Хиральность (химия)

Хиральность (молекулярная хиральность) - в химии свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.

Энзимы (а они хиральны) часто различаются между двумя энантиомерами хирального субстрата. Представьте, что у энзима впадина в форме перчатки, которая связывает субстрат. Если перчатка как для правой руки, тогда один энантиомер войдёт вовнутрь и свяжется, в то время как другой энантиомер плохо войдёт, и мало шансов, что свяжется. D-форма аминокислот обычно сладкая на вкус, а L-форма обычно вкуса не имеет. Листья перечной мяты и семена тмина содержат L-карвон и D-карвон соответственно – энантиомеры карвона . Они пахнут по-разному, поскольку обонятельные рецепторы большинства людей также содержат хиральные молекулы, которые ведут себя по-разному в присутствии разных энантиомеров.

Хиральность в фармакологии

Множество хиральных лекарств сделаны с высокой энантиометрической чистотой в связи с побочными эффектами другого энантиомера (который может быть даже терапевтически неактивным).

• Талидомид : талидомид рацемичен. Один энантиомер эффективен против тошноты, а другой тератогеничен. В этом случае назначение одного из энантиомеров беременному пациенту не поможет, поскольку оба энантиомера легко преобразуются друг в друга в организме. А если дать человеку другой энантиомер, то и D-, и L-изомеры будут присутствовать в плазме пациента.
• Этамбутол : один энантиомер используется при лечении туберкулёза, другой вызывает слепоту.
• Напроксен : один энантиомер лечит артрит, но другой вызывает отравление печени без анальгетического эффекта.
• Расположение рецепторов стероидов также показывает специфичность стереоизомеров.
• Активность пенициллина стереозависима. Антибиотик должен подражать D-аланиновым цепям, которые присутствуют в клеточных стенках бактерий, чтобы реагировать с энзимом транспептидазой и постепенно поглощать её.
• Только L-анаприлин является мощным адренорецептором, а D-анаприлин – нет. Тем не менее, у обоих изомеров анаприлина есть местный анестезиальный эффект.
• L-меторфан (левометорфан) – мощный опиоид-анальгетик, а D-изомер, декстрометорфан – диссоциативное средство для облегчения кашля.
• S-карведилол , средство, реагирующее с адренорецепторами, в 100 раз сильнее блокирует β-рецепторы, чем R(+) изомер. Но оба изомера примерно одинаково блокируют α-рецепторы.
• D-изомеры первитина и амфетамина – сильные стимуляторы ЦНС, а L-изомеры обоих средств лишены больших стимулирующих ЦНС свойств, но вместо этого стимулируют ПНС (периферическую нервную систему). Поэтому L-изомер первитина доступен как средство для применения в нос, а декстроизомер запрещён для использования в медицинских целях почти во всех (за редким исключением) странах мира и строго контролируется там, где он разрешён.
• S-амлодипин, чистый оптически активный изомер амлодипина, отвечающий за блокаду кальциевых каналов и вазодилятацию.
• левоцитиризин, RR-цитиризин, антигистаминный препарат, активный блокатор гистаминовых рецепторов в составе цитиризина.
• S-пантапрозол, чистый оптически активный изомер пантапрозола, избирательно блокирующий протонную помпу париетальных клеток слизистой желудка.
• R-рабепрозол, чистый оптически активный изомер рабепрозола, избирательно блокирующий протонную помпу париетальных клеток слизистой желудка.
• дексибупрофен, чистый оптически активный изомер ибупрофена, избирательно блокирующий циклооксигеназу.
• декскетопрофен, чистый оптически активный изомер кетопрофена, избирательно блокирующий циклооксигеназу.
• эсэтодолак, чистый оптически активный изомер иэтодолака, избирательно и селективно блокирующий циклооксигеназу.
• эзомепразол, чистый оптически активный изомер омепрозола, избирательно блокирующий протонную помпу париетальных клеток слизистой желудка.
• S-метопролол, селективный блокатор бетта-адренорецепторов сердца и сосудов, выделенный из рацемического метопролола
• левомицетин.
• хинин.
• хинидин.
• L-лизин.
• L-тироксин.
• L-допа.
• левотирацетам.
• R-сибутрамин. Не применяется широко (вероятно, только в Индии), из за запрета FDA на использование рацемического сибутрамина для лечения ожирения из-за побочных эффектов. По данным индийских исследователей R-сибутрамин максимально лишён этих побочных эффектов, однако не доказана эффективность R-сибутрамина безопасно снижать вес.
• L-карнитин. Используется в пищевых добавках.

Хиральность в неорганической химии

Многие комплексные соединения хиральны, например, хорошо известный комплекс 2+ , в котором три лиганда бипиридина принимают хиральное расположение в виде пропеллера. В этом случае атом рутения может считаться стереогеничным центром в комплексе с точечной хиральностью. Два энантиомера комплексов, таких как 2+ , могут обозначаться как Λ (левоповоротная закрутка пропеллера, описанного лигандами) и Δ (правоповоротная закрутка). Гексол – это хиральный кобальтосодержащий комплекс, открытый впервые Альфредом Вернером. Твёрдый гексол важен как первое вещество без углерода, отражающее оптическую активность.

