Ders çalışması konuyla ilgili

“Kiralite, oluşumunun olası mekanizmaları. Kiralitenin yaşlanma sürecindeki rolü”

gerçekleştirilen:

dördüncü sınıf öğrencisi

Biyomühendislik Fakültesi

ve biyoinformatik

Moskova Devlet Üniversitesi M.V. Lomonosov

Gançarova Olga Sergeevna

I.Giriş. Kiralite kavramı. Doğada kiralite

Üçten fazla atom içeren karmaşık moleküllerin büyük çoğunluğunun bir düzlemi ve bir simetri merkezi yoktur. Bu tür moleküller asimetrik, kiraldir. "Kiralite" terimi (eski Yunanca kheir'den - el, cf. cerrahi, el falı), ayna görüntüsü ile belirli bir yapının uyumsuzluğu anlamına gelir. Kiral maddeler iki biçimde görünebilir - sağ ve sol. Bu iki konfigürasyon, sistemin uzayda bir bütün olarak herhangi bir dönüşü ile birleştirilemez; birbirleriyle doğru ve doğru olarak ilişkilidirler. sol el

Moleküller dünyasında en yaygın olarak karşılaşılan kiralite, sözde asimetrik karbon atomu ile tanımlanır (genellikle bir yıldızla işaretlenir, bkz. s. 36). Doymuş (alifatik) organik bileşiklerde, dört karbon değerlik bağı birbirine dört yüzlü açılarda yerleştirilmiştir. Dört değerden ikisi, örneğin CX2YZ molekülünde olduğu gibi aynı grupları bağlarsa, o zaman CYZ düzlemi simetri düzlemidir ve kiralite yoktur. Bir karbon atomu, ilişkili olduğu dört grubun tümü farklıysa asimetriktir - C*XYZV. Böyle bir molekülün pi düzlemi veya simetri merkezi yoktur. Bu nedenle kiralite, 19 kanonik amino asidin doğasında vardır (glisin H3N+ CH2C00- hariç tümü). Şek. 2.11 alaninin sağ (D) ve sol (L) konfigürasyonlarını gösterir (ayna antipodlar veya enantiyomerler).

Kimyasal sentezde, başlangıçtaki simetrik moleküllerden madde her zaman %50 oranında sağ ve sol antipod içeren rasemik bir karışım halinde elde edilir. Bu, termodinamiğin ikinci yasasından gelir - rasemat maksimum entropiye karşılık gelir.

Canlı doğanın şaşırtıcı bir özelliği, amino asitlerden başlayarak en önemli tüm biyolojik moleküllerin organizmalarda belirli bir konfigürasyonda sabitlenmesidir. Proteinlerdeki amino asit kalıntıları her zaman "sol", L-formlarıdır (Şekil 2.11).

Sağ ve sol formlar simetrik moleküllerle eşit reaksiyona girer. Polarize ışıkla etkileşimlerinde farklılık gösterirler. Kiral maddeler, rasemik karışımlarının aksine, ışığın polarizasyon düzlemini farklı yönlerde döndürürler ve bir daire içinde sağa ve sola polarize edilmiş ışığı farklı şekillerde soğururlar (bkz. Bölüm 6). Biyolojik L-amino asitler, ışığın polarizasyon düzlemini sola, D-amino asitler ise sağa döndürdükleri için böyle adlandırılmazlar. L-amino asitler arasında hem sol hem de sağ elli olanlar vardır. L serisi organik bileşiklerin başlangıç ​​noktası solak gliseraldehit OCH-C*H(OH) - CH20H'dir. Prensipte tüm L-bileşikleri, molekülün genel konfigürasyonunu değiştirmeden C*'ye bağlı karşılık gelen atomların ve grupların ikame edilmesiyle ondan elde edilebilir.

