06.10.2016-08:20:00   |   Radoslav Janoštiak
#Živá príroda

Obraz v zrkadle

Chiralita predstavuje geometrickú vlastnosť akéhokoľvek objektu, ktorý nemá žiadnu rovinu symetrie. To znamená, že nemôže byť presne preložený cez svoj zrkadlový obraz. Najnázornejším príkladom je ľudská dlaň. Pravá a ľavá dlaň sú navzájom zrkadlovými odrazmi, a ak by sme ich chceli preložiť cez seba, zistíme, že prsty „akosi nesedia“.


-



Nie je teda prekvapením, že termín chiralita je odvodený od gréckeho „chiros“ - dlaň.

Aby som sa vrátil k spomenutej stredoškolskej chémii, chiralita je úzko spojená najmä s organickou chémiou. Základom organickej chémie je tzv. štvorväzbovosť uhlíka, teda schopnosť jedného atómu uhlíka vytvárať väzby s ďalšími štyrmi atómami.



Zoberme si ako príklad jednoduchú molekulu 1-chlór-1-fluóretán:


-



Centrálny atóm uhlíka sa viaže s ďalšími 4 rôznymi atómami alebo skupinami atómov – chlór (-Cl), fluór (-F), vodík (-H) a metyl (-CH3).

Ak zobrazíme túto molekulu v 3D priestore, vidíme, že molekula a jej zrkadlový obraz sa nedajú cez seba preložiť, teda molekula je chirálna. Molekuly, ktoré sú navzájom svojim zrkadlovým obrazom, sú tzv. „enantioméry“. Majú totožné prvkové zloženie aj typy väzieb a líšia sa len priestorovým usporiadaním. Na základe toho môžu byť v L- alebo D- forme, poprípade S- a R- v závislosti od typu projekcie. Avšak nie je pravidlom, že L- forma je totožná s S- a naopak D- forma s R-.

„A predsa sa točí“... v tomto prípade svetlo

Mohlo by sa zdať, že enantioméry majú viac-menej rovnaké vlastnosti. Opak je však pravdou. Ako si podrobnejšie povieme v nasledovných odstavcoch, dve geometricky rozdielne molekuly s rovnakým chemickým zložením sa od seba zásadne líšia.



1-1-chlór-1-fluóretán je molekula s jedným chirálnym centrom, avšak zložitejšie molekuly ako napríklad glukóza môžu obsahovať viacero takýchto chirálnych centier. Spoločnou vlastnosťou všetkých chirálnych molekúl je, že dokážu rotovať rovinu polarizovaného svetla, a sú teda opticky aktívne.

Čo vlastne znamená, že rotujú rovinu polarizovaného svetla?

Ak si predstavíme svetlo ako vlnu, tak častice svetla kmitajú v trojdimenzionálnom priestore (súradnicová sústava x, y, z). Svetelný lúč obsahuje obrovské množstvo týchto vĺn, pričom častice kmitajú vo viacerých rovinách v smere šírenia sa svetla okolo pomyselnej osi x. Ak však tento lúč prejde cez polarizátor – napríklad sklo na slnečných okuliaroch s polarizačným filtrom – častice svetla budú kmitať len v jednej rovine.


-



V roku 1813 si Jean Baptiste Biot všimol, že rovina takto polarizovaného svetla bola po prechode cez kryštál kremeňa, vodný roztok kyseliny vínnej alebo cukru otočená doprava alebo doľava. Podľa smeru rotácie boli tieto látky následne rozdelené na pravotočivé (v smere hodinových ručičiek, dextrorotatory – „dexter“ z latinčiny „pravý“) a ľavotočivé (proti smeru hodinových ručičiek, levorotatory – „laevus“ z latinčiny „ľavý“).



No až Louis Pasteur v roku 1848 zistil, že optická aktivita je prepojená s chiralitou. Pri skúmaní sodno-amónnej soli kyseliny vínnej zistil, že tvorí dvojaké kryštály, ktoré sú si zrkadlovými obrazmi. Tieto dva druhy kryštálov oddelil pomocou pinzety a dobrých očí a následne rozpustil vo vode. Roztoky týchto dvoch druhov kryštálov potom rotovali rovinu polarizovaného svetla v opačných smeroch. Experiment naznačil, že optická aktivita je vlastnosť makroskopických látok tvorených chirálnymi molekulami.

Chiralita ako základ života

Chiralita je dôležitou vlastnosťou organických zlúčenín a keďže organické zlúčeniny sú základom biológie a života, chiralita molekúl má veľký význam aj v tejto oblasti. Typickým príkladom chirálnych molekúl, ktoré sú kriticky dôležité pre fungovanie živých organizmov, sú aminokyseliny – stavebné bloky bielkovín. Všetky chirálne aminokyseliny (okrem najjednoduchšej aminokyseliny, glycín, ktorá nemá chirálny uhlík), ktoré sa nachádzajú v jadrových organizmoch (tzv. vyššie organizmy, prakticky všetky okrem baktérií, siníc a vírusov) sú v L-forme. Označujú sa teda ako L-alanín alebo L-glutamát. Baktérie tiež obsahujú 99,99 % L-aminokyselín, avšak D-aminokyseliny sa môžu vyskytovať v niektorých proteínoch na ich povrchu.