Хиральность аминов

Третичные амины хиральны по принципу, схожему с углеродосодержащими веществами: атом азота несёт четыре разных замещающих группы, включаю одинокую пару. Тем не менее, энергетический барьер инверсии стереоцентра в общем равен около 30 кДж/моль, что значит, что два стереоизомера быстро превращаются друг в друга при комнатной температуре. В результате амины, такие, как NHRR’, не могут быть распознаны по виду, а NRR’R’’ могут быть распознаны, когда R, R’ и R’’ заключены в циклические структуры.

Хиральность в литературе

Хотя во времена Льюиса Кэрролла мало было известно о хиральности, его работа «Алиса в Зазеркалье » содержит предугадывающую отсылку к различным видам биологической деятельности энантиометрических лекарств: «Может, зазеркальное молоко непригодно для питья» - сказала Алиса своей кошке. В романе Джеймса Блиша «Спок должен умереть!» из серии «Звёздный путь» тахион, зеркальный мистеру Споку, как выяснится, украдёт химические реактивы из медицинского отсека и будет использовать их для преобразования определённых аминокислот и противоположно хиральные изомеры.

Ахиральность и прохиральность

Отсутствие хиральности обозначается термином «ахиральность». Ахиральные молекулы могут проявлять индуцированную оптическую активность. Молекулу называют прохиральной, если она может быть превращена в хиральную заменой единственного атома, например, атома водорода в СН 2 BrCl на фтор. При совмещении в одной молекуле хирального и прохирального фрагментов возникает явление диастереотопии ядер, которое наблюдается в спектрах ядерного магнитного резонанса . На этом основан один из методов обнаружения хиральности молекул.

См. также

Примечания

Ссылки

• А. Борисова Химики сплющили углерод . Gazeta.ru (30.07.2010). - Содержит описание некоторых особенностей хиральности. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 22 августа 2010.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Примеры хиральности, часть 1

✪ Введение в хиральность

✪ Асимметрия биологических молекул - Максим Франк-Каменецкий

✪ Центры хиральности и стереоизомеры

✪ Тривиальные и систематические названия. Приставки «изо-», «втор-» и «трет-»