Kiralite, hücredeki proteinlerin, karbonhidratların, nükleik asitlerin ve bir dizi düşük moleküler ağırlıklı bileşiklerin karakteristiğidir. DNA ve RNA'daki karbonhidratlar her zaman D-formunda görünür. Azotlu bazlar düzlemseldir ve bu nedenle kiraliteden yoksundur. Rasemizasyon olmadan, yani ayna antipodlarının birbirine dönüşmesi olmadan meydana gelen metabolik süreçlerde hücre, bunlardan yalnızca biyolojik moleküllerinin yapılarına karşılık gelenleri özümser. Vücut L-amino asitleri emer, ancak D-amino asitleri emmez. Bitkilerin ve hayvanların zıt konfigürasyonlara sahip moleküller içerdiği "anti-dünyaya" girdikten sonra, dünyevi organizma açlıktan ölecektir. Bir organizma için D- ve L-antipodları farklıdır. Bir haliyle zehirli, ayna formunda zararsız olan maddeler bilinmektedir; L-aspartik asit tatsızdır, antipodu tatlıdır. Pasteur ayrıca bazı bakterilerin esas olarak belirli bir maddenin bir antipoduyla beslendiğini de buldu.

Saf antipodların rasemik karışımlardan in vitro izolasyonu (asimetrik sentez), biyolojik kökenli kiral maddeler (genellikle alkaloitler) kullanılarak gerçekleştirilir. L' bileşiği ile rasemik karışım (D, L) üzerinde hareket ederek, (D, L) + L' = DL' + LL' elde ederiz. DL" ve LL' bileşikleri artık ayna antipodları değildir (bunlar DL" ve LD olacaktır) "). Bu nedenle, fiziksel Kimyasal özellikler DL' ve LL' farklıdır ve bu bileşikleri örneğin kristalleştirme yoluyla ayırmak mümkündür.

Zıt kutupları ayırmak için bir maddenin veya sağ ile sol arasındaki farkı bilen bir varlığın asimetrik hareketi gerekir. Ayna antipodları, 1848'de Pasteur tarafından keşfedildi. Tartarik asit üzerinde çalıştı ve sağ ve sol kristal formlara sahip olduğunu buldu. Pasteur bunları sıralayarak tartarik asidin saf antipodlarını elde etti. Asimetrik bir faktörün rolünü oynadı - kişinin kendisi "kiral" ve sağ ile sol arasındaki farkı biliyor. Kiralite, doğada hem moleküler hem de daha yüksek organizasyon seviyelerinde mevcuttur. Nihayetinde enzimatik süreçlerin "kiral" düzenlemesi ile belirlenir. Şek. 2.12, rizomatöz Neogloboquadrina packyderma'nın iki kabuk formunu göstermektedir. Saat yönünde bükülmüş kabuklar 7°C'nin altındaki sıcaklıklarda, saat yönünün tersine bükülmüş kabuklar ise daha yüksek sıcaklıklarda oluşur.

Doğada, kiralite moleküler veya kristal olabilir. İlk durumda, korunur - bir maddenin (örneğin şeker) erimesi veya çözünmesi sırasında, ikinci durumda - yalnızca kristal halin özelliğidir. Kuvars simetrik Si02 moleküllerinden yapılmıştır, ancak zıt optik aktiviteye sahip sağ veya sol formlarda kristalleşir. Kuvars eridiğinde optik aktivite kaybolur. Herhangi bir tortuda, sağ ve sol kristallerin sayısı ortalama olarak aynıdır. Buna göre, rasemik karışıma rasemik olmayan bir sağ veya sol tohum yerleştirerek kristalleşmenin saf antipodunu izole etmek mümkündür.

Dolayısıyla, canlı doğada, herhangi bir kiral madde formunun biyolojik yapılarında bir fiksasyon vardır (örneğin, DNA ve RNA'da her zaman karbonhidratların D-formu vardır). Biyofizik açısından bu, bilginin sabitlenmesiyle açıklanır, yani seçilen antipod, 1 bitlik bilgiye eşdeğerdir.

Cansız maddeden canlı maddeye geçiş, görünüşe göre, iki temel yaşam sisteminin temelleri ortaya çıktıktan ve öncekiler temelinde geliştikten sonra gerçekleşti: metabolik sistemler Ve oynatma sistemleri maddi temeller yaşayan hücre. Modern organizmalarda, her iki hayati sistem de en yüksek mükemmellik seviyesine ulaşmıştır.

metabolizmanın amacı- canlı bir organizmanın denge durumunu korumak için. Böyle oldukça karmaşık bir problem, hangi maddelerin seçileceği ile çözülür. vücudun ihtiyaç duyduğu bağlantılar. Öte yandan bu sistem, vücut tarafından emilemeyen veya hayati süreçlerden cüruf olarak görünen her şeyi vücuttan uzaklaştırır. Değişim sistemi, protein sentezi ve bölünmesinin karşılıklı koordineli biyokimyasal reaksiyonlarını sağlar.

