Para que serve a quiralidade?

Tempo de leitura: 14 minutos

Normalmente um aluno do terceiro ano do ensino médio regular costuma aprender isomeria óptica e quiralidade, e lá é apresentado pela primeira vez ao terrível carbono quiral, ou carbono assimétrico. Via de regra, a receita básica para identificar esse carbono especial é olharmos para os substituintes ao redor dele – se ele tiver quatro substituintes (quatro átomos) ligados a ele, e esses quatro forem diferentes, o carbono é chamado quiral. Caso não tenha quatro substituintes, ou se tiver quatro substituintes, e pelo menos dois deles forem iguais, o classificamos como aquiral. Abaixo vocês podem ver a molécula de ácido láctico, que apresenta um carbono quiral, destacado com um asterisco.

acidolactico

Passado esse primeiro contato, costumamos explicar que os compostos que apresentam um centro quiral (na maioria das vezes o carbono, mas outros átomos também podem ser quirais), possuem enantiômeros. Por uma questão puramente geométrica, e posição em que os grupos se ligam ao carbono, pode apresentar duas configurações, que levam a compostos distintos (a primeira vista isso não é tão fácil de ser observado). A relação entre esses enantiômeros, é muito parecida com as nossas mãos – são bem parecidas, mas são diferentes. Esse é um exemplo “bem batido”, mas ainda é o melhor para explicar a relação entre moléculas quirais. A nossa mão direita é a imagem especular (no espelho) da mão esquerda, e vice-versa (notem a figura abaixo). Um enantiômero é a imagem especular do outro, assim como nossas mãos. A partir desse momento falamos que um par de enantiômeros apresenta todas a propriedades físicas iguais, exceto pelo fato de desviarem a luz plano polarizada para lados opostos (?). Na verdade, esse é um experimento realizado em um polarímetro, onde podemos verificar esse desvio, mas ele só faz sentido se tivermos o enantiômero puro (o que dá muito trabalho para isolar, ou é muito caro!).

enant

A vida do aluno começa a ficar mais complicada quando adicionamos mais de um centro quiral, e ai teremos sempre 2n isômeros, onde n é o número de carbonos quirais. Nesse momento surge além dos enantiômeros, que são os compostos que têm a relação de imagem especular, os diasteroisômeros, que são compostos parecidos, mas não tem nenhuma relação com o composto referência (possui outras propriedades físicas diferentes). Depois disso começamos a apresentar o sistema de nomenclatura do Cahn-Ingold-Prelog, aquele que identifica os carbonos quirais como “R” ou “S”. Na figura abaixo temos a representação de dois pares de enantiômeros (separados dentro dos “retângulos”), que são diasteroisômeros entre si, para um sistema com dois carbonos quirais. Vale ressaltar que devemos tomar cuidado com alguns casos de quiralidade e não-quiralidade. O melhor exemplo é o composto meso, que apesar de ter centros quirais é aquiral. A explicação para isso tem suas raízes na espectroscopia, e consequentemente na quântica. Não vou detalhar isso aqui, mas a atividade óptica, proveniente da quiralidade, depende da simetria do sistema. Caso ele apresente um eixo de rotação imprópria, Sn, incluindo o S1, que nada mais é que um plano de simetria, ou um S2 que é um centro de inversão, o sistema não será quiral.

diasteroisomeros

Poucos alunos saem do ensino médio aprendendo tudo o que está descrito acima. O que, embora seja muito legal, não considero de grande importância para a vida do aluno de Ensino Médio. Os alunos de graduação costumam aprender isso na primeira disciplina de Química Orgânica. Mas, tanto o aluno de Ensino Médio, quanto, infelizmente, a grande maioria dos alunos de graduação, possuem uma coisa em comum – não sabem para quê a isomeria óptica (quiralidade, carbono assimétrico, etc) é importante. Então … para que serve a quiralidade?

Para que estudar quiralidade?

Na verdade, a isomeria óptica e a quiralidade correspondem a uma das áreas mais bonitas da química. Embora os enantiômeros apresentem como única propriedade física diferente o desvio da luz plano polarizada, eles são muito diferentes do ponto de vista químico, e principalmente no que tange as reações bioquímicas. Essa é uma área fantástica, e agora vou citar alguns exemplos de como os enantiômeros podem ser diferentes.

Talidomida

A talidomida talvez seja o caso mais conhecido de como os enantiômeros podem ser diferentes. No meu antigo blog eu escrevi um post falando exclusivamente da talidomida, e pretendo escrever um novo post falando sobre essa molécula (além de gravar um vídeo sobre ela). Deem uma olhada na sua estrutura molecular.

talidomida

A talidomida, na década de 50, era comercializada como um sedativo, e por vezes recomendada para o enjoo matinal e insônia em mulheres grávidas. Só que “a talidomida que funcionava” era a R-talidomida, ou seja, o enantiômero com o carbono quiral de isomeria R. O fármaco era comercializado como uma mistura racêmica (mistura de enantiômeros, a R-talidomida e a S-talidomida). O problema é que a S-talidomida, age no corpo como teratogênico (palavra complicada, não?). Um teratogênico é uma substância que provoca má formação congênita. É … o fármaco recomendado para mulheres grávidas fazia com que seus filhos nascessem com os membros atrofiados, ou outros problemas tão graves quanto. A diferença entre esses enantiômeros não se limita ao desvio da luz plano polarizada!

