cauza

Chiralitatea: cauza mirosului de mentă, dar și toxicitatea moleculelor

Majoritatea oamenilor își amintesc probabil de termenul „chiralitate” doar vag și coroborat cu chimia liceului. Cu toate acestea, acest fenomen joacă un rol important nu numai în chimie, ci și în fizică și biologie. Și, prin urmare, în viața de zi cu zi.

Imaginea din oglindă

Chiralitatea este o proprietate geometrică a oricărui obiect care nu are niciun plan de simetrie. Aceasta înseamnă că nu poate fi tradusă cu exactitate prin imaginea sa în oglindă. Cel mai ilustrativ exemplu este palma umană. Palmele dreapta și stânga sunt oglinzi reciproce și, dacă am vrea să le împăturim una peste cealaltă, am descoperi că degetele „cumva nu se potrivesc”.

Prin urmare, nu este surprinzător faptul că termenul chiralitate este derivat din grecescul "chiros" - palmă.

Pentru a reveni la chimia liceului menționată, chiralitatea este strâns legată în special de chimia organică. Baza chimiei organice este așa-numita carbon cu patru legături, adică capacitatea unui atom de carbon de a forma legături cu alți patru atomi.

Luați ca exemplu molecula simplă 1-clor-1-fluoroetan:

Atomul central de carbon este legat de alți 4 atomi sau grupuri diferite de atomi - clor (-Cl), fluor (-F), hidrogen (-H) și metil (-CH3).

Dacă afișăm această moleculă în spațiul 3D, vedem că molecula și imaginea ei în oglindă nu pot fi traduse una peste alta, deci molecula este chirală. Se numesc molecule care sunt imagini în oglindă „Enantiomerii”. Ei au compoziție elementară identică și tipuri de legături și diferă doar prin dispunerea spațială. Pe baza acestui lucru, ei pot fi în L- sau În formă de D, eventual CU- A R- în funcție de tipul de proiecție. Cu toate acestea, nu este regula ca forma L să fie identică cu S- și viceversa forma D cu R-.

- Și totuși se învârte. în acest caz lumină

S-ar putea părea că enantiomerii au mai mult sau mai puțin aceleași proprietăți. Cu toate acestea, opusul este adevărat. Așa cum vom discuta mai detaliat în paragrafele următoare, două molecule geometrice diferite cu aceeași compoziție chimică sunt fundamental diferite una de cealaltă.

1-1-cloro-1-fluoroetan este o moleculă cu un singur centru chiral, dar molecule mai complexe precum glucoza pot conține mai mulți astfel de centri chirali. O caracteristică comună a tuturor moleculelor chirale este că pot roti planul luminii polarizate și, prin urmare, sunt optic activ.

Ceea ce înseamnă de fapt că rotesc planul luminii polarizate?

Dacă ne imaginăm lumina ca o undă, particulele de lumină oscilează în spațiul tridimensional (sistemul de coordonate x, y, z). Fasciculul de lumină conține un număr imens de aceste unde, particulele oscilând în mai multe planuri în direcția propagării luminii în jurul axei x imaginare. Cu toate acestea, dacă acest fascicul trece printr-un polarizator - cum ar fi sticla pe ochelarii de soare cu filtru polarizant - particulele de lumină vor oscila într-un singur plan.

În 1813, Jean Baptiste Biot a observat asta planul unei astfel de lumini polarizate a fost după ce a trecut printr-un cristal de cuarț, o soluție apoasă de acid tartric sau zahăr cotit la dreapta sau la stânga. Conform direcției de rotație, aceste substanțe au fost apoi împărțite în sensul acelor de ceasornic (în sensul acelor de ceasornic, dextrorotator - „dexter” din latina „dreapta”) și în sens invers acelor de ceasornic (în sens invers acelor de ceasornic, levorotator - „laevus” din latina „stânga”).

Abia în 1848, Louis Pasteur a aflat că activitatea optică este asociată cu chiralitatea. Examinând sarea de sodiu amoniu a acidului tartric, el a constatat că acesta formează cristale duble, care sunt imagini în oglindă. El a separat cele două tipuri de cristale cu pensete și ochi buni și apoi le-a dizolvat în apă. Soluțiile acestor două tipuri de cristale au rotit apoi planul luminii polarizate în direcții opuse. Experimentul a indicat că activitatea optică este o proprietate a substanțelor macroscopice formate din molecule chirale.

Chiralitatea ca bază a vieții

Chiralitatea este o proprietate importantă a compușilor organici și, deoarece compușii organici stau la baza biologiei și a vieții, chiralitatea moleculelor are o mare importanță și în acest domeniu. Un exemplu tipic de molecule chirale care sunt critice pentru funcționarea organismelor vii sunt aminoacizii - elementele constitutive ale proteinelor. Toți aminoacizii chirali (cu excepția celui mai simplu aminoacid, glicina, care nu are carbon chiral), care se găsesc în organismele nucleare (așa-numitele organisme superioare, practic toate cu excepția bacteriilor, cianobacteriilor și virusurilor) sunt în formă de L. Acestea sunt denumite astfel L-alanină sau L-glutamat. Bacteriile conțin, de asemenea, 99,99% L-aminoacizi, dar D-aminoacizii pot fi găsiți în unele proteine ​​de pe suprafața lor.