oynatma sistemi hücre tarafından depolanan organik maddeden o anda ihtiyaç duyulan proteini oluşturmak için tüm bilgileri kodlanmış biçimde içerir. Ayrıca, program bilgilerinin çıkarılması ve uygulanmasına yönelik mekanizmayı da kontrol eder. Üreme sistemi, işlevlerini polimer bileşikleri - polinükleotidler aracılığıyla gerçekleştirir. Burada anahtar rol, deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA) aittir. DNA genetik bilgiyi depolarken, RNA bunu çoğaltarak protein sentezi için gerekli başlangıç ​​maddelerini içeren bir ortama aktarır.

Son zamanlarda, temel yaşam sistemlerinin işleyiş mekanizmalarının incelenmesinde belirli başarılar elde edilmiştir. Ancak yine de kimse bu iki sistemin nasıl ortaya çıktığını bilmiyor.

Üstelik henüz açıklanamayan bir fark var. fiziki ozellikleri Dünyadaki yaşamın ortaya çıkma sürecinin özelliğini yansıtan canlı ve cansız madde. Ayırt edici özellik yaşam tarafından üretilen organik bileşikler, optik aktiviteleridir - içlerinden geçen ışığın polarizasyon düzlemini, belirli bileşik tipine bağlı olarak sola veya sağa - bir yönde döndürme yeteneği. Böylece, karasal organizmaların tüm protein molekülleri, iletilen ışığın polarizasyon düzlemini sola çevirir; bu, sol taraftaki uzamsal konfigürasyonlarını (L-konfigürasyonu) gösterirken, DNA ve RNA nükleik asit molekülleri sadece sağa döner, yani onlar sağ el veya D konfigürasyonuna sahiptir. Aynı zamanda benzer bir cansız madde kimyasal bileşim her iki konfigürasyonun eş olası molekül içeriğine sahip bir karışımdır, bu nedenle, içlerinden geçen ışığın polarizasyon düzleminin dönüşü gerçekleşmez. Canlı organizmaların organik bileşiklerinin optik aktivitesinin, yaşamın kökeni ile doğrudan ilişkili olduğu varsayılmaktadır.

Organik moleküllerin yaşamı ile ilgili süreçlerde, olası iki uzaysal yapıdan yalnızca birinin korunmasına denir. kiracılık ve karşılık gelen moleküller kiral. Her iki uzamsal konfigürasyona sahip organik moleküllerin kaotik bir karışımına denir. yarış eşi, organik moleküllerin abiojenik sentezi sırasında meydana gelir. Kuşkusuz, Dünya'da organik bileşiklerin oluşumunun yaşam öncesi döneminde sadece rasemat ortaya çıktı. Organik bileşiklerde yaşama geçiş sırasında birdenbire moleküllerde bir sıralama meydana geldi ve kiralite ortaya çıktı. Kökeni hakkında bir görüş var: rasemattan kiraliteye geçiş, evrim sürecinde değil, maddenin kendi kendine örgütlenmesinin tüm karakteristik özelliklerine sahip bir sıçramanın sonucu olarak gerçekleşti. Başka bir bakış açısı daha var. L. Pasteur (1822-1895) tarafından ortaya atılmıştır. Özü, canlı sistemlerin ayna asimetrisinin Evrenin belirli bir asimetrisini takip etmesidir. Geçen yüzyılda yaşamı ve uzayı tek bir bütün halinde birbirine bağlayan bilim adamının görüşlerinin genişliğine saygı göstererek, şunu not ediyoruz: Evrenin asimetrisi, herhangi bir organik maddenin simetrisini kökeninden itibaren ihlal ederdi. Organizmaların maddesi üzerinde asimetrik etkiye sahip bazı maddelerin varlığına dair varsayımlar ileri sürerek Pasteur'ün bakış açısını geliştirmeye çalıştılar. Ancak, henüz böyle bir ajan bulunamadı.