Субтитры

В прошлом видео мы узнали, что такое хиральная молекула, хиральный углерод или хиральный атом. В этом видео я хотел бы проработать ряд примеров и посмотреть, сможем ли мы определить хиральные атомы и распознать хиральные молекулы. Давайте посмотрим на наши примеры. Что у нас здесь? Это хлороциклопентан. Первый вопрос: видим ли мы здесь хиральные атомы? Давайте посмотрим на определение, которое мы дали хиральным атомам. Оно исходит из ситуации с направленностью рук и невозможностью их совмещения в зеркальном отражении. Мы также сказали, что обычно это атомы углерода, связанные с четырьмя разными группами. Посмотрим, есть ли у нас атомы углерода, связанные с четырьмя разными группами. Все CH2 соединены с другими CH2, а Н2 можно представить как H и H. Таким образом, они соединены с двумя H из той же группы, поэтому ни один из углеродов в CH2 не подходит на роль хирального центра или хирального углерода. Все они связаны с двумя водородами и двумя другими очень похожими группами CH2, даже если взглянуть на всю группу, с которой связан каждый углерод. Все они определённо связаны с двумя водородами, поэтому тут точно не может быть четырёх разных групп. Если мы посмотрим на CH, то увидим, что можем разделить его таким образом. Мы можем отделить от него H вот так. Помимо того что связан с водородом, этот углерод связан ещё и с хлором, а также с... Не совсем понятно, отличается ли эта группа от вот этой, если смотреть на схему с такой стороны. Но если подойти сбоку, если наполовину перевернуть её вот так. Или, может быть, лучше будет повернуть молекулу в этом направлении, против часовой стрелки. Тогда у нас есть группа CH2 и теперь ещё одна группа CH2. Затем третья такая группа и, наконец, четвёртая группа CH2. Возвращаемся, где были раньше. Итак, у нас есть 4 CH2, и мы можем вернуться. Что случится, если мы пойдём этим путём? У вас есть 1, 2, 3, 4 группы CH2, и вы возвращаетесь, откуда начали. Таким образом, это нижняя группа, ну, в зависимости от того, как далеко вы захотите её растянуть, и эта верхняя группа являются одинаковыми группами. Поэтому это не хиральный центр, не хиральный центр, или хиральный углерод. Он не связан с четырьмя различными группами. Также это не хиральная молекула, потому что у неё нет хирального центра. Как можно увидеть, что это не хиральная молекула? Посмотрим, что было написано ранее. Можно увидеть, что это не хиральная молекула. Существует несколько способов это понять. Простейший способ - это представить себе зеркальное отражение. Выглядеть оно будет примерно так. Здесь у нас зеркало, вот тут у нас хлор. Затем CH, CH2, CH2, потом CH2, CH2. Так мы завершаем наш циклопентан. Существует ли в такой ситуации способ повернуть это изображение, чтобы получить такое же? На что станет похожа молекула, если мы возьмём и просто перевернём её на 180 градусов? Ну может быть, немного меньше, чем 180 градусов, Да, не совсем 180, но если мы перевернём её так, чтобы хлор оказался вот здесь, у нас получится точно такая же молекула. Вот что у нас получилось. Выглядит немного по-другому. Вот так это будет выглядеть. Давайте попробуем сделать похоже. Примерно так. Здесь у нас CH2. Давайте лучше нарисуем здесь, тут у нас есть немного больше места. Если мы ее вот так переворачиваем, то здесь у нас CH. Здесь у нас хлор, затем - CH2 и все другие CH2, CH2. И, наконец, CH2 ещё вот тут сверху. Если мы перевернём её наоборот, точнее почти на 180 градусов, она будет выглядеть вот так. Единственная разница между этой и вот этой молекулой в том, как мы нарисовали эту связь. Вместо того чтобы рисовать её вниз мы можем нарисовать её вверх вот так, и у нас получится абсолютно такая же молекула. Так что эта молекула также не хиральная. Давайте перейдём к следующей молекуле. Что это такое? Это бромфторхлорметан - просто чтобы попрактиковаться немного в названиях. Совершенно очевидно, что здесь мы имеем дело с четырьмя разными группами. Каждая из этих групп, в данном случае атомов, которые связаны с углеродом, различны, поэтому углерод является хиральным центром. Хиральный центр. Также должно быть очевидно, что это хиральная молекула. Если мы сделаем её зеркальное отражение, очень похожее на пример из первого видео по хиральности, то зеркальное отражение будет выглядеть так. Теперь бром справа, водород будет по-прежнему снизу, а фтор наверху. Не имеет значения, как вы будете вращать эту молекулу. Если вы попробуете перенести бром сюда, на это место, тогда водород окажется в этом положении, а хлор будет вот в таком положении. Не имеет значения, как вы попытаетесь поворачивать её, вращать или перемещать, вы никогда не сможете совместить эту молекулу вот с этой молекулой. Так что это хиральный центр, и это хиральная молекула. Существует название для этих двух версий. Мы дадим им названия позже. Это другая тема. Будет отдельное видео на эту тему. Но вот эти 2 версии бромфторхлорметана, они иногда имеют различное химическое применение. Они называются энантиомерами. Энантиомеры - это зеркальные изображения. Каждая пара энантиомеров - это зеркальное отображение друг друга. Они являются стереоизомерами. Ну это просто терминология. Стереоизомеры. Вам знакомо слово «изомер», оно обозначает, что в нашей молекуле есть одинаковые атомы. Но существуют различные типы изомеров. Существуют структурные изомеры. Это означает, что разные элементы соединяются с разными элементами. Стереоизомеры - это когда каждый элемент соединён только с одним элементом. Углерод, соединяется только с фтором, хлор с углеродом, водород соединяется с углеродом, и бром соединяется с углеродом, то есть каждый элемент соединён с одним элементом, но они представлены в трёхмерной организации. Мы имеем дело со стереочастью. Стереохимия изучает трёхмерную химию как понимание сути реальной трёхмерной конфигурации вещей. Стереоизомеры подразумевают, что есть одинаковые компоненты, одинаковые атомы. Они одинаково связаны друг с другом. Бром связан с углеродом, который связан с водородом. Это все действительно так. Но их трёхмерное положение отличается. В данном случае, когда они являются зеркальным отражением друг друга, мы их называем энантиомерами. Здесь, наверное, стоит кое-что прояснить. В нескольких предыдущих видео мы употребляли слово «конфигурация», а иногда использовали слово «конформация». В некоторых случаях мы будем использовать «конфигурация», а в некоторых - «конформация». Этот момент следовало бы немного прояснить. Когда мы говорим о конфигурации, мы на самом деле говорим об иной структуре. Переходя от одной конфигурации к другой, мы разрушаем связи и в некотором роде пересобираем их. Вот что такое разные конфигурации. Для того чтобы они могли стать одинаковыми, нам, возможно, придётся поменять бром и водород там, где они связаны с углеродом. Вот это разные конфигурации. Конформации - это просто разные формы или разные ориентации одной и той же молекулы. Когда мы говорили о конформации ванны у циклогексана, то этот циклогексан в конформации ванны и этот же циклогексан в конформации кресла - это одна и та же молекула с одними и теми же связями. Мы не нарушали и не меняли никаких связей. Они просто оказались немного повёрнутыми. Так получились 2 разные конформации. А вот это -2 разные конфигурации. Чтобы перейти от одной к другой, нам придётся перестроить связи. Давайте посмотрим на эту молекулу. Можем ли мы увидеть здесь стереоцентры или хиральные углероды, или хиральные атомы? Вот здесь у нас есть углерод. Посмотрим: здесь углерод соединяется с хлором, водородом и бромом, а это другой углерод. Здесь есть соединения с четырьмя различными элементами, поэтому это хиральный углерод. Иногда здесь пишут маленькую звёздочку. Если посмотрим на этот углерод, то увидим, что он соединён с фтором и другим углеродом, но он также соединен с 2-мя водородами. поэтому он не хиральный. 2 из элементов, с которыми он соединён, - одинаковые. Здесь даже можно заметить небольшую ось симметрии, проходящую через него. Вы можете перевернуть его, и получится то же самое. Это хиральный центр. Хиральный центр, или хиральный углерод, или хиральный атом, или ассиметричный углерод. Мы увидим, что можно называть его по-разному. Благодаря тому что молекула имеет хиральный центр, это видно, если мы попробуем сделать зеркальное отражение, то получится энантиомер. Она не совмещаема со своим зеркальным отображением. Можно попробовать нарисовать её. Нет необходимости каждый раз рисовать зеркальное изображение справа. Мы можем нарисовать слева. Зеркальное отображение будет выглядеть так. Здесь фтор, углерод, углерод, хлор. Здесь получаются 2 водорода, затем ещё 1 водород здесь, и вот здесь у нас будет бром. Неважно, будете вы переворачивать молекулы или делать что-то еще, вы никогда не сможете ее совместить вот с этой, поэтому здесь у нас 2 энантиомера. Они оба являются стереоизомерами по отношению друг к другу. И каждый из них является хиральной молекулой. Сейчас у нас уже заканчивается время, которое обычно отводится на видео, поэтому мы продолжим в следующем видео и постараемся успеть больше.

