Chiralita

Šroubovice s opačnou chiralitou (A: pravotočivá, B: levotočivá) aminokyseliny (L- a D-) Cahnova-Ingoldova-Prelogova pravidla pro určování R/S; číslování od nejtěžšího k nejlehčímu Chiralita označuje asymetrii prostorového rozložení objektu (např. molekuly), která je důležitá v některých oblastech vědy.

Jako chirální se označuje takový objekt, který není totožný se svým zrcadlovým obrazem, nemá střed ani rovinu symetrie, avšak může mít rotační osu symetrie. Vztah mezi objektem a jeho obrazem je podobný jako vztah mezi levou a pravou rukou. +more Chirální objekt a jeho obraz se označují jako enantiomorfy, v případě molekul se hovoří o enantiomerech.

Objekty, které nejsou chirální se označují jako achirální. Achirální objekty mohou být ztotožněny se svým zrcadlovým obrazem.

Objekty, které se vyskytují pouze v jedné formě se označují jako homochirální (např. přírodní aminokyseliny nebo sacharidy).

Chiralita v chemii

Chiralita je běžná zejména u molekul organických látek. Chirální molekula obsahuje jeden nebo více středů chirality (chirálních atomů), což jsou atomy, které mají své sousedy navázány zrcadlově asymetricky. +more Většinou se jedná o atom uhlíku se čtyřmi různými substituenty. Pro označení konfigurace na chirálním atomu se používají stereodeskriptory R a S. Postaví-li se model molekuly tak, aby substituent s nejnižší prioritou směřoval dozadu, potom pravotočivá resp. levotočivá orientace v popředí rozmístěných zbylých substituentů ve směru klesající priority udává R resp. S konfiguraci. Priorita se určuje nejprve dle protonového čísla bezprostředně vázaného atomu, dále hmotnost, v případě izotopů. Při shodě se zohledňuje priorita v následné sféře porovnávaných substituentů. Při výskytu násobné vazby se posuzuje takto vázaný atom jako kdyby jich bylo navázán násobný počet, avšak případný následný řetězec je dále vázaný jen na jednom z nich, a na zbylých jsou jen tzv. "fantomové atomy", atd. (jedná se o Cahnova-Ingoldova-Prelogova pravidla).

Základní stavební látky organismů (sacharidy, bílkoviny i nukleové kyseliny) mají chirální molekuly, tedy existují ve formě alespoň dvou optických izomerů (platí, že má-li molekula n středů chirality, je počet optických izomerů roven 2n).

Chiralita chemické látky je také podmínkou pro její optickou aktivitu.

Dva izomery se všemi optickými centry s inverzní konfigurací se nazývají enantiomery a mají shodnou většinu fyzikálních a chemických vlastností (teplota tání, rozpustnost), liší se znaménkem optické otáčivosti, mohou se lišit v chemické reaktivitě s opticky aktivními činidly a mohou tvořit chirální krystaly. Dva izomery s alespoň jedním stejně a alespoň jedním opačně konfigurovaným centrem chirality se nazývají diastereomery a mají rozdílné fyzikální a chemické vlastnosti.

Zdrojem molekulární chirality může být jaderná chiralita, která se díky zesílení například autokatalytickou reakcí projeví makroskopicky.

Chiralita v biologii

Protože základní stavební látky biologických systémů (sacharidy, bílkoviny i nukleové kyseliny) jsou chirální, přičemž organismy zpravidla využívají jen jednu z konfigurací, je chirálně závislá i biologická účinnost mnohých dalších látek. Existuje hypotéza že „levoruká“ chiralita v biologii mohla být způsobena α-deuterovaným (jinak achirálním) glycinem jako katalyzátorem a následným šíření této preference na jiné molekuly.

V případě sacharidů a aminokyselin je běžnější označení optických antipodů pomocí D, L systému, který vyplývá z tzv. Fischerovy projekce založené na konfiguraci nejjednoduššího monosacharidu - glyceraldehydu. +more Analogicky k R, S systému označování optických izomerů, stereodeskriptory D a L označují absolutní konfiguraci. Byly pojmenovány dle optické otáčivosti sacharidů z latinského dexter (pravý) a laevus (levý). S optickou otáčivostí obecně však nesouvisí, např. L-alanin je opticky pravotočivý.

Odlišná konfigurace přitom může způsobovat buď neúčinnost (známým příkladem je vitamín C a jeho výživově neúčinný protějšek), nebo mít jiné, mnohdy i fatální účinky. To se týká zejména odlišného působení u látek chemické regulace (hormony, alkaloidy apod. +more). K jedovatosti přitom stačí změna v jednom centru chirality u velké makromolekuly - např. posttranslační nahrazení α-L-aminokyseliny za α-D-aminokyselinu v proteinovém řetězci je základem účinnosti některých bílkovinných antibiotik či jedů (jedy pralesních žab).

Na chirální konfiguraci záleží také u vyráběných protijedů (antidot) a mnohých léčiv. Proto je nutné dbát na důslednou separaci enantiomerů ve farmakologii. +more K tomu byla vyvinuta celá řada účinných metodik.

Úzce související oblastí je i působení na smysly živočichů. Enantiomery mohou mít úplně odlišné senzorické vlastnosti, což je dáno chiralitou smyslových receptorů. +more Známým příkladem jsou látky způsobující různé vůně např. citrusového ovoce (limonen a příbuzné sloučeniny) či vůně kuchyňského koření (karvon a příbuzné sloučeniny pro mátovou, kmínovou a fenyklovou vůni). Změna v jednom centru chirality u esterů methylthiohexanolu může změnit ovocnou vůni ve čpavou cibulovou či sirnou.

Chiralita v optice

Látky s chirálními molekulami stáčejí rovinu polarizovaného světla.

Chiralita v částicové fyzice

Chiralita se uplatňuje také při popisu elementárních částic hmoty a jejich interakcí. Chiralita zde vystupuje i jako kvantové číslo jistých kvantových stavů (vlastní číslo operátoru chirality, kterým je tzv. +more pátá Diracova matice \gamma^5 := \mathrm{i}\gamma^0\gamma^1\gamma^2\gamma^3 \,).

Kvantové stavy leptonů a kvarků se popisují pomocí dirakovských bispinorů. S výhodou se využívá rozkladu stavu \psi\, do dvou složek s definovanou chiralitou (levotočivé - "L" a pravotočivé - "R"): :\psi = \psi_\mathrm{L} + \psi_\mathrm{R} \, :\psi_\mathrm{L} = \tfrac{1}{2}(1-\gamma^5)\psi :\psi_\mathrm{R} = \tfrac{1}{2}(1+\gamma^5)\psi

Ukazuje se, že v silných interakcích se projevuje dobrá chirální symetrie, narušená pouze díky nenulovosti klidových hmotností částic, slabé interakce jsou výrazně chirálně asymetrické - v interakčním lagrangiánu vystupují pravotočivé a levotočivé složky odlišně.

Reference

Související články

Symetrie * Optická aktivita

Externí odkazy

Kategorie:Přírodní vědy Kategorie:Symetrie Kategorie:Stereochemie