Хіральність: причина запаху м’яти, а також токсичність молекул
Напевно, більшість людей пам’ятають термін «хиральність» лише неясно та спільно з хімією середньої школи. Однак це явище відіграє важливу роль не тільки в хімії, а й у фізиці та біології. І тому в повсякденному житті.
Зображення в дзеркалі
Хіральність - це геометрична властивість будь-якого предмета, який не має площини симетрії. Це означає, що його неможливо точно перекласти через його дзеркальне відображення. Найбільш показовий приклад - людська долоня. Права і ліва долоні - це дзеркальне відображення один одного, і якби ми хотіли скласти їх одна над одною, то виявили б, що пальці «якось не підходять».
Тому не дивно, що термін хіральність походить від грецького "chiros" - пальма.
Щоб повернутися до згаданої хімії середньої школи, хіральність тісно пов’язана, особливо з органічною хімією. Основою органічної хімії є т. Зв чотиризв’язаний вуглець, тобто здатність одного атома вуглецю утворювати зв’язки з чотирма іншими атомами.
Візьмемо просту молекулу 1-хлор-1-фторетан як приклад:
Центральний атом вуглецю пов'язаний з 4 іншими різними атомами або групами атомів - хлором (-Cl), фтором (-F), воднем (-H) та метилом (-CH3).
Якщо ми відображаємо цю молекулу в тривимірному просторі, ми бачимо, що молекула та її дзеркальне відображення не можуть бути перекладені один на одного, тому молекула є хіральною. Молекули, які є дзеркальними зображеннями один одного, називаються "Енантіомери". Вони мають однаковий елементний склад і типи зв’язків і відрізняються лише просторовим розташуванням. Виходячи з цього, вони можуть бути в L- або D-форма, можливо З- a Р.- залежно від типу проекції. Однак не є правилом, що L-форма ідентична S- і навпаки D-форма R-.
- І все-таки крутиться. в даному випадку світло
Можливо, енантіомери мають більш-менш однакові властивості. Однак все навпаки. Як ми докладніше обговоримо в наступних параграфах, дві геометрично різні молекули з однаковим хімічним складом принципово відрізняються одна від одної.
1-1-хлор-1-фторетан - це молекула з одним хіральним центром, але більш складні молекули, такі як глюкоза, можуть містити кілька таких хіральних центрів. Спільною рисою всіх хіральних молекул є те, що вони можуть обертати площину поляризованого світла і, отже, є оптично активний.
Що насправді означає, що вони обертають площину поляризованого світла?
Якщо уявити світло як хвилю, частинки світла коливаються в тривимірному просторі (система координат x, y, z). Промінь світла містить величезну кількість цих хвиль, при цьому частинки коливаються в декількох площинах у напрямку розповсюдження світла навколо уявної осі х. Однак якщо цей промінь проходить через поляризатор - наприклад, скло на сонцезахисних окулярах з поляризуючим фільтром - частинки світла будуть коливатися лише в одній площині.
У 1813 р. Це помітив Жан Батист Біо площині такого поляризованого світла був після проходження крізь кристал кварцу водного розчину винної кислоти або цукру повернуто вправо чи вліво. За напрямком обертання ці речовини тоді поділяли на годинникову стрілку (за годинниковою стрілкою, правообертальну - «dexter» від латинського «праворуч») та проти годинникової стрілки (проти годинникової стрілки, лівообертаючу - «laevus» від латинської «ліву»).
Лише в 1848 році Луї Пастер дізнався про це оптична активність пов'язана з хіральністю. Досліджуючи натрієву амонійну сіль винної кислоти, він виявив, що вона утворює подвійні кристали, які є дзеркальними зображеннями. Він розділив два типи кристалів пінцетом і добрими очима, а потім розчинив їх у воді. Потім розчини цих двох видів кристалів обертали площину поляризованого світла в протилежні сторони. Експеримент показав, що оптична активність є властивістю макроскопічних речовин, утворених хіральними молекулами.
Хіральність як основа життя
Хіральність є важливою властивістю органічних сполук, і оскільки органічні сполуки є основою біології та життя, хіральність молекул має велике значення і в цій галузі. Типовим прикладом хіральних молекул, які є критично важливими для функціонування живих організмів, є амінокислоти - будівельні блоки білків. Усі хіральні амінокислоти (за винятком найпростішої амінокислоти, гліцину, що не має хірального вуглецю), які містяться в ядерних організмах (так звані вищі організми, практично всі, крім бактерій, ціанобактерій та вірусів), знаходяться в L-формі. Таким чином, їх називають L-аланіном або L-глутаматом. Бактерії також містять 99,99% L-амінокислот, але D-амінокислоти можна знайти в деяких білках на їх поверхні.