История

Хиральность молекул была открыта Л. Пастером в 1848 году. Пастер обратил внимание на то, что кристаллы, выпадающие из раствора рацемического тартрата натрия -аммония , имеют две формы, представляющие собой зеркальные отражения, которые не совмещаются друг с другом в пространстве. Напротив, кристаллы индивидуального правовращающего тартрата натрия-аммония имели одинаковую форму с малыми плоскостями, направленными в одну сторону. Пастер провёл подобные кристаллизации с тринадцатью энантиомерно чистыми соединениями (различными тартратами и винной кислотой), а также с шестью рацемическими тартратами и сделал вывод о существовании хиральности молекул и объяснил ранее неизвестный вид изомерии винных кислот - энантиомерию .

Структурная трактовка хиральности стала возможной после введения в 1874 году Я. Вант-Гоффом и Ж. Ле Белем концепции асимметрического атома углерода, то есть тетраэдрического атома углерода с четырьмя различными заместителями .

Понятие хиральности было введено лордом Кельвином в конце XIX в.

Я называю какую-либо геометрическую фигуру, или группу точек, хиральной и говорю, что она обладает хиральностью, если её изображение в идеальном плоском зеркале не может быть с ней совмещено.

Оригинальный текст (англ.)

I call any geometrical figure, or group of points, chiral, and say it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself.

У. Т. Кельвин. Балтиморские лекции по молекулярной динамике и волновой теории света, 1904

Симметрия хиральных молекул

Виды хиральности

В зависимости от элемента молекулы, наличие которого приводит к возникновению хиральности, различают следующие виды хиральности:

Центральная хиральность

Основная статья: Центральная хиральность

Центральная хиральность возникает в результате наличия в молекуле центра хиральности (хирального центра), которым, как правило, является асимметрический атом углерода , имеющий 4 различных заместителя. Хиральными центрами могут быть также атомы , , , реже - . В хиральных производных адамантана центр хиральности находится в середине углеродного каркаса, где атомов нет вовсе .

Аксиальная (осевая) хиральность

Основная статья: Аксиальная хиральность

Аксиальная хиральность возникает в результате неплоского расположения заместителей относительно некоторой оси - оси хиральности . Ось хиральности существует в несимметрично замещённых алленах. sp -гибридный атом углерода в аллене имеет две взаимно перпендикулярные p -орбитали. Их перекрывание с p -орбиталями соседних атомов углерода приводит к тому, что заместители в аллене лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Подобная ситуация наблюдается также в замещённых бифенилах , в которых вращение вокруг связи, соединяющей ароматические кольца , затруднено, а также в спироциклических соединениях.

Планарная хиральность

Основная статья: Планарная хиральность

Плоскость хиральности присутствует в производных ферроцена , замещённых парациклофанах и др. При помощи данного термина описывают хиральное расположение внеплоскостных элементов молекулы относительно плоскости хиральности .