Genetik bilgi taşıyıcısı. Nükleik asitler. DNA ve RNA moleküllerinin bileşimi ve yapısı. Ücretsiz ilke. Organizmanın genomu. Genetik kodun özellikleri. DNA kopyalama. Bir organizmanın genetik özellikleri.

Deoksiribonükleik asit (DNA)- genetik bilginin malzeme taşıyıcısı. Bu, canlı organizmaların hücrelerinin çekirdeklerinde bulunan yüksek moleküler doğal bir bileşiktir. DNA molekülleri, histon proteinleri ile birlikte kromozomların maddesini oluşturur. Histonlar, hücre çekirdeğinin bir parçasıdır ve farklı aşamalarda kromozomların yapısının korunması ve değiştirilmesinde rol oynar. Hücre döngüsü, gen aktivitesinin düzenlenmesinde. DNA moleküllerinin ayrı bölümleri belirli genlere karşılık gelir. DNA molekülü aşağıdakilerden oluşur: iki polinükleotid zinciri bir heliks şeklinde birbiri etrafında bükülmüştür. Zincirler çok sayıda dört tür monomerden yapılır - nükleotitlerözgüllüğü dört azotlu bazdan biri tarafından belirlenir: adenin(A), timin(T), sitozin(C) ve guanin(G). DNA zincirindeki bitişik üç nükleotidin birleşimi genetik kodu oluşturur. DNA zincirindeki nükleotit dizisinin ihlali, vücutta kalıtsal değişikliklere - mutasyonlara yol açar. DNA, kalıtsal özelliklerin ve belirli metabolizma biçimlerinin bir dizi hücre ve organizma neslinde iletilmesini sağlayan hücre bölünmesi sırasında doğru bir şekilde yeniden üretilir.

DNA'nın çift sarmal biçimindeki yapısal modeli, 1953'te Amerikalı biyokimyacı J. Watson ve İngiliz biyofizikçi ve genetikçi F. Crick tarafından önerildi. J. Watson, F. Crick ve ilk kez bir DNA molekülünün yüksek kaliteli X-ışınını elde eden İngiliz biyofizikçi M. Wilkins, genetik kodu çözmek için 1962'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

DNA sarmal simetriye sahip inanılmaz bir doğal oluşumdur. DNA sarmal yapısının iç içe geçmiş uzun sarmalları, şeker ve fosfat moleküllerinden oluşur. Azotlu bazlar şeker moleküllerine bağlanır ve iki sarmal şerit arasında çapraz bağlar oluşturur. Uzatılmış bir DNA molekülü, deforme olmuş bir sarmal merdiveni andırır. Gerçekten de bir makromoleküldür: onun moleküler kütle 109'a ulaşabilir. Bu nükleotit çiftlerinde bu şekilde A her zaman T'ye ve C de G'ye bağlanır. tamamlayıcılık ilkesi.

Azotlu bazların eşlerini tanıma yeteneği, X-ışını gözlemleri sonucunda yapısı deneysel olarak belirlenen şeker-fosfat zincirlerinin çift sarmal şeklinde katlanmasına yol açar.

Bir nükleotit oluşturan azotlu bazlar A, T, C veya G ile birlikte şeker-fosfat grubu, bir tür yapı taşı olarak temsil edilebilir. Bu bloklar DNA molekülünü oluşturur. Bir nükleotit dizisi, bir DNA molekülündeki bilgiyi kodlar. Örneğin canlı bir organizmanın ihtiyaç duyduğu proteinlerin üretimi için gerekli bilgileri içerir.

DNA molekülü, ikiye katlanmasından oluşan enzim katalizli replikasyon sürecinde kopyalanabilir. İşlem çoğaltma eskilerin kırılmasını ve yeni hidrojen bağlarının oluşumunu içerir. Çoğalmanın başlangıcında, birbirine zıt iki zincir gevşemeye ve birbirinden ayrılmaya başlar. Enzim, gevşeme noktasında tamamlayıcılık ilkesine göre iki eski zincire yeni zincirler bağlar ve bunun sonucunda birbirinin aynı iki çift sarmal oluşur. Genetik bilginin kodlanması ve DNA molekülünün replikasyonu, canlı bir organizmanın gelişimi için gerekli olan birbirine bağlı ana süreçlerdir.

Genetik bilgi, DNA nükleotitlerinin dizisi tarafından kodlanır. Temel deşifre çalışması genetik Kod Amerikalı biyokimyacılar M. Nirenberg, X. Koran ve R. Holly tarafından yürütülen; 1968 Nobel Ödülü sahipleri Ardışık üç nükleotid, kodon adı verilen genetik kodun bir birimini oluşturur. Her kodon, toplam sayısı 20 olan bir veya daha fazla amino asidi kodlar. Bir DNA molekülü, çok sayıda örneğin ACAT-TGGAG gibi bir metin oluşturan bir nükleotid harfleri dizisi olarak temsil edilebilir ... Bu metin, her organizmanın özelliklerini belirleyen bilgileri içerir. Bitki olsun, hayvan olsun, bakteri olsun tüm canlıların genetik kodu aynıdır. Genetik kodun bu özelliği, tüm proteinlerin amino asit kompozisyonunun benzerliği ile birlikte, görünüşe göre tüm canlıların tek bir atadan geldiğini yansıtan yaşamın biyokimyasal birliğine tanıklık ediyor.

En az bir karbon atomunun dört farklı ikame ediciye bağlı olduğu moleküllere ne ad verilir? asimetrik veya kiral. Başka bir deyişle, bunlar ne bir merkeze ne de bir simetri düzlemine sahip olan moleküllerdir.

Kiralite(eski Yunanca χειρ - el) - bir molekülün ayna görüntüsü ile uzayda birleştirilmemesi özelliği. Terim, en çok tanınan kiral nesne olan elin eski Yunanca ismine dayanmaktadır. Evet, sol ve sağ el ayna görüntüleridir, ancak uzayda birbirleriyle birleştirilemezler.

Şimdi polarize ışık kavramını tanımamız gerekiyor, çünkü bu fenomen kiral molekülleri incelemek ve tanımlamak için kullanılıyor. Işık, bir polarizörden geçen sıradan ışığın bir sonucu olarak düzlem polarize olur.

Eğer kiral bir madde çözeltisinden düzlem polarize ışık geçirilirse, titreşimlerin meydana geldiği düzlem dönmeye başlar. Böyle bir dönmeye neden olan maddelere denir. Optik olarak aktif. Dönme açısı, polarimetre (veya analizör) adı verilen bir cihazla ölçülür.

Bir maddenin ışığın polarizasyon düzlemini döndürme yeteneği, özgül dönüş ile karakterize edilir. Belirli rotasyon 1 ml 1 g optik içeren bir çözelti ile polarizasyon düzleminin dönme açısı olarak tanımlanır aktif madde 0,1 m'lik bir tüp uzunluğunda Gözlenen dönme açısı, tüpün uzunluğuna (uzunluk ne kadar uzunsa dönüş o kadar büyük olur) ve konsantrasyona (genellikle konsantrasyon ne kadar düşükse dönüş o kadar az) bağlıdır.

Polarizasyon düzlemi gözlemcinin sağına (saat yönünde) dönüyorsa, bağlantıya sağa döndürme denir ve belirli dönüş (+) işaretiyle yazılır. Sola (saat yönünün tersine) dönerken, bağlantı solak olarak adlandırılır ve belirli dönüş (-) işaretiyle yazılır.

Optik aktivitenin bir maddenin moleküler yapısı ile nasıl ilişkili olduğunu görelim. Aşağıda, kiral bir molekülün ve onun ayna görüntüsünün uzamsal bir görüntüsü bulunmaktadır:

Optik izomerler (enantiyomerler)

İlk bakışta, bu farklı şekillerde tasvir edilen aynı molekül gibi görünebilir. Bununla birlikte, her iki şeklin modellerini toplar ve bunları tüm atomlar birbiriyle çakışacak şekilde birleştirmeye çalışırsanız, bunun imkansız olduğunu, yani molekülün ayna görüntüsüyle uyumsuz olduğu ortaya çıkar.

Bu nedenle, bir nesne olarak birbiriyle ilişkili iki kiral molekül ve onun ayna görüntüsü aynı değildir. Bu moleküller (maddeler) izomerlerdir. enantiyomerler veya optik izomerler. Bir çift enantiyomerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin çoğu aynıdır. Bu, çoğu reaktif için kaynama ve erime noktaları, yoğunluk, yüzey gerilimi, çözünürlük, stabilite ve reaktivite için geçerlidir.

