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.

Переход от неживой материи к живой произошел, по-видимому после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ живой клетки . В современных организмах обе жизненные системы достигли высочайшего уровня совершенства.

Назначение обмена веществ – поддерживать равновесное состояние живого организма. Такая довольно сложная задача решается путем отбора веществ, из которых синтезируются нужные организму соединения. С другой стороны, эта система выводит из организма все то, что не может быть им усвоено или что появляется как шлак от процессов жизнедеятельности. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные биохимические реакции синтеза и расщепления белков.

Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию для построения из запасенного клеткой органического вещества нужного в данный момент белка. Она же управляет механизмом извлечения и реализации программной информации. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством полимерных соединений – полинуклеотидов. Здесь ключевая роль принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и рибонуклеиновой кислоте (РНК). ДНК хранит генетическую информацию, а РНК воспроизводит ее и переносит в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные вещества.

В последнее время в изучении механизмов работы основополагающих жизненных систем достигнуты определенные успехи. Но до сих пор никто не знает как же появились эти две системы.

Существует, кроме того, пока необъяснимое, различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее особенность процесса возникновения жизни на Земле. Отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, является их оптическая активность – способность поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо, в зависимости от конкретного типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК – только вправо, т. е. обладают правой или D-конфигурацией. В то же время неживое вещество подобного химического состава представляет собой смесь с равновероятным содержанием молекул обеих конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живых организмов имеет прямое отношение к происхождению жизни.

Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью , а соответствующие им молекулы – хиральными . Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом , который возникает при абиогенном синтезе органических молекул. Вне сомнений в преджизненный период образования органических соединений на Земле возникал только рацемат. При переходе к жизни в органических соединения вдруг произошла сортировка молекул и появилась хиральность. Существует мнение по поводу возникновения: переход от рацемата к хиральности произошел не в ходе эволюционного, а в результате скачка со всеми характерными чертами самоорганизации материи. Есть другая точка зрения. Ее выдвинул Л. Пастер (1822-1895). Суть ее в том, что зеркальная ассиметрия живых систем следует некоторой ассиметрии Вселенной. Отдавая должное широте взглядов ученого, еще в прошлом веке связавшего жизнь и космос в единое целое, отметим: ассиметрия Вселенной нарушала бы симмерию любого органического вещества, от его происхождения. Точку зрения Пастера пытались развить, выдвигая предположения о существовании каких-то агентов, оказывающих ассиметричное воздействие на вещество организмов. Однако обнаружить таких агентов пока не удалось.

Носитель генетической информации. Нуклеиновые кислоты. Состав и структура молекул ДНК и РНК. Принцип комплиментарности. Геном организма. Свойства генетического кода. Репликация ДНК. Генетические свойства организма.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – материальный носитель генетической информации. Это высокомолекулярное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Гистоны входят в состав ядер клеток и участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла, в регуляции активности генов. Отдельные участки молекул ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов , специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Сочетание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК образуют генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком. За расшифровку генетического кода Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский биофизик М. Уилкинс, впервые получивший высококачественную рентгенограмму молекулы ДНК, удостоены Нобелевской премии 1962 г.

ДНК – это удивительное природное образование со спиральной симметрией. Длинные переплетенные нити цепочечной структуры ДНК состоят из молекул сахара и фосфатов. К молекулам сахара присоединяются азотистые основания, образуя поперечные связи между двумя спиральными нитями. Вытянутая молекула ДНК напоминает деформированную винтообразную лестницу. Это действительно макромолекула: ее молекулярная масса может достигать 109. В данных нуклеотидных парах таким образом А всегда связывается с Т, а С с G. Такая связь соответствует принципу комплиментарности .

Способность азотистых оснований к распознаванию своего партнера приводит к свертыванию сахарофосфатных цепей в виде двойной спирали, структура которой экспериментально определена в результате рентгеновских наблюдений.

Сахарофосфатную группу вместе с одним из азотистых оснований А, Т, С или G, образующую нуклеотид, можно представить в виде своеобразного строительного блока. Из таких блоков и состоит молекула ДНК. С помощью последовательности нуклеотидов кодируется информация в молекуле ДНК. В ней содержится информация, необходимая, например, для производства белков, нужных живому организму.

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации, заключающейся в ее удвоении. Процесс репликации включает разрыв старых и формирование новых водородных связей. В начале репликации две противоположные цепи начинают раскручиваться и отделяться одна от другой. В точке раскручивания фермент пристраивает новые цепи к двум старым по принципу комплиментарности, в результате образуются две идентичные двойные спирали. Кодирование генетической информации и репликация молекулы ДНК – взаимосвязанные важнейшие процессы, необходимые для развития живого организма.

Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК. Основополагающие работы по расшифровке генетического кода провели американские биохимики М. Ниренберг, X. Корана и Р. Холли; лауреаты Нобелевской премии 1968 г. Три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода, называемую кодоном. Каждый кодон кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например, АСАТ-TGGAG... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Молекулы, в которых имеется хотя бы один атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями, называются асимметрическими или хиральными . Другими словами, это молекулы, не имеющие ни центра, ни плоскости симметрии.

Хиральность (др.-греч. χειρ - рука) - свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета - руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве.

Теперь нам необходимо познакомиться с представлением о поляри­зованном свете, поскольку это явление используется для изучения и опи­сания хиральных молекул. Свет становится плоскополяризованным в ре­зультате прохождения обычного света через поляризатор.

Если пропускать плоскополяризованный свет через раствор хирального вещества, плоскость, в которой происходят колебания, начинает вращаться. Вещества, которые вызывают такое вращение, называются оптически активными . Угол вращения измеряют прибором, который на­зывается поляриметр (или анализатор).

Способность какого-либо вещества вращать плоскость поляризации света характеризуют удельным вращением. Удельное вращение определя­ют как угол вращения плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного вещества при длине трубки 0,1 м. Наблю­даемый угол вращения зависит от длины трубки (чем больше длина, тем больше вращение) и от концентрации (обычно чем ниже концентрация, тем меньше вращение).

Если плоскость поляризации вращается вправо (по часовой стрелке) от наблюдателя, соединение называют правовращающим, а удельное вра­щение записывают со знаком (+). При вращении влево (против часовой стрелки) соединение называют левовращающим, а удельное вращение за­писывают со знаком (-).

Посмотрим, как связана оптическая активность с молекулярным строением вещества. Ниже приведено пространственное изображение хиральной молекулы и ее зеркального отражения:

Оптические изомеры (энантиомеры)

На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если Вы соберете модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друге другом, Вы быстро убедитесь, что это невозможно, т. е. оказывается, что молеку­ла несовместима со своим зеркальным отражением.

Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к дру­гу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти мо­лекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров или оптических изомеров . Большинство химических и физических свойств пары энантиомеров идентичны. Это относится к температурам кипения и плавления, плотности, поверхностному натяжению, растворимости, устойчивости и реакционной способности по отношению к большинству реагентов.

Энантиомеры, однако, отличаются друг от друга в двух отношениях.

1) Они по-разному действуют на плоскополяризованный свет. Один энантиомер вращает плоскость поляризации света в одном направлении на определенную величину. Другой энантиомер будет вращать плоскость поляризации на точно такую же ве­личину, но в противоположном направлении.

2) Энантиомеры по-разному реагируют с другими хиральными моле­кулами, в частности с веществами природного происхождения, образую­щимися в биологических объектах. Например, если один из энантиомеров токсичен, то другой может и не обладать этим свойством. Если один из энантиомеров представляет собой витамин, то второй такими свойствами не обладает. Эти различия в биохимических свойствах энантиомеров связа­ны с тем, что биохимические процессы в живом организме катализируются ферментами (энзимами). Ферменты представляют собой хиральные соеди­нения белковой природы. Для того чтобы соединение было биологически активным, его геометрия должна соответствовать строению определенно­го участка фермента.
Итак, подведем итоги:
Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными. Эти молекулы обладают необычным свойством - спо­собностью вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света.
Изомеры, молекулы которых хиральны и являют­ся зеркальными изображениями друг друга, называются энантиомерами.
Энантиомеры имеют идентичные физические и хими­ческие свойства и различаются только направлением вращения плоскости поляризации света и характером взаимодействия с другими хиральными веществами, например ферментами.

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 .

Хиральная чистота живого. В вопросе о происхождении жизни одним из загадочных остается факт наличия абсолютной хиральной чистоты (от греч. cheir – рука): у живых существ – содержание в молекулах белков только «левых» аминокислот, а в нуклеиновых кислотах – «правых» сахаров. Подобное явление могло возникнуть только вследствие утраты предбиологической средой первичной зеркальной симметрии (равное содержание правых и левых изомеров аминокислот и сахаров). Неживой природе присуща тенденция установления зеркальной симметрии (рацемации).

Опыты последних лет показали, что только в хирально чистых растворах практически могли возникнуть биологически значимое удлинение цепочки полинуклеотидов и процесс саморепликации. Рацемический полинуклеотид не в состоянии реплицироваться, так как его основания направлены в разные стороны и у него нет спиральной организации. Живые системы организованы так, что тРНК из правых сахаров присоединяют к себе только левые аминокислоты. Поэтому возникновение жизни, по-видимому, исключалось до разрушения зеркальной симметрии предбиологической среды (В. Гольданский, Л. Морозов) и появления самореплицирующихся систем. Все живые организмы поддерживают свою хиральную чистоту, и эволюция не снабдила их средствами для обитания в рацемической среде.