-



Homochiralita (rovnaká chiralita) proteínov je extrémne dôležitá najmä pri enzýmoch, keďže tie majú aktívne miesta tvorené výlučne z L-aminokyselín. Ak by do reťazca bola zakomponovaná nejaká D-aminokyselina, presná organizácia aktívneho miesta by sa narušila a enzým by nemohol vykonávať svoju funkciu. Podobne je to aj s DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Tieto makromolekuly obsahujú sacharidovú zložku 2-D-deoxyribózu (DNA) alebo D-ribózu (RNA). Ako je z názvu zrejmé, opäť tieto životne dôležité molekuly obsahujú len sacharidy v D-forme a zabudovanie molekuly sacharidu v L-forme by porušilo štruktúru týchto dôležitých molekúl.



Chirálne molekuly v každodennom živote

Vzhľadom na vyššie uvedené sa môže zdať, že fenomén chirality leží tak trochu mimo každodennej reality. Je pravda, že voľným okom by sme asi ťažko pozorovali rotáciu polarizovaného svetla prechádzajúceho cez pohár vína, poprípade skúmali štruktúru molekúl glutamátu v „démonickom“ glutamáte sodnom. No zdanie niekedy klame a chiralitu určitých molekúl môžeme dokonca vnímať aj zmyslami.

Ako prvý príklad si zoberme citrusové ovocie. Charakteristická vôňa citrónov a pomarančov je spôsobená látkou limonén. Oba uvedené druhy ovocia ho obsahujú, avšak citrón obsahuje S-fomu limonénu a naopak pomaranč obsahuje R-formu – chiralita molekúl limonénu teda spôsobuje rozdielnu vôňu citrónov a pomarančov. Podobne je to s molekulou karvónu – S-forma spôsobuje charakteristickú vôňu rasce a naopak R-forma je príčinou mätovej vône.

Vône predstavujú subjektívne vnemy spôsobené interakciou molekúl s receptormi v čuchových orgánoch – receptory tvoria chirálne molekuly aminokyselín, a teda interakcia s rozdielnymi formami chirálnych molekúl vo vzduchu má za následok rozdielny čuchový vnem.

Ďalšou oblasťou, v ktorej je chiralita molekúl extrémne dôležitá, je farmaceutický priemysel. To je pochopiteľné, pretože tak ako čuchové receptory, aj ostatné receptory a enzýmy v ľudskom tele sú tvorené chirálnymi molekulami aminokyselín a interagujú rozdielne s D- a L- (resp S- a R-) formami aktívnych látok.

Viac než polovicu bežne používaných liečiv tvoria chirálne molekuly a R- a S- formy týchto molekúl môžu mať výrazne odlišnú biologickú aktivitu – napríklad jedna forma môže byť na rozdiel od druhej toxická. Nie je teda prekvapením že Nobelova cena za chémiu v roku 2001 putovala vedcom, ktorí vyvinuli metódu na syntetizovanie len jednej špecifickej formy cieľovej molekuly.



Homochiralita ako dôkaz inteligentného dizajnu? To fakt nie...

S chiralitou úzko súvisí aj biologický fenomén tzv. homochirality. Ako píšem vyššie, chirálne molekuly, napríklad aminokyseliny alebo sacharidy, sa v živých organizmoch nachádzajú takmer výlučne v jednej z foriem, avšak pri bežnej chemickej syntéze sú tieto molekuly syntetizované v rovnovážnom pomere (1:1) a tvoria takzvané racemické zmesi (s pomerom chirálnych molekúl 1:1, tieto zmesi teda nerotujú rovinu polarizovaného svetla).

Vznik homochirality vysvetľuje niekoľko hypotéz. Tie sú založené buď na malých rozdieloch v chemických vlastnostiach chirálnych molekúl, autokatalýze, termodynamických procesoch či fázových prechodoch. Vysvetlenia týchto hypotéz sa zdržím, pretože by si vyžadovali jeden samostatný rozsiahly článok. Ak by však niekto mal záujem, viac sa môže dozvedieť tu alebo tu.

Samozrejme, tak ako všetky vedecké otázky, ktorým zatiaľ chýba jednoznačná odpoveď, aj túto využívajú kreacionisti, ktorí tvrdia, že ide o dôkaz „inteligentného dizajnu“. V skutočnosti je však každá vedecká hypotéza vzniku homochirality pravdepodobnejšia, než tvrdenie, že homochiralita bola „nadizajnovaná“, kedže vedecké hypotézy vychádzajú z reálnych a potvrdených fyzikálnych alebo chemických procesov a nie z netestovateľného (nevedeckého) predpokladu existencie nejakej všemocnej entity. Navyše, na mieste inteligentného dizajnéra by som sa asi snažil o dizajn, ktorý by bol inteligentný napríklad tým, že by som všetky molekuly nadizajnoval v rovnakej forme a netrápil by som sa tým, že chcem, aby aminokyseliny boli v L forme a sacharidy v D.

Čo si o tom všetkom ale myslí napríklad Samuel L- Jackson….alebo D- ?


-





-

Odkazy:
http://remotecat.blogspot.com/2014/11/chiral-molecules-in-everyday-life-from.html
http://www.chemistryexplained.com/Ce-Co/Chirality.html
https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Carbohydrates/Monosaccharides/Stereochemistry_of_Monosaccharides
http://www.nature.com/news/force-of-nature-gave-life-its-asymmetry-1.15995
https://en.wikipedia.org/wiki/Deoxyribose
https://en.wikipedia.org/wiki/Carvone
https://en.wikipedia.org/wiki/Chirality_(chemistry)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3614593/
http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/1organic/chirality.html


Obrázky: public domain, fair use
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail