Хіральність у живій і неживій природі

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 68

Хіральність — це несумісність об’єкта зі своїм дзеркальним відображенням будь-якої комбінації обертань і переміщень у тривимірному просторі. Мова йде тільки про ідеальний плоский дзеркал. У ньому правша перетворюється на шульгу і навпаки.

Хіральність типова для рослин і тварин, і сам термін походить від греч.   — рука.

Є праві і ліві черепашки і навіть праві і ліві дзьоби у клестів (рис. 1).

Ріс. 1. Фото з сайту ru.wikipedia.org («Троїцький варіант» № 24 (218), 06.12.2016) ‘) «» >

Ріс. 1. Фото з сайту ru.wikipedia.org

«Дзеркальність» поширена і в неживій природі (рис. 2).

Ріс. 2. Фото з сайту scienceblogs.com

Ріс. 3. Фото з сайту www.bookofjoe.com

Останнім часом стали модні «хіральні», тобто дзеркальний годинник (зверніть увагу на напис на циферблаті) (рис. 3).

І навіть у лінгвістиці є місце хіральності! Це паліндроми: слова та речення-перевертиші, наприклад: Я ВДАРЮ ДЯДЮ, ТЬОТУ РАДУЮЧИ, Я ВДАРЮ ТЬОТУ, ДЯДЮ РАДУЮЧИ АБО ЛЕЕНСОН — УДАВ, АЛЕ ВІН В ПЕКЛІ НІС НЕ ЇВ!

Дуже важлива хіральність для хіміків і фармацевтів. Хімія займається об’єктами в наномасштабі (модне слово «нано» походить від греків. Хіральності в хімії присвячена монографія, на обкладинці якої (на фото праворуч) — хіральні колони і дві хіральні молекули гексагеліцена (від helix — спіраль).

А важливість хіральності для медицини символізує обкладинка червневого номера американського журналу Journal of Chemical Education за 1996 рік (рис. 4). На боці пса, що добродушно виляє хвостом, зображена структурна формула пеніцилламіну. Пес дивиться в дзеркало, а звідти на нього дивиться страшний звір з оскаленою кликастою пасттю, палаючими вогнем очима і повстала дибки вовною. На боці звіра зображена та ж сама структурна формула у вигляді дзеркального відображення першої. Назва опублікованої в цьому номері статті про лікарські хіральні засоби була не менш красномовною: «Коли молекули ліків виглядають у дзеркало». Чому ж «дзеркальне відображення» так драматично змінює вигляд молекули? І як дізналися, що дві молекули є «дзеркальними антиподами»?

Ріс. 4. Обкладинка червневого номера американського журналу Journal of Chemical Education за 1996 рік (на фото ліворуч з сайту pubs.acs.org) і обкладинка монографії, присвяченої хіральності в хімії (фото з сайту www.twirpx.com)

Поляризація світла і оптична активність

З часів Ньютона в науці йшли суперечки про те, чи являє світло собою хвилі або частинки. Ньютон вважав, що світло складається з частинок з двома полюсами — «північним» і «південним». Французький фізик Етьєн Луї Малюс, ввів поняття про поляризоване світло, з одним напрямком «полюсів». Теорія Малюса не підтвердилася, проте назва залишилася.

У 1816 році французький фізик Огюстен Жан Френель висловив незвичайну для того часу ідею про те, що світлові хвилі — поперечні, як хвилі на поверхні води.

Френель пояснив і явище поляризації світла: у звичайному світлі коливання відбуваються хаотично, у всіх напрямках, перпендикулярних напрямку променя. Але, пройшовши через деякі кристали, наприклад ісландського шпата або турмаліну, світло набуває особливих властивостей: хвилі в ньому коливаються тільки в одній площині. Образно кажучи, промінь такого світла подібний вовняній нитці, яку продернули через вузьку щілину між двома гострими лезами бритви. Якщо другий такий самий кристал поставити перпендикулярно першому, поляризоване світло через нього не пройде.

