3.3.2.6 Heterociclos de nitrógeno
Las purinas y pirimidinas, como las nucleobases adenina, guanina, citosina, timina y uracilo, son pequeñas estructuras anulares aromáticas que contienen nitrógeno (N-heterociclos) y son fundamentales en la biología terrestre. En bioquímica, las nucleobases sirven como monómeros informativos del ácido ribonucleico (ARN) y del ácido desoxirribonucleico (ADN) sin los grupos de azúcar y fosfato, y son ubicuas y antiguas, como demuestra su destacado papel en coenzimas y vías bioquímicas (Bloch, 1996). La adenina y la guanina se encuentran en el ARN y el ADN en la vida terrestre, mientras que la timina sólo se encuentra en el ADN y el uracilo sólo en el ARN. La disponibilidad de las nucleobases como materia prima para la química prebiótica que condujo a los primeros sistemas autorreplicantes de la Tierra primitiva depende de su síntesis endógena y de su suministro a través de fuentes exógenas. Para determinar si el material exógeno fue una fuente importante de purinas y pirimidinas en la Tierra prebiótica, se ha investigado la composición de las nucleobases en los CC.
El origen de las nucleobases en las condritas ha sido objeto de debate desde principios de la década de 1960, cuando se publicaron los primeros informes sobre la presencia de bases de purina y pirimidina en extractos de meteoritos carbonáceos (por ejemplo, Briggs, 1961). Posteriormente, varios grupos detectaron la presencia de purinas y pirimidinas en los CC (Folsome et al., 1971; Hayatsu, 1964; Hayatsu et al., 1975; Stoks y Schwartz, 1979, 1981; Van der Velden y Schwartz, 1977). Sin embargo, más tarde se demostró que algunas de las técnicas analíticas utilizadas habían contaminado las muestras o causado artefactos, en particular la falsa detección de s-triazinas y 4-hidroxipirimidina (Stoks y Schwartz, 1981; Van der Velden y Schwartz, 1977). Estudios posteriores de extractos de ácido fórmico han identificado varias purinas, incluyendo adenina, guanina, hipoxantina, xantina y la pirimidina uracilo en los meteoritos CM2 Murchison y Murray, y en el CI1 Orgueil (Stoks y Schwartz, 1981; Van der Velden y Schwartz, 1977), con abundancias totales alrededor de 1 parte por millón. La hipoxantina y la xantina no están presentes en el ADN ni en el ARN, pero son importantes intermediarios en la síntesis y degradación de los nucleótidos de purina. Otros N-heterociclos detectados en Murchison incluyen 2,4,6-trimetilpiridina, quinolinas e isoquinolinas (Krishnamurthy et al., 1992; Stoks y Schwartz, 1982). Shimoyama et al. (1990) también detectaron guanina y posiblemente xantina e hipoxantina en los meteoritos CM antárticos Yamato (Y-) 74662 e Y-791198. No se encontraron nucleobases en el meteorito CV3 Allende (Stoks y Schwartz, 1981).
Debido a que en la Tierra se encuentran muchos N-heterociclos, y a que las nucleobases detectadas en los meteoritos son comunes en la biología, no se pudo descartar un origen terrestre (Van Der Velden y Schwartz, 1974). A diferencia de los aminoácidos, las nucleobases no presentan quiralidad molecular, lo que hace difícil distinguir entre los orígenes abióticos y bióticos de estos compuestos. No obstante, Van der Velden y Schwartz (1977) observaron que las grandes cantidades de xantina y la aparente ausencia de las pirimidinas citosina y timina en el meteorito de Murchison eran incompatibles con la distribución de las nucleobases encontradas en los sedimentos terrestres, apoyando un origen extraterrestre para al menos algunos de estos compuestos. Las mediciones isotópicas encontraron que el uracilo (δ13C = +44,5‰) y la xantina (δ13C = +37,7‰) en el meteorito de Murchison mostraron un enriquecimiento del isótopo 13C en comparación con el uracilo extraído del suelo en el lugar de la caída de Murchison (δ13C = -10,6‰), lo que sugiere que el uracilo y la xantina en Murchison son de origen extraterrestre (Martins et al., 2008). Sin embargo, estos análisis no contaban con una separación de base de las impurezas de fondo, y la presencia de ácidos carboxílicos enriquecidos en 13C coeluyentes en Murchison podría haber contribuido a los valores de δ13C medidos para el uracilo y la xantina, por lo que estos valores no son inequívocos (Burton et al., 2012b). En última instancia, serían necesarias mediciones adicionales para establecer con firmeza un origen extraterrestre para estos y otros N-heterociclos detectados en meteoritos carbonáceos.
