaces
dobles típicos de carbono-carbono (14-24 kcal/mol comparado a más de 48
kcal/mol) y requieren extremadamente grandes grupos en el átomo de silicio para
prevenir reacciones espontáneas con el oxígeno o el agua. Además, enlaces
dobles de silicio-silicio no son planos debido a que los átomos de silicio
prefieren geometrías piramidales (Figura 1).
Figura 1: Ejemplos de enlaces dobles estables que incluyen carbono y de un enlace doble inestable del silicio.
La capacidad del carbono para
formar moléculas planas estables con otros átomos de carbono hace que sea un
átomo potente. En una de sus formas más puras, grafito, átomos de carbono
forman enlaces con otros tres átomos de carbono. En esta disposición, los
átomos de carbono forman láminas u hojas planas (Figura 2, izquierda). En una
representación simplificada, cada átomo de carbono está enlazado doblemente a
otro átomo de carbono. Estos dobles enlaces son conocidos como enlaces p (pi). Las láminas bidimensionales de átomos de
carbono en el grafito se apilan unas encima de las otras. Cuando se apilan, los
enlaces pi de una hoja interactúan con los enlaces pi de la otra hoja. Esas
interacciones se conocen como apilamiento pi, y son estables; hacen que el
agregado de hojas sea más fuerte que las hojas individuales. El diamante es
otra forma pura de carbono, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro
átomos de carbono y forman una red tridimensional rígida (Figura 2, derecho).
En condiciones normales, el grafito es ligeramente más estable que el diamante,
debido a las favorables interacciones de apilamiento pi entre las hojas. La
energía de estas interacciones entre las láminas de grafito es de
aproximadamente 1.4 kcal/mol. Esto significa que las hojas apiladas de carbono
son diez veces más estables que las hojas aisladas.
Figura 2: Izquierda: En grafito, los átomos de carbono están ordenados en láminas apiladas. Derecha: En diamante, los átomos de carbono están ordenados en una red tridimensional.
Apilamiento pi es igualmente
posible cuando las moléculas planas contienen enlaces dobles entre carbono,
nitrógeno, y oxígeno en diversas combinaciones. Las moléculas de la vida son
completamente dependientes de las interacciones del apilamiento pi entre
componentes atómicamente planos. Por
ejemplo, en el ADN, el apilamiento pi de subunidades llamadas bases es esencial
para el auto-ensamblaje de las unidades en la estructura icónica doble hélice
(Figura 3, izquierda). Las bases de ADN son anillos planos compuestos de átomos
de carbono, nitrógeno y oxígeno. Las interacciones de apilamiento pi entre las
bases de ADN son esenciales para la estabilidad del ADN y para su función como
repositorio de información genética. La molécula biológica ARN también contiene
bases y es ampliamente reconocido como el precursor molecular a ADN en la
génesis de la vida. No es sorprendente que interacciones similares de
apilamiento pi son evidentes en la estructura química del ARN (Figura 3,
centro). Por último, la inspección de las proteínas revela la importancia de
las interacciones de apilamiento pi, tanto dentro de la estructura plegada de
proteínas como entre las proteínas y su par de reacción (Figura 3, derecha).
Figura 3: Interacciones apilamiento pi entre las bases planas en las moléculas de la vida. Izquierda: bases planas apiladas en el ADN; Centro: bases planas apiladas en ARN; Derecha: cadenas laterales de proteínas se apilan en una enzima metabólica.
El carbono puede formar enlaces dobles planos y
estables y también anillos planos que son necesarios para los procesos de
reconocimiento molecular responsable de la vida. El silicio no forma enlaces
dobles estables con cualquier átomo: nitrógeno, carbono, oxígeno o incluso a sí
mismo. Dado que el silicio no puede formar enlaces dobles estables, no puede
formar estructuras atómicamente planas capaces de apilamiento. Un universo
bioquímico basado en silicio carecería de la capacidad para el reconocimiento
molecular cara a cara a través de apilamiento pi. Sería semejante a un almacén
que contiene envases irregulares que no podían ser apilados. Un sistema
bioquímico basado en silicio se enfrenta a un reto de diseño serio que no es
fácil de superar. Aunque todas las condiciones ambientales necesarias
existirían para permitir enlaces con silicio como el constituyente principal de
los procesos bioquímicos, silicio siempre se quedará corto. En un mundo donde
la vida depende de los procesos moleculares que implican estructuras
atómicamente planas, el silicio nunca será capaz de apilar.
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David L. Van Vranken Vanessa Arredondo
Doctor en Química, Profesor Titular Candidata
a Doctora en Química**
Universidad
California de Irvine
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