Спиральная хиральность

Спиральная хиральность характерна для соединений, имеющих элементы в форме спирали, пропеллера или винта, например для гелиценов . Шесть ароматических колец в гексагелицене не могут уложиться в одной плоскости, поэтому образовывают спираль, которая может быть закручена влево или вправо. Данный вид хиральности наблюдается также в белках и нуклеиновых кислотах .

Топологическая хиральность

Топологическая хиральность связана с наличием структурной несимметричности, характерной для супрамолекул , например, катенанов , ротаксанов , молекулярных узлов .

Хиральность соединений со стереогенной парой электронов

Хиральность в биологии

Многие биологически активные молекулы обладают хиральностью, причём природные аминокислоты и сахара представлены в природе преимущественно в виде одного из энантиомеров : аминокислоты, в основном, имеют l -конфигурацию, а сахара - d -конфигурацию .

Две энантиомерные формы одной молекулы обычно имеют различную биологическую активность. Это связано с тем, что рецепторы , ферменты , антитела и другие элементы организма также обладают хиральностью, и структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию. Например, ферменты , являющиеся хиральными молекулами, часто проявляют специфическую реакционную способность по отношению к одному из энантиомеров. Подобные примеры характерны и для лекарственных соединений. Так, биологической активностью обладает лишь один энантиомер ибупрофена - (S )-(+)-ибупрофен, в то время как его оптический антипод (R )-(−)-ибупрофен в организме неактивен .

Гомохиральность

Основная статья: Гомохиральность

За редкими исключениями, природные хиральные аминокислоты и моносахариды представлены в виде единственного изомера из двух возможных. Так, в состав белков входят практически исключительно l -аминокислоты, а ДНК и РНК построены только на основе d -углеводов . Данное свойство химических соединений называется гомохиральностью (хиральной чистотой). Происхождение и назначение данного явления до конца не установлены, однако его часто связывают с проблемой происхождения жизни .

Хиральность - это способность объекта существовать в двух зеркально-симметричных формах, например, как левая и правая ладони. Научные исследования показывают, что каким-то образом разделение на "лево" и "право" является обязательным условием существования жизни! Ведь хиральность присуща не только материальным объектам, но и молекулам. Это явление было открыто в середине XIX века Луи Пастером, который исследовал химическую асимметрию цитоплазмы живых клеток.

Как известно, органические молекулы содержат в себе большое число различных атомов и имеют пространственную структуру. Иногда одни и те же атомы могут располагаться в теле молекулы различным образом. Это называется изомерия. А зеркально-симметричные формы изомеров, одинаковые, но как бы закрученные в разные стороны, называются энантиомерами . От того, в какую сторону вращается молекула, полностью зависят свойства вещества, они по-разному вступают в реакции и взаимодействуют с другими веществами, особенно биологическими, а как лекарства имеют различные эффекты.

Например, энантиомеры вращают в разные стороны плоскость поляризации света при прохождении его через раствор. Кстати, по направлению вращения плоскости поляризации их и разделяют на L-формы (или S-формы, лево-вращающие) и D-формы (или R-формы, право-вращающие). Другие примеры явлений, в которых непосредственно проявляет себя явление хиральности, - это хроматография и электрофорез. Ещё большую роль хиральность играет в жизнедеятельности и развитии живых организмов, формировании симметрии их тел, процессах деления клеток и развитии зародыша. Так, L–листья фасоли превосходят D–листья по интенсивности фотосинтеза и дыхания, а также по содержанию пигментов (хлорофиллов a и b, лютеина, виолоксантина и каротина), и обладают также большей засухо– и жароустойчивостью. Микроорганизмы образуют колонии только определённой (L или D) спиральной структуры. Подавляющее большинство раковин моллюсков также закручены влево (L).

Всем неживым системам присуща обычная симметрия, а живым - зеркальная. Все органические соединения способны образовывать энантиомеры, но только один из этих энантиомеров ("левый" или "правый") способен поддерживать жизнь. Поэтому все рецепторы, ферменты, гормоны, антитела и прочие элементы организма присутствуют в организмах только в одной из своих зеркально-симметричных форм. Так, все сахара (углеводы), нуклеотиды, ДНК и РНК имеют D-конфигурацию, а все молекулы ферментов, аминокислот и белков - L-конфигурацию.

Биологи без преувеличения утверждают, что хиральность является тем необходимым свойством материи, которое даёт ей жизнь. Но существование всех биологических веществ в природе только в одной своей хиральной форме ставит жирный крест на Теории Эволюции. Ведь вероятность образования даже сравнительно небольшого протеина из 100 аминокислот только L-конфигурации составляет "два в минус сотой степени" или "десять в минус тридцатой"! При этом происхождение хиральности остаётся полной загадкой, и у науки нет никакого ответа на вопрос, почему в природе остались только L или D изомеры, а их энантиомеры полностью исчезли.

