kiralitás

Kiralitás: A menta szagának oka, de a molekulák toxicitása is

A legtöbb ember valószínűleg csak homályosan és a középiskolai kémiával együtt emlékszik a "kiralitás" kifejezésre. Ez a jelenség azonban nemcsak a kémia, hanem a fizika és a biológia területén is fontos szerepet játszik. És ezért a mindennapi életben.

A kép a tükörben

A kiralitás minden olyan objektum geometriai tulajdonsága, amelynek nincs szimmetriasíkja. Ez azt jelenti, hogy a tükörképén keresztül nem lehet pontosan lefordítani. A leginkább szemléltető példa az emberi tenyér. A jobb és a bal tenyér egymás tükörreflexiója, és ha egymás fölé akarnánk hajtani, akkor azt tapasztalnánk, hogy az ujjak "valahogy nem illenek".

Ezért nem meglepő, hogy a kiralitás kifejezés a görög "chiros" - tenyérből származik.

Visszatérve az említett középiskolai kémiához, a kiralitás szorosan kapcsolódik, különösen a szerves kémiához. A szerves kémia alapja az ún négykötésű szén, azaz egy szénatom azon képessége, hogy négy másik atomhoz kötést alakítson ki.

Vegyük példának az egyszerű 1-klór-1-fluor-etán molekulát:

A központi szénatom 4 másik atomhoz vagy atomcsoporthoz kapcsolódik - klór (-Cl), fluor (-F), hidrogén (-H) és metil (-CH3).

Ha ezt a molekulát 3D térben jelenítjük meg, akkor azt látjuk, hogy a molekula és annak tükörképe nem fordítható egymásra, ezért a molekula királis. Azokat a molekulákat nevezzük, amelyek egymás tükörképei "Enantiomerek". Van nekik azonos elemi összetételű és típusú kötések, és csak térbeli elrendezésben különböznek egymástól. Ez alapján bent lehetnek L- vagy D-alakú, esetleg VAL VEL- a R- a vetítés típusától függően. Azonban nem az a szabály, hogy az L-forma azonos az S-vel, és fordítva a D-forma R-vel-.

- És mégis forog. ebben az esetben fény

Úgy tűnhet, hogy az enantiomerek többé-kevésbé ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek. Ennek azonban pont az ellenkezője igaz. Amint a következő bekezdésekben részletesebben tárgyaljuk, két geometriai szempontból különböző, azonos kémiai összetételű molekula alapvetően különbözik egymástól.

Az 1-1-klór-1-fluor-etán egyetlen királis centrummal rendelkező molekula, de az összetettebb molekulák, például a glükóz, több ilyen királis centrumot tartalmazhatnak. Az összes királis molekula közös jellemzője, hogy el tudják forgatni a polarizált fény síkját, és ezért optikailag aktív.

Ami valójában azt jelenti, hogy elforgatják a polarizált fény síkját?

Ha a fényt hullámként képzeljük el, akkor a fényrészecskék háromdimenziós térben (x, y, z koordinátarendszerben) oszcillálnak. A fénysugár rengeteg ilyen hullámot tartalmaz, a részecskék több síkban lengenek a fény terjedésének irányában a képzeletbeli x tengely körül. Ha azonban ez a nyaláb áthalad egy polarizátoron - például egy üvegen a polarizáló szűrővel ellátott napszemüvegen -, akkor a fényrészecskék csak egy síkban oszcillálnak.

1813-ban Jean Baptiste Biot észrevette ezt az ilyen polarizált fény síkja kvarckristályon való áthaladás után borkősav vagy cukor vizes oldata volt jobbra vagy balra fordult. A forgásirány szerint ezeket az anyagokat ezután az óramutató járásával megegyező irányba (óramutató járásával megegyező irányba, dextrotoráltan - latinul "jobbra", "dexter") és az óramutató járásával ellentétes irányba (balra, balra fordítva - "laevus") osztjuk fel.

Csak Louis Pasteur tudta meg 1848-ban az optikai aktivitás a kiralitással társul. A borkősav nátrium-ammóniumsóját vizsgálva megállapította, hogy az kettős kristályokat képez, amelyek tükörképek. Csipesszel és jó szemmel elválasztotta a kétféle kristályt, majd feloldotta őket vízben. E kétféle kristály oldata ezután ellentétes irányba forgatta a polarizált fény síkját. A kísérlet azt mutatta, hogy az optikai aktivitás a királis molekulák által képzett makroszkopikus anyagok tulajdonsága.

A kiralitás, mint az élet alapja

A kiralitás a szerves vegyületek fontos tulajdonsága, és mivel a szerves vegyületek jelentik a biológia és az élet alapját, a molekulák kiralitása ezen a területen is nagy jelentőséggel bír. Az élő szervezetek működése szempontjából kritikus királis molekulák tipikus példája az aminosavak - a fehérjék építőköve. Az összes királis aminosav (kivéve a legegyszerűbb aminosavat, a glicint, amelyben nincs királis szén), amelyek megtalálhatók a nukleáris organizmusokban (úgynevezett magasabb rendű organizmusok, gyakorlatilag az összes kivételével a baktériumok, a cianobaktériumok és a vírusok) L-alakúak. Ezeket L-alaninnak vagy L-glutamátnak nevezik. A baktériumok 99,99% L-aminosavat is tartalmaznak, de a D-aminosavak a felszínükön találhatók néhány fehérjében.