Відрізнити звичайне світло від поляризованого можна за допомогою оптичних приладів — поляриметрів; ними користуються, наприклад, фотографи: поляризаційні фільтри допомагають позбутися від бліків на фотографії, які виникають при відбитті світла від поверхні води.

Виявилося, що при проходженні поляризованого світла через деякі речовини площина поляризації повертається. Вперше це явище виявив у 1811 році французький фізик Франсуа Домінік Араго у кристалів кварцу. Це пов’язано з будівлею кристала. Природні кристали кварцу асиметричні, причому вони бувають двох типів, які відрізняються за своєю формою, як предмет від свого дзеркального зображення (рис. 5). Ці кристали обертають площину поляризації світла в протилежних напрямках; їх назвали право- і ліворуч.

Ріс. 5. «Лівий» і «правий» кристали кварцу

У 1815 році французький фізик Жан Батіст Біо і німецький фізик Томас Йоганн Зеєбек з’ясували, що деякі органічні речовини, наприклад цукор і скипидар, також мають здатність обертати площину поляризації, причому не тільки в кристалічному, але і в рідкому, розчиненому і навіть газоподібному станах. Виявилося, що кожен «колірний промінь» білого світла повертається на різний кут. Найсильніше повертається площина поляризації для фіолетових променів, найменше — для червоних. Тому безбарвна речовина в поляризованому світлі може стати пофарбованою.

Як і у випадку кристалів, деякі хімічні сполуки могли існувати у вигляді як право-, так і ліворуч різновидів. Однак залишалося неясним, з якою властивістю молекул пов’язане це явище: найбільш ретельний хімічний аналіз не міг виявити між ними ніяких відмінностей! Такі різновиди речовин назвали оптичними ізомерами, а самі сполуки — оптично активними. Виявилося, що в оптично активних речовин є і третій тип ізомерів — оптично неактивні. Це виявив у 1830 році знаменитий шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус: виноградна кислота S₄N₆O₆ оптично неактивна, а винна кислота точно такого ж складу володіє в розчині правим обертанням. Але ніхто не знав, чи існує «ліва», яка не зустрічається в природі, винна кислота — антипод правовращающей.

Відкриття Пастера

Луї Пастер. Фото з сайту ru.wikipedia.org

Оптичну активність кристалів фізики пов’язували з їх асиметричністю; повністю симетричні кристали, наприклад кубічні кристали кухонної солі, оптично неактивні. Причина ж оптичної активності молекул довгий час залишалася абсолютно загадковою. Перше відкриття, яке проливало світло на це явище, зробив у 1848 році нікому тоді не відомий французький вчений Луї Пастер. Ще в студентські роки він зацікавився хімією і кристалографією, працюючи під керівництвом вищезгаданого Жана Батіста Біо і видатного французького хіміка-органіка Жана Батіста Дюма. Після закінчення Вищої нормальної школи в Парижі молодий (йому було всього 26 років) Пастер працював лаборантом у Антуана Балара. Балар був уже відомим хіміком, який за 22 роки до цього прославився відкриттям нового елемента — брому. Своєму асистенту він дав тему з кристалографії, не припускаючи, що це призведе до видатного відкриття.

Під час дослідження Пастер приготував розчин натрієво-амонієвої солі оптично неактивної виноградної кислоти і повільним випарюванням води отримав красиві призматичні кристали цієї солі. Кристали ці, на відміну від кристалів виноградної кислоти, виявилися асиметричними. У частини кристалів одна характерна грань знаходилася праворуч, а у інших — ліворуч, причому за формою два типи кристалів були ніби дзеркальним відображенням один одного.

