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Reciben este nombre aquellos compuestos químicos que, poseyendo la misma fórmula molecular (el mismo número de cada tipo de átomos), tienen éstos distribuidos de distinta manera en la estructura de sus respectivas moléculas. Dependiendo de la diferencia entre los isómeros, se establecen distintos grados de isomería. La posibilidad de que existan isómeros crece lógicamente a medida que se incrementa el número y tipos de átomos existentes en un compuesto, es decir, la complejidad de su molécula, por cuanto son mayores las posibilidades de combinación de estos átomos. Aunque en principio no existe ninguna diferencia entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos a la hora de establecer la existencia de una isomería, el hecho de que habitualmente los primeros posean moléculas más complejas hace que la isomería sea más frecuente en la química orgánica que en la inorgánica
Se conoce como isómeros estructurales a aquellos compuestos que con la misma fórmula molecular (el mismo número de átomos) poseen distinta estructura. Un ejemplo sencillo serían el etanol y el éter dimetílico; poseyendo ambos la fórmula C2H6O, tienen sus átomos distribuidos de forma diferente, lo que hace que sus propiedades químicas y físicas sean asimismo distintas. Debido a ello, para describir un compuesto determinado resulta insuficiente enumerar simplemente los átomos que lo componen (dos átomos de carbono, seis de hidrógeno y uno de oxígeno en el ejemplo anterior); se hace necesario además indicar la distribución de los átomos en sus respectivas moléculas. Así, la fórmula del etanol es en realidad CH3CH2OH, mientras el éter dimetílico es CH3OCH3.
Con fórmulas así se aprecia claramente que siendo el tipo y número de átomos el mismo en ambos casos, éstos están ordenados y enlazados de distinta manera: En la molécula de etanol hay un primer carbono unido a tres átomos de hidrógeno y al segundo carbono, mientras éste está enlazado con el primer átomo de carbono, con dos hidrógenos y con el átomo de oxígeno, que a su vez lo está con el hidrógeno restante. En la molécula del éter dimetílico, por el contrario, los dos carbonos están unidos a tres hidrógenos cada uno de ellos, y a diferencia del caso anterior, no están unidos directamente entre sí, ya que el átomo de oxígeno actúa de puente entre ambos.
Se conoce como esteroisómeros, isómeros espaciales o isómeros ópticos, a aquellos compuestos que, teniendo la misma fórmula y los átomos distribuidos de la misma manera, poseen sus grupos orientados de distinta forma en el espacio. Este tipo de isomería, explicada gracias a las observaciones de los franceses Louis Pasteur y J. A. LeBel y el belga J. H. van´t Hoof, se aprecia claramente recurriendo a nuestras manos. La mano derecha es igual a la mano izquierda, pero sin embargo ambas manos no están distribuidas de la misma manera, sino que son simétricas; es obvio que cada mano es el reflejo en el espejo de la otra y que ambas no son superponibles, como lo demuestra el hecho de que el guante de una mano no sirva para la contraria. Lo mismo ocurriría con dos tornillos que girasen en sentido contrario, o como ocurre con los sacacorchos que se venden en las tiendas de los artículos para bromas, que al girar al revés no pueden ser utilizados en la forma en que se hace habitualmente.
Existen varias relaciones importantes en estereoisomería, ya que una molécula puede tener dos manos (es decir, dos isómeros) diferentes o más, dependiendo de su complejidad. Dos moléculas de un compuesto que difieran parcialmente en la orientación espacial de sus átomos (como es el caso de azúcares como la glucosa o la galactosa) se dice que son diasteroisómeros. Cuando ambas moléculas son en su totalidad imágenes especulares una de la otra (es decir, una de las moléculas puede obtenerse reflejando la disposición de los átomos de la otra en un espejo), se dice que son enantiómeros
La esteroisomería es sumamente importante en la naturaleza. Dos enantiómeros tienen exactamente las mismas propiedades físicas, y en un laboratorio puede sintetizarse una mezcla equimolecular de ambos (el mismo número de moléculas de ambos enantiómeros). No ocurre lo mismo con los productos sintetizados por los seres vivos, que siempre corresponden a uno solo de los posibles enantiómeros.
Así, los azúcares que componen los ácidos nucleicos y los glúcidos, y los aminoácidos que constituyen las proteínas son esteroisómeros muy concretos, fenómeno que alcanza su máxima expresión en las complicadas y sutiles estructuras tridimensionales de las moléculas de las proteínas. De hecho el cuerpo humano, al igual que el de cualquier otro ser vivo, es capaz de asimilar tan sólo compuestos con una estereoquímica determinada, como queda reflejado por el hecho de que un organismo alimentado con ambos enantiómeros (es decir, ambas manos) de un compuesto determinado asimila tan sólo uno de ellos, excretando íntegramente el otro. Se da así la paradoja de que si alimentáramos a un ser vivo con los enantiómeros equivocados éste moriría de hambre por mucho alimento que ingiriera. Este hecho se debe a que las enzimas, que son los catalizadores que gobiernan el metabolismo de los seres vivos, actúan de forma específica sobre uno de los enantiómeros, pero no sobre las moléculas del enantiómero contrario.
El concepto de esteroisomería ha sido utilizado muy notablemente por Arthur C. Clarke en su relato EL HOMBRE INVERTIDO. En esta narración, un hombre sufre un accidente por el cual se convierte en una imagen especular de sí mismo. Su corazón pasa al lado izquierdo del cuerpo, se vuelve zurdo, y su metabolismo es repentinamente incapaz de asimilar los alimentos normales, ya que las moléculas que las componen son los enantiómeros de las que su cuerpo necesita. Gregory Benford también ha utilizado este concepto muy superficialmente en GRAN RÍO DEL ESPACIO. Aquí, los Mecs se han modificado a sí mismos para utilizar proteínas cuya isomería espacial es contraria a la de las proteínas de los humanos, con el fin de que éstos no puedan utilizar sus alimentos.