Хиральность имеет решающее значение при создании лекарств. Если синтезировать в лабораторных условиях какое-либо сложное органическое вещество, то получится так называемая рацемическая смесь , в составе которой в равных количествах будут присутствовать L и D-изомеры. Поскольку их биохимические свойства различны, фармацевты вынуждены отделять энантиомеры друг от друга. Так, только S-форма ибупрофена обладает антивоспалительным действием, его R-форма неактивна. Другой пример: только L-тироксин является гормоном щитовидной железы человека, а его D-форма - опасное токсичное вещество.

Последние исследования раковых клеток показало, что в них наблюдается повышенное содержание энзима изомеразы (AMACR), которая ответственна за хиральную инверсию - превращение "мёртвых" энантиомеров в "живые". Поэтому биологи называют одной из причин раковых заболеваний - употребление неправильных энантиомеров: искусственно синтезированных сахаров, жиров и вкусовых добавок, которые по сути являются рацемическими смесями. Ещё один пример: лишь направление вращения отличает искусственно созданный в лабораторных условиях D-никотин от всем известного L-никотина, который входит в состав любого табака, но если первое соединение нейтрально для организма человека, то по раковым заболеваниям лёгких уверено лидируют курильщики.

Интересно, что явление хиральности отражено в древних учениях об организме человека. Так, в системе йоги указано на существование в теле человека трёх каналов - левого, правого и центрального. По левому каналу энергия движется, вращаясь против часовой стрелки, а по правому каналу - по часовой стрелке. Боги-Хранители каналов - Шива и Брахма - имеют в качестве атрибутов свастики, показывающие направление вращения. Система раздельного питания предполагает употребление белков (то есть веществ, имеющих L-конфигурацию) для очищения левого канала и употребление углеводов и жиров (веществ, имеющих D-конфигурацию) для очищения правого канала. Большое внимание также уделяется правильному направлению вращения чакр, которое служит основой здоровья и долголетия.

Курсовая работа на тему

“Хиральность, возможные механизмы ее возникновения. Роль хиральности в процессе старения”

Выполнила:

студентка четвертого курса

факультета биоинженерии

и биоинформатики

МГУ им. М.В. Ломоносова

Ганчарова Ольга Сергеевна

I. Введение. Понятие хиральности. Хиральность в природе

Подавляющее большинство сколько-нибудь сложных молекул, содержащих более чем три атома, не имеет, плоскости и центра симметрии. Такие молекулы дисимметричны, хиральны. Термин «хиральность» (от древнегреческого хейр - рука, ср. хирургия, хиромантия) означает несовпадение некоторой структуры с ее зеркальным отражением. Хиральные вещества могут фигурировать в двух формах - правой и левой. Эти две конфигурации нельзя совместить друг с другом никаким поворотом системы как целого в пространстве, они относятся друг к другу, как правая и левая руки

В мире молекул чаще всего приходится встречаться с хиральностью, определяемой так называемым асимметрическим атомом углерода (обычно отмечаемым звездочкой, см. с. 36). В насыщенных (алифатических) органических соединениях четыре валентных связи углерода расположены под тетраэдрическими углами друг к другу. Если две валентности из четырех связывают одинаковые группы, как, например, в молекуле CX2YZ, то плоскость CYZ является плоскостью симметрии и хиральность отсутствует. Атом углерода асимметричен, если все четыре группы, с которыми он связан, различаются-C*XYZV. Такая молекула не имеет пи плоскости, ни центра симметрии. Тем самым хиральность свойственна 19 каноническим аминокислотам (всем, кроме глицина H3N+ СН2С00-). На рис. 2.11 показаны правая (D) и левая (L) конфигурации аланина (зеркальные антиподы или энантиомеры).

В химическом синтезе из исходных симметричных молекул вещество всегда получается в виде рацемической смеси, содержащей по 50% правого и левого антипода. Это следует из второго начала термодинамики - рацемат отвечает максимальной энтропии.

Удивительным свойством живой природы является фиксация в организмах всех важнейших биологических молекул, начиная с аминокислот, в одной определенной конфигурации. Аминокислотные остатки в белках всегда являются «левыми», L-формами (рис. 2.11).

Правые и левые формы одинаково реагируют с симметричными молекулами. Они различаются своим взаимодействием с поляризованным светом. Хиральные вещества в отличие от их рацемических смесей вращают плоскость поляризации света в разные стороны и по-разному поглощают свет, поляризованный по кругу вправо и влево (см. гл. 6). Биологические L-аминокислоты названы так не потому, что они вращают плоскость поляризации света влево, а D-аминокислоты - вправо. Среди L-аминокислот есть как лево-, так и правовращающие. Исходным для L-ряда органических соединений служит левовращающий глицериновый альдегид ОСН-С*Н(ОН) - СН20Н. Все L-соединения можно в принципе получить из него путем замещения соответствующих атомов и групп, присоединенных к С*, без изменения общей конфигурации молекулы.