Тих та інших кристалів вийшло порівну. Знаючи, що в подібних випадках кристали кварцу обертають в різні боки, Пастер вирішив перевірити, чи не буде спостерігатися це явище і на отриманій ним солі. Озброївшись збільшувальним склом і пінцетом, Пастер акуратно розділив кристали на дві купки. Їхні розчини, як і слід було очікувати, мали протилежне оптичне обертання, а суміш розчинів була оптично неактивною (права і ліва поляризації взаємно компенсувалися). Пастер на цьому не зупинився. З кожного з двох розчинів за допомогою сильної сірчаної кислоти він витіснив більш слабку органічну кислоту. Можна було припустити, що в обох випадках вийде вихідна виноградна кислота, яка оптично неактивна. Однак виявилося, що з одного розчину утворилася зовсім не виноградна, а відома правовращающая винна кислота, а з іншого розчину вийшла теж винна кислота, але обертає вліво! Ці кислоти отримали назву d-винної (від лат. dexter — правий) і l-винної (від лат. laevus — лівий). Надалі напрямок оптичного обертання стали позначати знаками (+) і (-), а абсолютну конфігурацію молекули в просторі — літерами R і S. Отже, неактивна виноградна кислота виявилася сумішшю рівних кількостей відомої «правої» винної кислоти і раніше невідомої «лівої». Саме тому рівна суміш їх молекул в кристалі або в розчині не володіє оптичною активністю. Для такої суміші почали застосовувати назву «рацемат», від лат. racemus — виноград. Два антиподи, що дають при змішанні в рівних кількостях оптично неактивну суміш, отримали назву енантіомерів (від гречки.

Зрозумівши значення свого експерименту, Пастер вибіг з лабораторії і, зустрівши лаборанта фізичного кабінету, кинувся до нього і вигукнув: «Я щойно зробив велике відкриття!» До речі, Пастеру дуже пощастило з речовиною: надалі хіміки виявили всього кілька подібних випадків кристалізації при певній температурі суміші оптично різних кристаликів, достатньо великих, щоб їх можна було під лупою розділити пінцетом.

Пастер відкрив ще два методи поділу рацемату на два антиподи. Біохімічний метод заснований на виборчій здатності деяких мікроорганізмів засвоювати тільки один з ізомерів. Під час відвідин Німеччини один з аптекарів дав йому давно стояла склянку з виноградною кислотою, в якій завелася зелена цвіль. У своїй лабораторії Пастер виявив, що колишня колись неактивною кислота стала лівовертальною. Виявилася, що зелений пліснявий грибок Penicillum glaucum «поїдає» тільки правий ізомер, залишаючи лівий без зміни. Така ж дія надає ця цвіль на рацемат мигдальної кислоти, тільки в даному випадку вона «поїдає» лівовертальний ізомер, не чіпаючи правовращающий.

Третій спосіб поділу рацематів був чисто хімічним. Для нього потрібно було мати оптично активну речовину, яка при взаємодії з рацемічною сумішшю по-різному зв’язувалася б до кожних з енантіомерів. У результаті дві речовини в суміші не будуть антиподами (енантіомерами) і їх можна буде розділити як дві різні речовини. Це можна пояснити такою моделлю на площині. Візьмемо суміш двох антиподів — Я і R. Їх хімічні властивості однакові. Внесемо в суміш несиметричний (хіральний) компонент, наприклад Z, який може реагувати з будь-якою ділянкою в цих енантіомерах. Отримаємо дві речовини: ЯZ і ZR (або ЯZ і RZ). Ці структури не є дзеркально симетричними, тому такі речовини будуть чисто фізично відрізнятися (температурою плавлення, розчинністю, ще чим-небудь) і їх можна розділити.

Пастер зробив ще багато відкриттів, серед яких щеплення проти сибірки і сказу, ввів методи асептики і антисептики.