A talidomida hoje tem sido usada, em alguns países, para combater a lepra. Os resultados parecem bem eficientes, mas, com toda a razão, ainda não é uma molécula muito “bem vista” …

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Limoneno e a carvona

Ambas moléculas de limoneno e de carvona são responsáveis pelo aroma de alguns frutos/ervas. O interessante é como nosso organismo reage a presença de seus enantiômeros. Todos nós sabemos que a laranja e o limão são frutos com características parecidas, mas ninguém confundiria nem o aroma, nem o paladar deles. A principal molécula responsável pelo aroma é o limoneno. O limoneno apresenta um carbono quiral, e portanto aparece na forma de dois enantiômeros. Observem abaixo o suas duas formas, e percebam como são parecidas.

Limoneno

O R-limoneno é capaz de desviar a luz plano polarizada para a direita, e é responsável pelo aroma mais suave das laranjas. O S-limoneno, que desvia a luz plano polarizada para a esquerda, é o responsável pelo aroma mais forte de limão. Vale ressaltar que não existe nenhuma relação entre os símbolo R e S, e nem os D e L, da representação de Fischer, com a propriedade física de desviar a luz plano polarizada para a direita ou para a esquerda. Mas … viram como moléculas tão parecidas provocam efeitos tão diferentes?

Outro bom exemplo é a da carvona. Os enantiômeros são tão parecidos quanto os da molécula de limoneno (na verdade são bem parecidos com o próprio limoneno). Porém um deles é responsável pelo aroma do cominho (S-carvona), enquanto o outro, pelo refrescante aroma da hortelã (R-carvona).

carvonaA lateralidade da vida

Esse é um dos casos mais curiosos e fantásticos de quiralidade. A maioria dos leitores desse post sabe o que é um aminoácido. Notem a estrutura básica de um aminoácido essencial (no caso é a L-alanina).

alanina

Os aminoácidos são um dos blocos construtores da vida. A partir dele são feitas a proteínas, e a grande maioria das enzimas, o que os fazem ser muitíssimo importantes. Notem também que os aminoácidos possuem um carbono quiral, e portanto, aparece na forma de enantiômeros. Quando tratamos de aminoácidos, bem como de carboidratos, não costumamos usar o sistema de nomenclatura R/S mas o D/L, que segue regras diferentes. O interessante é que, todos os aminoácidos de importância biológica são do tipo L (exceto a glicina, que é aquiral). A natureza, ao invés de produzir aminoácidos de dois tipos, “resolveu fazê-los” apenas do tipo L. Minhas proteínas, suas proteínas, as proteínas de todo ser vivo aqui na terra, são “canhotas”.

Como que por mero capricho, os carboidratos, outra classe vital de biomolécula, são todas D (ao menos os de importância biológica). Na figura acima, ao lado da L-alanina, temos a D-glicose, a nossa principal fonte de energia (e não é apenas “a glicose”, mas a D-glicose). Isso significa que se fôssemos alimentados com açúcares “canhotos”, como a l-Glicose, por exemplo, simplesmente morreríamos de fome!

Aminoácidos, proteínas, e boa parte das enzimas são “canhotas”, e os carboidratos “destros”. Para isso ficar ainda mais legal, o nosso DNA também é “destro”. A quiralidade vai além do desvio da luz, A VIDA DEPENDE DA QUIRALIDADE.

Fármacos Quirais

Nesse ponto acho que chegamos ao clímax da pergunta – Para que serve quiralidade? Para que aprendemos isso? Como vimos, o corpo humano, e os organismos vivos, tem uma preferência biológica por um determinado enantiômero. Os fármacos tem atividade biológica, e por isso, quando quirais, apenas um enantiômero atua como fármaco eficaz, enquanto o outro pode não ter efeito algum, ou ainda, pode ser um poderoso veneno.

Podemos entender essa preferência com um modelo bem simples. Imaginamos que a droga (fármaco) vai atuar em um receptor bem específico, e que esse receptor (uma proteína por exemplo), tenha uma configuração específica que vai se ligar aos sítios da droga. Vamos considerar esses sítios como os encaixes vermelho, verde e azul. Apenas o enantiômero que tiver essa configuração vai se encaixar adequadamente, e agir como um fármacos. Podemos considerar um par de enantiômeros com um único centro quiral, como podem ver abaixo.

receptorquiral

Viram como o encaixe só é possível em uma das configurações? É uma espécie de modelo chave-fechadura. Esse modelo é bem simples (bem simples mesmo!), mas dá para entendermos porque apenas um dos enantiômeros possui atividade farmacológica.