Una extensa campaña de búsqueda y determinación de la abundancia y distribución de purinas y pirimidinas en extractos de ácido fórmico de 11 CCs diferentes de CI, CM y CR fue realizada por Callahan et al. (2011). Emplearon una nueva técnica de extracción en fase sólida de un solo uso después de la extracción de ácido fórmico de los meteoritos para mejorar el rendimiento de la recuperación del N-heterociclo y reducir en gran medida la presencia de ácidos carboxílicos interferentes y la contaminación de los procesos de purificación de varios pasos utilizados en estudios anteriores (Callahan et al., 2011). Los recientes avances en la espectrometría de masas y las técnicas analíticas han hecho posible la identificación y cuantificación inequívoca de las nucleobases en mezclas complejas. Callahan et al. utilizaron una combinación de cromatografía líquida acoplada a un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo para identificar nucleobases sobre la base de transiciones iónicas de padre a hijo específicas de cada compuesto junto con los tiempos de retención cromatográficos. Además, se obtuvieron espectros de masas de muy alta resolución utilizando un espectrómetro de masas Orbitrap por transformada de Fourier, lo que permitió asignar sin ambigüedad la fórmula elemental de cada compuesto. Utilizando estas dos técnicas analíticas, descubrieron que el meteorito de Murchison y los dos meteoritos antárticos CM2 LON 94102 y LEW 90500 contenían un conjunto muy diverso de nucleobases, entre las que se encontraban la adenina, la guanina, la hipoxantina y la xantina, así como tres análogos de nucleobases inusuales y poco frecuentes en la Tierra: la purina, la 6,8-diaminopurina y la 2,6-diaminopurina (Callahan et al., 2011). Las consistentes distribuciones de purinas encontradas en varias condritas CM2 distintas de la biología terrestre proporcionaron la evidencia más convincente de la presencia de purinas extraterrestres en los CCs hasta la fecha. Los meteoritos CM2 analizados en el estudio de Callahan et al. tenían el conjunto más abundante y diverso de purinas de los CCs investigados (con concentraciones que van desde ∼1 a 244 ppb (Tabla 3.6). Las condritas de tipo 1 CI, CM y CR, más alteradas por el agua, mostraron una disminución en la abundancia y diversidad general de las nucleobases. Los experimentos de laboratorio del mismo estudio mostraron que un conjunto idéntico de nucleobases y análogos de nucleobases se producían en reacciones acuosas de cianuro de amonio proporcionando un mecanismo plausible para su formación en cuerpos madre de asteroides (Callahan et al., 2011).
Tabla 3.6. La concentración de purinas (ppb) en las condritas carbonáceas
| Meteorito | Tipo | G | HX | X | A | Pu | 2,6-DAPu | 6,8-DAPu | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Orgueil | CI1 | 20 | 5 | <10 | 7 | 5 | <2 | – | |
| SCO 06043 | CM1 | 2 | 4 | <10 | 4 | <1 | <2 | – | MET 01070 | CM1 | 29 | <3 | <10 | 5 | <1 | <2 | – |
| GRO 95577 | CR1 | <2 | & | & | & | <0.5 | <1 | <2 | – | ALH 83100 | CM1/2 | 21 | 4 | 1 | <0.1 | <0.2 | + |
| Murchison | CM2 | 56 | 26 | 5 | 3 | + | |||
| LEW 90500 | CM2 | 167 | 23 | 22 | 10 | 1 | <0.2 | + | |
| LON 94102 | CM2 | 244 | 94 | 77 | 30 | 6 | 5 | + | |
| GRA 95229 | CR2 | 4 | <10 | 21 | 9 | <2 | + | ||
| EET 92042 | CR2 | <2 | <3 | <10 | 5 | 4 | <2 | + | |
| QUE 99177 | CR3 | <2 | <3 | <10 | 11 | 7 | <2 | + |
2,6-DAPu, 2,6-diaminopurina; 6,8-DAPu, 6,8-diaminopurina; A, adenina; G, guanina; HX, hipoxantina; Pu, purina. Las concentraciones se determinaron a partir del cromatograma del espectrómetro de masas de triple cuadrupolo de monitorización de reacciones múltiples y representan la suma de todas las fracciones de extracción en fase sólida. Las purinas que no se detectaron se indican como límites superiores o con un signo negativo. El signo + indica una detección positiva del compuesto sin cuantificación. La 6,8-diaminopurina no se cuantificó debido a la falta de un estándar puro.