Дослідження Пастера, яке доводить можливість «розщеплення» оптично неактивної сполуки на антиподи — енантіомери, спочатку викликало у багатьох хіміків недовіру, проте, як і подальші його роботи, привернуло найпильнішу увагу вчених. Незабаром французький хімік Жозеф Ашіль Ле Бель за допомогою третього пастерівського методу розщепив кілька спиртів на оптично активні антиподи. Німецький хімік Йоганн Вісліценус встановив, що існують дві молочні кислоти: оптично неактивна, що утворюється в скислому молоці (молочна кислота бродіння), і правовертаюча, яка з’являється в працюючому м’язі (м’ясомолочна кислота). Подібних прикладів ставало все більше, і була потрібна теорія, що пояснює, чим же відрізняються одна від одної молекули антиподів.

Теорія Вант-Гоффа

Якоб Хендрік Вант-Гофф. Фото з сайту ru.wikipedia.org

Таку теорію створив молодий голландський вчений Якоб Хендрік Вант-Гофф, який 1901 року отримав першу в історії Нобелівську премію з хімії. Згідно з його теорією, молекули, як і кристали, можуть бути хіральними — «правими» і «лівими», будучи дзеркальним відображенням один одного. Найпростіший приклад — молекули, в яких є так званий асиметричний атом вуглецю, оточений чотирма різними групами. Це можна продемонструвати на прикладі найпростішої амінокислоти аланину. Дві зображені молекули неможливо поєднати в просторі ніякими поворотами (рис. 6, вгорі).

Багато вчених поставилися до теорії Вант-Гоффа недовірливо. А відомий німецький хімік-органік, видатний експериментатор, професор Лейпцизького університету Адольф Кольбе вибухнув різкою до непристойності статтею в Journal für praktische Chemie з єхидною назвою «Zeiche der Zeit» («Прикмети часу»). Він порівнював теорію Вант-Гоффа з «покидьками людського розуму», з «кокоткою, нарядженою в модні одягу і яка покрила обличчя белілами і румянами, щоб потрапити в порядне суспільство, в якому для неї немає місця». Кольбе писав, що «якомусь доктору Вант-Гоффу, який обіймає посаду в Утрехтському ветеринарному училищі, очевидно, не до смаку точні хімічні дослідження. Він визнав більш приємним сісти на Пегаса (ймовірно, взятого напрокат з ветеринарного училища) і повідати світу те, що побачив з хімічного Парнаса… Справжніх дослідників вражає, як майже невідомі хіміки беруться так впевнено судити про найвищу проблему хімії — питання про просторове становище атомів, яке, мабуть, ніколи не буде вирішено… Такий підхід до наукових питань недалекий від віри у відьом і духів. А таких хіміків слід було б виключити з лав справжніх вчених і зарахувати до табору натурфілєзів, які зовсім небагатьом відрізняються від спіритів «.

З часом теорія Вант-Гоффа отримала повне визнання. Кожен хімік знає, що, якщо в суміші порівну «правих» і «лівих» молекул, речовина в цілому буде оптично неактивною. Саме такі речовини і виходять в колбі в результаті звичайного хімічного синтезу. І тільки в живих організмах, за участю асиметричних агентів, наприклад ферментів, утворюються асиметричні сполуки. Так, у природі переважають амінокислоти та цукру лише однієї конфігурації, а утворення їх антиподів придушене. У деяких випадках різні енантіомери можна розрізнити і без всяких приладів — коли вони по-різному взаємодіють з асиметричними рецепторами в нашому організмі. Яскравий приклад — амінокислота лейцин: її правовращающий ізомер солодкий, а лівовертальний — гіркий.

Звичайно, тут же виникає питання про те, як же з’явилися на Землі перші оптично активні хімічні сполуки, наприклад та ж природна правовертаюча винна кислота, або як виникли «асиметричні» мікроорганізми, що живляться тільки одним з енантіомерів. Адже за відсутності людини нікому було здійснювати спрямований синтез оптично активних речовин, нікому було розділяти кристали на праві і ліві! Однак подібні питання виявилися настільки складними, що однозначної відповіді на них немає і понині. Вчені сходяться лише в тому, що існують асиметричні неорганічні або фізичні агенти (асиметричні каталізатори, поляризоване сонячне світло, поляризоване магнітне поле), які могли дати початковий поштовх асиметричному синтезу органічних речовин. Подібне явище ми спостерігаємо і в разі асиметрії «речовина — антивіщення», оскільки всі космічні тіла складаються тільки з речовини, а відбір стався на найбільш ранніх стадіях утворення Всесвіту.

