хиралност

Хиралност: Причината за миризмата на мента, но също така и токсичността на молекулите

Повечето хора вероятно си спомнят термина „хиралност“ само смътно и съвместно с химията в гимназията. Това явление обаче играе важна роля не само в химията, но и във физиката и биологията. И следователно в ежедневието.

Изображението в огледалото

Хиралността е геометрично свойство на всеки обект, който няма равнина на симетрия. Това означава, че той не може да бъде преведен точно чрез огледалния си образ. Най-илюстративният пример е човешката длан. Дясната и лявата длани са огледални отражения един на друг и ако искахме да ги сгънем един над друг, щяхме да открием, че пръстите „някак си не пасват“.

Ето защо не е изненадващо, че терминът хиралност произлиза от гръцкото "chiros" - палма.

За да се върнем към споменатата химия в гимназията, хиралността е тясно свързана особено с органичната химия. Основата на органичната химия е т.нар четири-свързан въглерод, т.е. способността на един въглероден атом да образува връзки с четири други атома.

Вземете за пример простата молекула 1-хлоро-1-флуоретан:

Централният въглероден атом е свързан с 4 други различни атома или групи атоми - хлор (-Cl), флуор (-F), водород (-H) и метил (-CH3).

Ако покажем тази молекула в 3D пространство, виждаме, че молекулата и нейният огледален образ не могат да бъдат преведени един върху друг, така че молекулата е хирална. Извикват се молекули, които са огледални изображения един на друг "Енантиомери". Те имат идентичен елементарен състав и видове връзки и се различават само по пространствено подреждане. Въз основа на това те могат да бъдат в L- или D-образна форма, евентуално С- а R- в зависимост от вида на проекцията. Не е правило обаче L-формата да е идентична с S- и обратно D-формата с R-.

- И все пак се върти. в този случай светлина

Може да изглежда, че енантиомерите имат повече или по-малко същите свойства. Вярно е обаче обратното. Както ще разгледаме по-подробно в следващите параграфи, две геометрично различни молекули с еднакъв химичен състав са фундаментално различни помежду си.

1-1-хлоро-1-флуороетанът е молекула с единичен хирален център, но по-сложни молекули като глюкоза могат да съдържат множество такива хирални центрове. Обща характеристика на всички хирални молекули е, че те могат да въртят равнината на поляризираната светлина и следователно са оптично активен.

Което всъщност означава, че те въртят равнината на поляризираната светлина?

Ако си представим светлината като вълна, светлинните частици трептят в триизмерното пространство (координатна система x, y, z). Светлинният лъч съдържа огромен брой от тези вълни, като частиците се колебаят в няколко равнини по посока на разпространението на светлината около въображаемата ос x. Ако обаче този лъч премине през поляризатор - като стъкло върху слънчеви очила с поляризиращ филтър - светлинните частици ще трептят само в една равнина.

През 1813 г. Жан Батист Био забелязва това равнината на такава поляризирана светлина е след преминаване през кварцов кристал, воден разтвор на винена киселина или захар обърнат надясно или наляво. Според посоката на въртене тези вещества след това бяха разделени на часовниковата стрелка (по посока на часовниковата стрелка, вдясно - "dexter" от латински "вдясно") и в посока обратна на часовниковата стрелка (в посока обратна на часовниковата стрелка, levorotatory - "laevus" от латински "вляво").

Едва когато Луи Пастьор разбра през 1848 г., че оптичната активност е свързана с хиралност. Изследвайки натриевата амониева сол на винената киселина, той установява, че тя образува двойни кристали, които са огледални изображения. Той отдели двата вида кристали с пинсета и добри очи и след това ги разтвори във вода. След това разтворите на тези два вида кристали завъртяха равнината на поляризираната светлина в противоположни посоки. Експериментът показва, че оптичната активност е свойство на макроскопичните вещества, образувани от хирални молекули.

Хиралността като основа на живота

Хиралността е важно свойство на органичните съединения и тъй като органичните съединения са в основата на биологията и живота, хиралността на молекулите е от голямо значение и в тази област. Типичен пример за хирални молекули, които са критични за функционирането на живите организми, са аминокиселините - градивните елементи на протеините. Всички хирални аминокиселини (с изключение на най-простата аминокиселина, глицин, която няма хирален въглерод), които се намират в ядрените организми (т.нар. Висши организми, почти всички, с изключение на бактерии, цианобактерии и вируси) са в L-форма. По този начин те са посочени като L-аланин или L-глутамат. Бактериите също съдържат 99,99% L-аминокиселини, но D-аминокиселини могат да бъдат намерени в някои протеини на тяхната повърхност.