Modificado de Callahan, M.P., Smith, K.E., Cleaves II, H.J., Ruzicka, J., Stern, J.C., Glavin, D.P., House, C.H., Dworkin, J.P., 2011. Los meteoritos carbonosos contienen una amplia gama de nucleobases extraterrestres. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, 13995-13998.
En general se acepta que las nucleobases extraterrestres podrían haberse formado por mecanismos de reacción abiótica en una variedad de ambientes cósmicos. Sin embargo, una baja tasa de formación combinada con una baja estabilidad frente a la radiación UV hace que la detección de nucleobases en el medio interestelar y circunestelar sea extremadamente difícil (Peeters et al., 2003). De hecho, sólo se han detectado límites superiores de esta clase de compuestos en el ISM (Kuan et al., 2003). En cambio, es más probable que los procesos sintéticos en el cuerpo madre del meteorito durante la alteración acuosa sean los responsables de la presencia de nucleobases meteóricas. Se han investigado varias rutas sintéticas abióticas en simulaciones de laboratorio. Estas incluyen (1) la polimerización del HCN (Ferris et al., 1978; Levy et al., 1999; Minard et al., 1998; Miyakawa et al., 2002; Oro, 1960, 1961; Oro y Kimball, 1961; Sánchez et al, 1967; Voet y Schwartz, 1983), (2) la síntesis por enfriamiento de un plasma de alta temperatura de CO
N2H2O (Miyakawa et al, 2000), (3) la reacción del cianoacetileno con el cianato en solución relativamente diluida a pH 8 y temperatura ambiente (Ferris et al., 1968), y (4) la reacción del cianoacetaldehído con la urea en solución eutéctica (Nelson et al., 2001) o a mayor temperatura (Robertson y Miller, 1995). También son posibles otras vías (Ferris y Hagan, 1984; Orgel, 2004), y varias de ellas podrían haber ocurrido en el cuerpo madre del meteorito Murchison. También hay que considerar la degradación de las nucleobases en un entorno de cuerpo madre hidratado durante una fase de alteración acuosa. Por ejemplo, la citosina se degrada en uracilo con una vida media de 17.000 años, y la guanina se descompone en xantina con una vida media de 1,3 Ma a 0°C y pH 7 (Levy y Miller, 1998). En consecuencia, las distribuciones de nucleobases meteoríticas observadas son el resultado tanto de reacciones sintéticas como de degradación posterior.
También de interés del origen de la vida, los heterociclos monocarboxílicos ácido nicotínico, ácido picolínico, y ácido isonicotínico han sido identificados en el CC no agrupado C2 del Lago Tagish y en nueve diferentes CCs CM2 Murchison, LEW 85311, LAP 02336, LAP 02333, EET 96016, ALH 85013, DOM 08003, DOM 03183, y WIS 91600 (Alexandre et al, 2004; Huang et al., 2005; Pizzarello et al., 2001; Pizzarello y Huang, 2002; Smith et al., 2014b) con valores de relación isotópica específicos para el ácido nicotínico en el rango extraterrestre (δD = +129‰ y δ13C = +20‰) en el meteorito Murchison (Huang et al., 2004; Pizzarello et al., 2004). Las síntesis cosmoquímicas conjuntas de laboratorio de estos ácidos monocarboxílicos de piridina a partir de la irradiación con protones de hielo 20K de piridina/CO2 mostraron la misma proporción de estas tres especies que se observó en los meteoritos CM2 (Smith et al., 2014a) y que, aunque las proporciones relativas de estas tres especies eran similares, su abundancia era inversamente proporcional a la historia de alteración acuosa. También se han observado otros heterociclos de nitrógeno funcionalizados. Recientemente, se ha detectado un conjunto de piridinas alquiladas mediante espectrometría de masas de ultra alta resolución en el meteorito Murchison (Yamashita y Naraoka, 2014). En Murchison se han detectado algunos otros heterociclos nitrogenados, como los ácidos condensados ftálico y homoftálico, quinolonas y otras piridinas monocarboxílicas metiladas (Pizzarello et al., 2006).