Гомохіральність (однакова хіральність) білків надзвичайно важлива, особливо для ферментів, оскільки вони мають активні ділянки, що складаються виключно з L-амінокислот. Якби D-амінокислота була включена в ланцюг, точна організація активного центру порушилася б, і фермент не міг би виконувати свою функцію. Подібно до ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) та РНК (рибонуклеїнова кислота). Ці макромолекули містять вуглеводний компонент 2-D-дезоксирибозу (ДНК) або D-рибозу (РНК). Як випливає з назви, ці життєво важливі молекули знову містять лише вуглеводи в D-формі, і включення молекули вуглеводів у L-форму порушить структуру цих важливих молекул.
Хіральні молекули у повсякденному житті
З огляду на вищесказане, може здатися, що явище хиральності лежить трохи поза повсякденною реальністю. Це правда, що неозброєним оком буде важко спостерігати обертання поляризованого світла, що проходить через келих вина, або досліджувати структуру молекул глутамату в "демонічному" глутаматі натрію. Але зовнішність іноді обманює і хиральність певних молекул може сприйматися навіть почуттями.
Для першого прикладу візьмемо цитрусові. Характерний запах лимонів та апельсинів обумовлений речовиною лімонен. Обидва ці фрукти містять його, але лимон містить S-форму лімонену і, навпаки, апельсин містить R-форму - хиральність молекул лімонену, таким чином, спричиняє різний запах лимонів та апельсинів. Подібно до молекули карвону - S-форма викликає характерний запах раски і, навпаки, R-форма є причиною запаху м'яти.
Запахи - це суб’єктивне сприйняття, спричинене взаємодією молекул з рецепторами в органах нюху - рецептори утворюють хіральні молекули амінокислот, і, отже, взаємодія з різними формами хіральних молекул у повітрі призводить до різного сприйняття нюху.
Ще одна область, де хиральність молекул надзвичайно важлива, - це фармацевтична промисловість. Це зрозуміло, оскільки подібно до нюхових рецепторів, інші рецептори та ферменти в організмі людини складаються з хіральних молекул амінокислот і по-різному взаємодіють з D- та L- (або S- та R-) формами активних інгредієнтів.
Більше половини часто використовуваних препаратів - це хіральні молекули та R- і S-форми цих молекул можуть мати суттєво різну біологічну активність - наприклад, одна форма може бути токсичною на відміну від іншої.. Тому не дивно, що Нобелівська премія з хімії в 2001 р. Дісталася вченим, які розробили метод синтезу лише однієї конкретної форми молекули-мішені.
Гомохіральність як доказ розумного дизайну? Не зовсім.
Біологічний феномен т. Зв гомохіральність. Як я писав вище, хіральні молекули, такі як амінокислоти або вуглеводи, знаходяться в живих організмах майже виключно в одній з форм, але при звичайному хімічному синтезі ці молекули синтезуються в рівновазі (1: 1) і утворюють так звані рацемічні суміші (з хіральним співвідношенням). Молекули 1: 1, тому ці суміші не обертають площину поляризованого світла).
Виникнення гомохіральності пояснюється кількома гіпотезами. Вони засновані або на невеликих відмінностях у хімічних властивостях хіральних молекул, автокаталізі, термодинамічних процесах або фазових переходах. Я утримаюся від пояснення цих гіпотез, оскільки вони потребують однієї окремої великої статті. Однак, якщо комусь цікаво, він може дізнатися більше тут або тут.
Звичайно, як і на всі наукові питання, на які досі не вистачає однозначної відповіді, цим користуються креаціоністи, які стверджують, що це є доказом «інтелектуального дизайну». Насправді, будь-яка наукова гіпотеза про гомохіральність є більш вірогідною, ніж твердження про те, що гомохіральність була "перевиконана", оскільки наукові гіпотези базуються на реальних і підтверджених фізичних або хімічних процесах, а не на неперевірному (ненауковому) припущенні про існування якась всемогутня сутність. До того ж, на місці розумного дизайнера, я б здогадався шукав розумного дизайну, наприклад, розробивши всі молекули в однаковій формі і не турбуючись про те, що я хочу, щоб амінокислоти були у формі L, а вуглеводи в D.
Але що означає Семюель Л. - Джексон- ?