Хомохиралността (същата хиралност) на протеините е изключително важна, особено за ензимите, тъй като те имат активни места, съставени изключително от L-аминокиселини. Ако във веригата се включи D-аминокиселина, точната организация на активното място ще бъде нарушена и ензимът няма да може да изпълнява своята функция. Подобно е с ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) и РНК (рибонуклеинова киселина). Тези макромолекули съдържат въглехидратния компонент 2-D-дезоксирибоза (ДНК) или D-рибоза (РНК). Както подсказва името, отново тези жизненоважни молекули съдържат само въглехидрати в D-формата и включването на въглехидратната молекула в L-формата би нарушило структурата на тези важни молекули.

Хирални молекули в ежедневието

С оглед на гореизложеното може да изглежда, че феноменът на хиралност се крие малко извън ежедневната реалност. Вярно е, че вероятно с просто око ще бъде трудно да наблюдава въртенето на поляризирана светлина, преминаваща през чаша вино, или да изследва структурата на молекулите на глутамат в „демоничния“ натриев глутамат. Но външният вид понякога заблуждава и хиралността на определени молекули може дори да бъде възприета от сетивата.

Като първи пример, нека вземем цитрусови плодове. Характерната миризма на лимони и портокали се дължи на веществото лимонен. И двата плода го съдържат, но лимонът съдържа S-формата на лимонен и, обратно, портокалът съдържа R-формата - по този начин хиралността на молекулите на лимонена причинява различна миризма на лимони и портокали. Подобно е с молекулата карвон - S-формата причинява характерната миризма на раска и обратно, R-формата е причината за миризма на мента.

Миризмите са субективни възприятия, причинени от взаимодействието на молекулите с рецепторите в обонятелните органи - рецепторите образуват хирални аминокиселинни молекули и по този начин взаимодействието с различни форми на хирални молекули във въздуха води до различно обонятелно възприятие.

Друга област, в която хиралността на молекулите е изключително важна, е фармацевтичната индустрия. Това е разбираемо, тъй като подобно на обонятелните рецептори, други рецептори и ензими в човешкото тяло са изградени от хирални аминокиселинни молекули и взаимодействат по различен начин с D- и L- (или S- и R-) формите на активните съставки.

Повече от половината от често използваните лекарства са хирални молекули и R- и S-формите на тези молекули могат да имат значително различна биологична активност - например едната форма може да бъде токсична за разлика от другата.. Ето защо не е изненадващо, че Нобеловата награда за химия през 2001 г. отиде при учени, които разработиха метод за синтезиране само на една специфична форма на целевата молекула.

Хомохиралността като доказателство за интелигентен дизайн? Не точно.

Биологичният феномен на т.нар хомохиралност. Както пиша по-горе, хирални молекули, като аминокиселини или въглехидрати, се намират в живите организми почти изключително в една от формите, но при конвенционалния химичен синтез тези молекули се синтезират в равновесие (1: 1) и образуват така наречените рацемични смеси (с хирално съотношение). 1: 1 молекули, така че тези смеси не въртят равнината на поляризираната светлина).

Появата на хомохиралност се обяснява с няколко хипотези. Те се основават или на малки разлики в химичните свойства на хиралните молекули, автокатализа, термодинамични процеси или фазови преходи. Ще се въздържа от обяснение на тези хипотези, тъй като те ще изискват една отделна, обширна статия. Ако обаче някой се интересува, той може да научи повече тук или тук.

Разбира се, както всички научни въпроси, на които все още липсва ясен отговор, това се използва от креационистите, които твърдят, че това е доказателство за „интелигентен дизайн“. В действителност обаче всяка научна хипотеза за хомохиралност е по-вероятна, отколкото да се твърди, че хомохиралността е „надвишена“, тъй като научните хипотези се основават на реални и потвърдени физически или химични процеси, а не на непроверяваемо (ненаучно) предположение за съществуването на някакъв всемогъщ субект. Освен това, на мястото на умен дизайнер, бих предположил търси дизайн, който би бил интелигентен, например, като проектира всички молекули в една и съща форма и не се притеснява, че искам аминокиселините да са в L форма и въглехидратите в D.

Но какво прави Самюел L- Джаксън наприклад. Или D- ?