A quantidade de fármacos, muitos de uso comum, que para apresentar sua atividade desejada depende de sua configuração enantiomérica específica é bem grande. Na figura abaixo podem ver as estruturas da S-ketamina, que atua como analgésico, e da R-ketamina, que por outro lado é um alucinógeno (que pode provocar muito mais dor de cabeça); o S,S-aspartamo, que serve como adoçante, e seu irmão o R,R-aspartamo, que se colocado no café o deixará muito mais amargo!

aspartamo

Nessa lista podemos adicionar a Ampicilina, a Amoxilina, o Captopril, o Enalapril, o Ibuprofeno, e muitos outros medicamentos que são vendido em sua forma enantiomérica pura. Não necessariamente seu enantiômero provocará algum efeito colateral, mas administrar uma mistura racêmica “segura” como fármaco, implica, no mínimo, em usar uma dose bem mais elevada para que o remédio faça efeito.

A produção desses fármacos, com quiralidade específica, não é uma tarefa muito fácil. Na prática, existem aos menos três formas de se produzir um enantiômero específico. 1) A síntese bem específica, direcionada ao enantiômero desejado. Vocês podem ver descrição da síntese do Ibuprofeno e do Captopril no artigo, que serviu de inspiração para esse post (veja abaixo); 2) é sintetizada a mistura racêmica, e só depois, utilizando reagentes, ou solventes específicos os enantiômeros são separados; 3) o uso de um catalisador quiral, que leve a síntese específica de um enantiômero. Esse catalisador pode ser uma enzima, ou um catalisador quiral baseado em um complexo de metal de transição.

Existe um fármaco, com poderes fabulosos, que é produzido pelo método 3, e que eu considero como um dos principais exemplo para responder a pergunta – “para que serve a quiralidade?”. Esse fármaco específico é o precursor do neurotransmissor dopamina, a L-DOPA. Mas acho que neste post já dei motivos suficientes para provar que a quiralidade é importante, então vou deixar para falar da L-DOPA em um post dedicado exclusivamente a sua síntese … .

E nós professores?

Temos uma responsabilidade muito grande quando entramos numa sala de aula, seja na graduação, seja no ensino médio. É muito comum nossa preocupação ser cumprir o conteúdo, em especial quando este é cobrado no vestibular ou no ENEM. O “sistema” muitas vezes nos força a isso. Mas não deveria ser assim!

Neste contexto, quantas vezes demos aulas sobre quiralidade, seja no terceiro ano, ou na Orgânica I, e nos preocupamos apenas com o formalismo, ou a nomenclatura? Isso só serve para a maior parte dos alunos de ensino médio “odiar” a química. Os mais tolerantes são aqueles que sabem que isso pode ser cobrado nas provas de acesso a Universidade (e os que amam a química incondicionalmente). É como se fosse uma “chantagem” intelectual. Na graduação, quantas vezes esses exemplos sobre a quiralidade são chamados a atenção? Isso deveria ser obrigatório em uma turma de licenciandos (e bacharelandos também!). Acho esses alguns exemplos fantásticos de como a quiralidade é maravilhosa! Nossa vida, e de todos os seres vivos conhecidos, é fundamentada nessa “preferência” geométrica. Sensações boas ou ruins podem ser despertadas a depender de com qual enantiômero estamos interagindo. Nossa vida pode depender de um fármaco quiral! Isso é muito mais interessante e produtivo do que memorizar um abstrato sistema de nomenclatura e achar que a única diferença entre essas substâncias é o “não muito útil” desvio da luz plano polarizada. Ressalto que na graduação esse formalismo é necessário, mas tem de ir além disso. Os professores são formados nas Universidades, e esse tipo de crítica ao ensino de química tem de surgir lá, não apenas entre um grupo de professores que fazem pesquisa no ensino de química, mas em toda aula!

Bom pessoal, é isso! O que acharam? Gostaram? Deixem em seus comentários a sua opinião. Estão curiosos em conhecer o que é, e como é sintetizada a L-DOPA? Então não deixe de se inscrever na newsletter do blog (é só digitar seu e-mail na caixa abaixo, ou ao lado), que você receberá o post em seu e-mail, assim que for publicado. Se você leu até aqui, então muito obrigado!

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Referência principal

F.A.S. Coelho, Química Nova na Escola, Caderno Temático, Nº 3, pg. 23

Veja também a versão em vídeo desse post

  • Maurício Leite

    super interessante e seu post. Sua opinião ao final foi crucial para evidenciar o “problema” da química na Universidade. Estudo o ultimo período de Química Bacharelado na UFAM e apesar de ser finalista, a formalidade sempre persegue nas aulas maçantes e, além disso, nas provas que não somos livres para discutir a livre apreciação do conhecimento, apenas decorar e transcrever o que o professor passou na sala de aula. Triste realidade, espero que na pós-graduação encontre professores semelhantes à sua iniciativa. Meus parabéns! posta mais que eu leio tudo! até

    • Antonio Florencio

      Oi Maurício, fico muito feliz mesmo que tenha gostado. É verdade que nosso sistema de ensino tem de passar por algumas mudanças … mas temos de fazer a nossa parte. Fique à vontade para ler os post aqui no site e/ou os vídeos do canal.