Возникновение генетического кода. Аминокислоты и нуклеотиды в растворе случайно соединяются друг с другом с помощью пептидных (для аминокислот) или фосфодиэфирных (для нуклеотидов) связей в линейные структуры – большие полимеры. Так образуются полипептиды (белки) и полинуклеотиды (рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая кислоты). Как только полимер образовался, он будет стимулировать образование других полимеров. Полинуклеотиды при этом оказываются матрицей при реакции полимеризации, и таким образом они определяют последовательность нуклеотидов в новых полинуклеотидах. Например, полимер, состоящий из нуклеотидов полиуредиловой кислоты (poly U), оказывается матрицей для синтеза полимера, состоящего из нуклеотидов полиадениловой кислоты (poly А) в результате комплиментарного связывания соответствующих субъединиц. Новая молекула оказывается как бы слепком с исходной матрицы. По выражению Д. Уотсона, механизм комплиментарного матричного копирования «изящен и прост».

Не совсем понятно, почему именно урацил, аденин, цитозин и гуанин оказались теми буквами генетического алфавита, который смог закодировать информацию обо всем живом. Возможно, это чистая случайность, и на месте этих четырех нуклеотидов могли бы быть другие. Молекула РНК обладает также химической индивидуальностью – последовательность нуклеотидов определяет характер свертывания (конформации) молекулы в растворе, различные для каждой последовательности нуклеотидов трехмерные изгибы макромолекулы.

Молекула РНК одноцепочечная, а молекула ДНК имеет две цепочки. Двухцепочечная структура способна репарировать (исправлять) повреждения одной из цепей и поэтому ДНК – более надежный инструмент для хранения и передачи генетической информации, В ходе миллионов лет добиологической эволюции эта способность ДНК была замечена отбором. При возникновении достаточно сложной системы свойство хранения информации приняла ДНК, белки стали катализаторами реакций, а РНК сохранила функцию посредника между ДНК и белками.

Возможность сохранения и передачи информации посредством матричного принципа редупликации привела к возможности создания генотипа и генетического кода, уникальная пространственная структура молекулы (аналог фенотипа) определила возможность действия естественного отбора наиболее подходящих для конкретной ситуации макромолекул.

Природа «нашла» механизм генетического кода, испробовав на протяжении не менее миллиарда лет немыслимое число разнообразных комбинаций. Без такого механизма, позволяющего сохранять информацию и одновременно (в результате неизбежных время от времени ошибок копирования – мутаций) получать материал для ее изменения, жизнь никогда не возникла бы в той форме, в какой она представлена на Земле.

Все изложенное – не более как правдоподобные гипотезы возможных путей возникновения жизни, и здесь можно ожидать новых интересных открытий. Так, в последние годы показано, что давно известные бактерии, обитающие в горячих источниках, на дне океанов, в желудках некоторых жвачных животных, поглощающие углекислый газ, водород и выделяющие метан (метанообразующие бактерии), сохранили многие черты протобионтов.

В проблеме возникновения жизни на Земле еще много неясного. Занесена ли жизнь на Землю или она здесь возникла? Обнаружение в конце XX в. следов ископаемых прокариот (по-видимому, цианобактерий) в метеоритах вновь оживило интерес к гипотезе панспермии, выдвинутой еще в конце XIX в. С. Аррениусом и поддержанной В.И. Вернадским (он считал жизнь «вечным явлением»), а в наше время – известным микробиологом Г.А. Заварзиным. Однако, учитывая, что все больше фактов и расчетов указывает, что вся наша Вселенная образовалась в результате «большого взрыва» 12–20 млрд лет назад, то гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а лишь переносит место ее возникновения с Земли на другие космические тела и несколько отодвигает срок возникновения жизни.

Другая нерешенная загадка в области происхождения жизни на Земле образно сформулирована Н.Н. Воронцовым: «Складывается впечатление, что буквально сразу после остывания земной коры на нашей планете возникла жизнь. Как будто бы к планете стоило поднести спичку, чтобы на ней вспыхнуло пламя жизни!» . Важным был не только сугубо химический, но и экологический аспект появления живого. Жизнь сразу же должна была существовать в виде экосистем. Неизбежное возрастание биоразнообразия (на протяжении сотен миллионов лет – «микробиального») должно было вести к увеличению устойчивости таких примитивных экосистем, быстрому росту их биопродуктивности и биомассы на планете. Раз возникнув (неважно каким образом), жизнь должна была (в геологическом масштабе времени – мгновенно) охватить всю планету.

Конечно, в происхождении жизни остается (и всегда будет оставаться) много вопросов. Прошел ли биологический обмен через коацерватное состояние или первоначально возникает генетический код? Почему некоторые редкие элементы в земной коре (молибден, магний) стали играть большую роль в биологическом обмене, чем обычные элементы (кремний, кальций)? Подобных вопросов много, они ждут своего объяснения. Но научно достоверной остается возможность возникновения жизни из неорганических веществ посредством действия физических факторов среды, и действия предбиологического отбора. Научно доказанной является возможность усложняющегося взаимодействия элементарных частиц и молекул, приводящего к возникновению самоинструктирующих макромолекул.