Хіральні ліки

Хіміки часто ставляться до енантіомерів як до однієї сполуки, оскільки їх хімічні властивості ідентичні. Однак їхня біологічна активність може бути зовсім різною. Людина — істота хіральна. І це відноситься не тільки до його зовнішнього вигляду. «Праві» і «ліві» ліки, взаємодіючи з хіральними молекулами в організмі, наприклад з ферментами, можуть діяти по-різному. «Правильні» ліки підходять до свого рецептора як ключ до замку і запускають бажану біохімічну реакцію. Дія ж «неправильного» антипода можна уподібнити спробі потиснути правою рукою ліву руку свого гостя. Необхідність в оптично чистих енантіомерах пояснюється також тим, що часто тільки один з них володіє необхідним терапевтичним ефектом, тоді як другий антипод може в кращому випадку бути марним, а в гіршому — викликати небажані побічні ефекти або навіть бути токсичним. Це стало очевидним після гучної трагічної історії з талідомідом — лікарським засобом, який призначали в 1960-ті роки вагітним жінкам як ефективне снодійне і заспокійливе. Однак з часом проявилася його побічна тератогенна (від греч.лабер — чудовисько) дія, і на світ з’явилася маса немовлят з вродженими виродками. Лише в кінці 1980-х років з’ясувалося, що причиною нещасть був тільки один з енантіомерів талідоміду — правовращающий — і тільки лівовращающий ізомер є потужним транквілізатором (рис. 6, внизу). На жаль, така відмінність у дії лікарських форм раніше не була відома, тому талідомід, який продається, був рацемічною сумішшю обох антиподів. Вони відрізняються взаємним розташуванням у просторі двох фрагментів молекули.

Ріс. 6. Ліки-паліндроми

Ще один приклад. Пеніцилламін, структура якого була намальована на собаці і вовці на обкладинці журналу, — досить просте похідне амінокислоти цистеїну. Цю речовину застосовують при гострих і хронічних отруєннях міддю, ртуттю, свинцем, іншими важкими металами, оскільки вона володіє здатністю давати міцні комплекси з іонами цих металів; комплекси видаляються нирками. Застосовують пеніцилламін також при різних формах ревматоїдного артриту, в ряді інших випадків. При цьому застосовують тільки «ліву» форму препарату, оскільки «права» токсична і може призвести до сліпоти.

Буває і так, що кожен енантіомер має свою специфічну дію. Так, лівовертальний S-тироксин (лікарський препарат лівотроїд) — це природний гормон щитовидної залози. А правовращающий R-тироксин (декстроид) знижує вміст холестерину в крові. Деякі виробники придумують для подібних випадків торгові назви-паліндроми, наприклад, darvon і novrad для синтетичного наркотичного анальгетика і препарату від кашлю відповідно.

В даний час багато лікарських засобів випускаються у вигляді оптично чистих сполук. Їх отримують трьома методами: поділом рацемічних сумішей, модифікацією природних оптично активних з’єднань і прямим синтезом. Останній також вимагає хіральних джерел, оскільки будь-які інші традиційні методи синтезу дають рацемат. Це, до речі, одна з причин дуже високої вартості деяких ліків, оскільки спрямований синтез тільки одного з них — складне завдання. Тому не дивно, що з безлічі синтетичних хіральних препаратів, що випускаються в усьому світі, лише невелика частина є оптично чистою, решта — рацемати.

Про хіральність молекул див. також:

Голова Походження хіральної чистоти з книги Михайла Нікітіна «Походження життя».