A fehérjék homokiralitása (ugyanaz a kiralitása) rendkívül fontos, különösen az enzimek esetében, mivel azok aktív helyei kizárólag L-aminosavakból állnak. Ha egy D-aminosavat beépítenének a láncba, az aktív hely pontos szervezete megszakadna, és az enzim nem lenne képes ellátni a funkcióját. Hasonló a DNS-sel (dezoxiribonukleinsav) és az RNS-sel (ribonukleinsav). Ezek a makromolekulák a 2-D-dezoxiribóz (DNS) vagy a D-ribóz (RNS) szénhidrát komponenst tartalmazzák. Ahogy a neve is mutatja, ezek a létfontosságú molekulák ismét csak D-alakú szénhidrátokat tartalmaznak, és az L-alakú szénhidrát-molekula beépülése megzavarná e fontos molekulák szerkezetét.

Királis molekulák a mindennapi életben

A fentiekre való tekintettel úgy tűnhet, hogy a kiralitás jelensége kissé elmarad a mindennapi valóságtól. Igaz, hogy szabad szemmel valószínűleg nehéz lenne megfigyelni a pohár boron áthaladó polarizált fény forgását, vagy megvizsgálni a glutamátmolekulák szerkezetét "démoniikus" nátrium-glutamátban. De a látszat néha megtéveszti és bizonyos molekulák kiralitását akár az érzékek is érzékelhetik.

Első példaként vegyük a citrusféléket. A citrom és a narancs jellegzetes illatát a limonén anyag okozza. Mindkét gyümölcs tartalmazza, de a citrom a limonén S-alakját, és fordítva, a narancs az R-formát - a limonénmolekulák kiralitása tehát más citrom- és narancsszagot okoz. Hasonló a karvonmolekulával - Az S-forma a rasca jellegzetes szagát okozza, és fordítva, az R-forma okozza a menta szagát.

A szagok szubjektív észlelések, amelyeket a molekulák kölcsönhatása okoz a szaglószervekben található receptorokkal - a receptorok királis aminosavmolekulákat alkotnak, és így a levegőben lévő királis molekulák különböző formáival való kölcsönhatás eltérő szagérzékelést eredményez.

Egy másik terület, ahol a molekulák kiralitása rendkívül fontos, a gyógyszeripar. Ez érthető, mert a szagló receptorokhoz hasonlóan az emberi testben más receptorok és enzimek is királis aminosavmolekulákból állnak, és eltérő módon hatnak egymással a hatóanyagok D- és L- (vagy S- és R-) formáival.

A gyakran használt gyógyszerek több mint fele királis molekula és Ezen molekulák R- és S-formáinak jelentősen eltérő biológiai aktivitása lehet - például az egyik forma toxikus lehet, szemben a másikkal.. Ezért nem meglepő, hogy a kémiai Nobel-díjat 2001-ben azok a tudósok kapták, akik kifejlesztettek egy módszert a célmolekula csak egy meghatározott formájának szintézisére.

A homokiralitás az intelligens tervezés bizonyítékaként? Nem igazán.

A biológiai jelenség az ún homokiralitás. Ahogy fentebb írtam, a királis molekulák, például aminosavak vagy szénhidrátok az élő organizmusokban szinte kizárólag az egyik formában találhatók meg, de a hagyományos kémiai szintézis során ezek a molekulák egyensúlyban (1: 1) szintetizálódnak, és úgynevezett racém keverékek (királis arányban). 1: 1 molekulák, így ezek a keverékek nem forgatják a polarizált fény síkját).

A homokiralitás megjelenését több hipotézis magyarázza. Ezek a királis molekulák kémiai tulajdonságainak kis különbségein, az autokatalízisen, a termodinamikai folyamatokon vagy a fázisátmeneteken alapulnak. Tartózkodom ezeknek a hipotéziseknek a magyarázatától, mivel egy külön, átfogó cikkre lenne szükségük. Ha azonban valakit érdekel, többet megtudhat itt vagy itt.

Természetesen, mint minden tudományos kérdést, amelyekre még mindig nincs egyértelmű válasz, ezt használják a kreacionisták, akik azt állítják, hogy ez az "intelligens tervezés" bizonyítéka. A valóságban azonban a homokiralitás bármely tudományos hipotézise valószínűbb, mint azt állítani, hogy a homokiralitást "túlterhelték", mivel a tudományos hipotézisek valós és validált fizikai vagy kémiai folyamatokon alapulnak, és nem egy tesztelhetetlen (nem tudományos) feltételezésen a homokiralitás létezéséről. valami mindenható entitás. Ráadásul egy okos tervező helyett azt tippelném intelligens megoldást keresett, például úgy, hogy az összes molekulát azonos formában tervezte meg, és nem zavarta, hogy azt akarom, hogy az aminosavak L formában és a szénhidrátok a D.

De mit csinál Samuel L- Jackson napríklad. Vagy D- ?