Хиральность свойственна и белкам, и углеводам, и нуклеиновым кислотам, и ряду низкомолекулярных соединений в клетке. Углеводы в ДНК и РНК всегда фигурируют в D-форме. Азотистые основания имеют плоское строение и, следовательно, лишены хиральности. В. процессах метаболизма, происходящих без рацемизации, т. е. без превращений зеркальных антиподов друг в друга, клетка усваивает лишь те из них, которым отвечают структуры ее биологических молекул. Организм усваивает L- но не D-аминокислоты. Попав в «антимир», в котором растения и животные содержат молекулы с противоположными конфигурациями, земной организм погиб бы от голода. Для организма D- и L-антиподы разнятся. Известны вещества, ядовитые в одной форме и безвредные в зеркальной форме; L-аспарагиновая кислота безвкусна, ее антипод сладок. Еще Пастер установил, что некоторые бактерии питаются преимущественно одним антиподом данного вещества.

Выделение чистых антиподов in vitro из рацемических смесей (асимметрический синтез) осуществляется с помощью хиральных веществ биологического происхождения (обычно алкалоидов). Действуя на рацемическую смесь (D, L) соединением L’, получаем (D, L)+ L’ = DL’ + LL’ Соединения DL" и LL’ уже не являются зеркальными антиподами (ими были бы DL" и LD"). Поэтому физико-химические свойства DL’ и LL’ различаются, и можно разделить эти соединения, например, кристаллизацией.

Для разделения антиподов необходимо асимметрическое воздействие вещества или существа, знающего разницу между правым и левым. Зеркальные антиподы были открыты Пастером в 1848 г. Он изучал винную кислоту и установил, что у нее имеются правые и левые формы кристаллов. Сортируя их, Пастер получил чистые антиподы винной кислоты. Он играл роль асимметрического фактора - человек сам «хирален» и знает разницу между правым и левым. Хиральность существует в живой природе как на молекулярном, так и на более высоких уровнях организаций. Она определяется в конечном счете «хиральной» регуляцией ферментативных процессов. На рис. 2.12 показаны две формы раковины корненожки Neogloboquadrina packyderma. Раковины, закрученные по часовой стрелке, образуются при температуре, меньшей 7°С, закрученные против часовой стрелки - при более высоких температурах.

В природе хиральность может быть молекулярной или кристаллической. В первом случае она сохраняется - при плавлении или растворении вещества (например, сахар), во втором - она свойственна лишь кристаллическому состоянию. Кварц построен из симметричных молекул Si02, но кристаллизуется в правой или левой формах, обладающих противоположной оптической активностью. При плавлении кварца оптическая активность исчезает. В любом месторождении число правых и левых кристаллов в среднем одинаково. Соответственно можно выделить чистый антипод кристаллизацией, поместив в рацемическую смесь нерацемическую правую или левую затравку.

Итак, в живой природе имеется фиксация в биологических структурах какой-либо одной формы хиральных веществ (например в ДНК и РНК всегда D-форма углеводов). С позиции биофизики это объясняется фиксацией информации, то есть выбородного антипода равнозначен информации в 1 бит.

Как асимметрия проявляется в живой природе? Какую специфику хиральность имеет в белках и нуклеиновых кислотах? Почему хиральность свидетельствует о том, что жизнь зародилась только однажды? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий.

Одной из замечательных особенностей жизни, как мы ее знаем, и живых молекул, которые мы выделяем из живых организмов, является их асимметрия. Что мы имеем в виду? «Асимметрия» - слово очень многозначное, поэтому требуются разъяснения. Речь идет об асимметрии в отношении правого и левого. Каждая из наших ладоней асимметрична. Если мы их сложим, то увидим, что одна ладонь является зеркальным отражением другой. Одну мы называем правой, другую мы называем левой. Если мы левую ладонь приложим к зеркалу, то в зеркале получится ее зеркальное отражение, которое будет идентично нашей правой ладони. Они могут быть полностью совмещены - отражение левой ладони в зеркале и правая ладонь.

Это свойство асимметрии получило название хиральности именно от ладони, потому что греческое слово χείρ означает «ладонь». Отсюда взяло начало одно из присущих нашему обществу шарлатанств - хиропрактика, угадывание судьбы или болезни по ладоням. Но слово «хиральность» вошло в науку. Когда мы говорим «хиральность», сразу понятно, о какой именно асимметрии идет речь - асимметрии относительно зеркального отражения.

Человеческое тело асимметрично, хотя сразу это не очевидно. Если мы встанем в симметричную позу, то будет казаться, что у нас имеется плоскость симметрии, что если нас отразить в этой плоскости, то ничего не изменится. Но это внешнее впечатление. Мы знаем, что наши внутренние органы не такие, мы знаем, что сердце у нас смещено в левую сторону, поэтому такое отражение не приведет к тождественному результату.