Omociralitatea (aceeași chiralitate) a proteinelor este extrem de importantă, în special pentru enzime, deoarece acestea au situsuri active compuse exclusiv din L-aminoacizi. Dacă un D-aminoacid ar fi încorporat în lanț, organizarea exactă a sitului activ ar fi întreruptă și enzima nu ar putea să-și îndeplinească funcția. Este similar cu ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic). Aceste macromolecule conțin componenta carbohidrat 2-D-dezoxiriboză (ADN) sau D-riboză (ARN). După cum sugerează și numele, din nou, aceste molecule vitale conțin doar carbohidrați în forma D, iar încorporarea moleculei de carbohidrați în forma L ar perturba structura acestor molecule importante.

Moleculele chirale în viața de zi cu zi

Având în vedere cele de mai sus, poate părea că fenomenul chiralității se află puțin din realitatea cotidiană. Este adevărat că ar fi probabil dificil pentru ochiul liber să observe rotația luminii polarizate care trece printr-un pahar de vin sau să examineze structura moleculelor de glutamat în glutamatul de sodiu „demonic”. Dar aparențele uneori înșeală și chiralitatea anumitor molecule poate fi percepută chiar de simțuri.

Ca prim exemplu, să luăm citrice. Mirosul caracteristic al lămâilor și portocalelor se datorează substanței limonene. Ambele fructe îl conțin, dar lămâia conține forma S a limonenului și, dimpotrivă, portocala conține forma R - chiralitatea moleculelor de limonen provoacă astfel un miros diferit de lămâi și portocale. Este similar cu molecula carvonei - Forma S provoacă mirosul caracteristic al rasca și, dimpotrivă, forma R este cauza mirosului de mentă.

Mirosurile sunt percepții subiective cauzate de interacțiunea moleculelor cu receptorii din organele olfactive - receptorii formează molecule de aminoacizi chirali și, astfel, interacțiunea cu diferite forme de molecule chirale din aer are ca rezultat o percepție olfactivă diferită.

Un alt domeniu în care chiralitatea moleculelor este extrem de importantă este industria farmaceutică. Acest lucru este de înțeles deoarece, la fel ca receptorii olfactivi, alți receptori și enzime din corpul uman sunt alcătuite din molecule de aminoacizi chirali și interacționează diferit cu formele D- și L- (sau S- și R-) ale ingredientelor active.

Mai mult de jumătate din medicamentele utilizate în mod obișnuit sunt molecule chirale și Formele R și S ale acestor molecule pot avea o activitate biologică semnificativ diferită - de exemplu, o formă poate fi toxică spre deosebire de cealaltă.. Nu este surprinzător că Premiul Nobel pentru chimie din 2001 a fost acordat oamenilor de știință care au dezvoltat o metodă de sintetizare a unei singure forme specifice a unei molecule țintă.

Homociralitatea ca dovadă a designului inteligent? Nu chiar.

Fenomenul biologic al așa-numitelor omociralitate. După cum scriu mai sus, moleculele chirale, cum ar fi aminoacizii sau carbohidrații, se găsesc în organismele vii aproape exclusiv într-una dintre forme, dar în sinteza chimică convențională aceste molecule sunt sintetizate la echilibru (1: 1) și formează așa-numitele racemice amestecuri (cu un raport chiral) .Molecule 1: 1, deci aceste amestecuri nu rotesc planul luminii polarizate).

Apariția omociralității este explicată de mai multe ipoteze. Acestea se bazează fie pe mici diferențe în proprietățile chimice ale moleculelor chirale, pe autocataliză, pe procese termodinamice sau pe tranziții de fază. Mă voi abține să explic aceste ipoteze, deoarece acestea ar necesita un articol separat, extins. Cu toate acestea, dacă cineva este interesat, poate afla mai multe aici sau aici.

Desigur, la fel ca toate întrebările științifice, cărora le lipsește încă un răspuns clar, acest lucru este folosit de creaționiști care susțin că este dovada „designului inteligent”. Cu toate acestea, în realitate, orice ipoteză științifică a homo-chiralității este mai probabilă decât a pretinde că omochiralitatea a fost „depășită”, deoarece ipotezele științifice se bazează pe procese fizice sau chimice reale și confirmate și nu pe o ipoteză netestabilă (non-științifică) a existenței vreo entitate atotputernică. În plus, în locul unui designer inteligent, aș presupune am căutat un design inteligent, de exemplu, proiectând toate moleculele în aceeași formă și fără să mă deranjez că am vrut ca aminoacizii să fie în formă L și carbohidrații în D.

Dar ce fac Samuel L- Jackson napríklad. Sau D- ?