Эта асимметрия нашего организма берет начало на самом глубоком молекулярно-атомном уровне - от асимметричного атома углерода. Углерод четырехвалентный, и в одной из своих двух наиболее распространенных форм он является тетраэдрическим. Что это значит? Это значит, что атом углерода располагается в середине правильного тетраэдра. Тетраэдр - это фигура, которая имеет четыре вершины. И углерод располагается в центре, так что расстояние до всех четырех вершин одинаковое, и связи углерода с группами, расположенными в вершинах, - это химические связи, их четыре, поэтому углерод четырехвалентен.

Если все группы, которые находятся в вершинах, разные, то углерод будет хиральным, или асимметричным, его отражение в зеркале невозможно будет совместить с ним самим. Если хотя бы две из групп одинаковые, то углерод перестает быть хиральным, он называется ахиральным, или симметричным. Это свойство углерода чрезвычайно важно для понимания биологических молекул и биологической асимметрии.

Два основных химических компонента клетки - это белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Белки состоят из аминокислот, а ДНК и РНК состоят из нуклеотидов. Аминокислоты очень простые соединения, они состоят из трех групп: аминогруппа NH2, потом идет углерод, который соединяется с этой группой и соединяется с третьей группой - карбоксильной группой COOH. В середине в аминокислоте этот основной углерод кроме двух связей - с аминогруппой и карбоксильной группой - еще всегда имеет водород. И четвертая связь идет к группе, которая определяет индивидуальность аминокислоты.

Таких групп в канонических, или биологических, аминокислотах, которые входят в состав белков, ровно двадцать.

Ровно двадцать разных аминокислот входят в состав белков. У простейшей из них четвертая группа, о которой мы говорили, - это тоже водород, поэтому эта аминокислота называется глицин, и она является ахиральной. Это вообще единственная ахиральная аминокислота. Все остальные девятнадцать хиральны, потому что у них четвертая группа отличается от всех трех остальных. Поэтому все аминокислоты, кроме глицина, асимметричны.

Если мы будем синтезировать любую хиральную аминокислоту химически, то всегда получим смесь одинакового количества молекул, которые будут иметь одну хиральность и противоположную хиральность, - мы будем иметь половину молекул одного типа, а половина молекул будет являться зеркальным отражением первой половины. И так будет всегда, если мы будем синтезировать чисто химическим путем.

Если мы порубим белки на отдельные аминокислоты и посмотрим, что в этом случае получим, - мы получим только один тип аминокислот. Второго типа мы вообще не увидим. Все аминокислоты во всех живых организмах имеют одну и ту же хиральность, это только один из двух возможных стереоизомеров - два разных типа, различающихся как наши две ладони, называются стереоизомерами. Имеется только один стереоизомер. Он называется левым. Это условность. Важно, что он один. Это общее свойство всех живых организмов - все аминокислоты только одного типа.

Это замечательное свойство живого, его асимметрию впервые обнаружил великий французский ученый XIX века Луи Пастер, один из гигантов в истории науки. С него началась современная микробиология, с него началась современная иммунология, и он первый убедительно показал раз и навсегда, что живые существа не могут возникать из неживой материи, он опроверг существовавший многие века предрассудок, что жизнь может возникнуть из неживого материала. И он показал, что живые молекулы, молекулы из живых организмов, обладают асимметрией.

Эта же асимметрия в отношении правого и левого присуща не только аминокислотам, но и нуклеотидам, которые образуют ДНК и РНК. Нуклеотиды тоже состоят из трех элементов, но этими элементами являются фосфатная группа, сахар и азотистое основание. Фосфатная группа и азотистое основание ахиральны, они симметричны, а сахар асимметричен. В сахаре всегда есть как минимум два углерода, которые являются ахиральными, и поэтому сахар ахиральный. И так же, как в случае аминокислот, все сахара в естественных ДНК и РНК имеют одну хиральность. В данном случае они называются правыми - это опять условность.

Из-за этой хиральности на уровне сахара возникает хиральность на уровне структуры ДНК. ДНК - правая. Когда мы говорим о правой спирали, то мы имеем в виду, что это винтовая линия, которая закручена так же, как у шурупов, которыми мы пользуемся. Когда мы вкручиваем шуруп - у него резьба правая, то есть, когда мы ведем палец от нас, он идет по часовой стрелке, направо, поэтому она называется правой нарезкой. Ровно такая же правая спираль - двойная спираль ДНК. И это проявление того, что только один из возможных сахаров, стереоизомеров сахара присущ биологии, присущ природе.

Это совершенно удивительная вещь, она свидетельствует - мы имеем и другие свидетельства - о том, что . Потому что, если мы химически синтезируем эти соединения, то мы всегда получаем смесь. То, что мы видим только один стереоизомер во всех проявлениях жизни, где бы мы ни смотрели, означает, что все эти проявления жизни родственны, то есть они все начались от одного прародителя, который и породил все разнообразие жизни, которое мы знаем. Поэтому мы не имеем жизни с другой хиральностью - только с одной.