Bununla birlikte, enantiyomerler, iki açıdan birbirinden farklıdır.

1) Düz polarize ışıkta farklı davranırlar. Bir enantiyomer, ışığın polarizasyon düzlemini belirli bir yönde bir yönde döndürür. Diğer enantiyomer, polarizasyon düzlemini tam olarak aynı miktarda, ancak ters yönde döndürecektir.

2) Enantiyomerler, diğer kiral moleküllerle, özellikle biyolojik nesnelerde oluşan doğal kaynaklı maddelerle farklı şekilde reaksiyona girer. Örneğin enantiyomerlerden biri toksik ise diğeri bu özelliğe sahip olmayabilir. Enantiyomerlerden biri bir vitamin ise, ikincisi bu özelliklere sahip değildir. Enantiyomerlerin biyokimyasal özelliklerindeki bu farklılıklar, canlı bir organizmadaki biyokimyasal süreçlerin enzimler (enzimler) tarafından katalize edilmesinden kaynaklanmaktadır. Enzimler, protein yapısındaki kiral bileşiklerdir. Bir bileşiğin biyolojik olarak aktif olabilmesi için geometrisinin enzimin belirli bir bölgesinin yapısına uygun olması gerekir.
Öyleyse özetleyelim:
Simetri elementleri olmayan moleküllere kiral denir. Bu moleküllerin alışılmadık bir özelliği vardır - düzlem polarize ışığın polarizasyon düzlemini döndürme yeteneği.
Molekülleri kiral olan ve ayna görüntüleri olan izomerler birbirine göre enantiyomerler denir.
Enantiyomerler aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir ve sadece ışık polarizasyon düzleminin dönme yönü ve enzimler gibi diğer kiral maddelerle etkileşimin doğası bakımından farklılık gösterir.

Ansiklopedik YouTube

1 / 5

✪ Kiralite örnekleri, 1. kısım

✪ Kiraliteye Giriş

✪ Biyolojik moleküllerin asimetrisi - Maxim Frank-Kamenetsky

✪ Kiralite ve stereoizomer merkezleri

✪ Önemsiz ve sistematik isimler. Ön ekler "iso-", "ikinci-" ve "tert-"

altyazılar

Son videoda kiral molekülün, kiral karbonun veya kiral atomun ne olduğunu öğrendik. Bu videoda, birkaç örnek üzerinde çalışmak ve kiral atomları ve kiral molekülleri tanıyıp tanıyamayacağımızı görmek istiyorum. Örneklerimize bakalım. Burada neyimiz var? Klorosiklopentan. İlk soru şudur: burada kiral atomları görüyor muyuz? Kiral atomlara verdiğimiz tanıma bakalım. Ellerin yönü ve onları ayna görüntüsünde birleştirmenin imkansızlığı ile ilgili bir durumdan gelir. Ayrıca bunların genellikle dört farklı grupla ilişkili karbon atomları olduğunu da söyledik. Bakalım dört farklı grupla ilişkili karbon atomlarımız var mı? Tüm CH2, diğer CH2'ye bağlıdır ve H2, H ve H olarak temsil edilebilir. Böylece, aynı gruptan iki H'ye bağlanırlar, dolayısıyla CH2'deki karbonların hiçbiri kiral bir merkez veya kiral bir karbon olarak nitelendirilmez. Her bir karbonun bağlı olduğu grubun tamamına baksanız bile, hepsi iki hidrojene ve diğer iki çok benzer CH2 grubuna bağlıdır. Hepsi kesinlikle iki hidrojene bağlı, dolayısıyla kesinlikle dört farklı grup olamaz. CH'ye bakarsak, onu bu şekilde bölebileceğimizi görebiliriz. H'yi ondan şu şekilde ayırabiliriz. Bu karbon, hidrojene bağlı olmasının yanı sıra, klora da bağlıdır ve ayrıca ... Diyagrama bu açıdan bakarsanız, bu grubun bundan farklı olup olmadığı tam olarak net değildir. Ama yandan yaklaşırsan, böyle yarım çevirirsen. Ya da belki molekülü o yönde saat yönünün tersine döndürmek daha iyi olur. O zaman bir CH2 grubumuz ve şimdi de başka bir CH2 grubumuz var. Sonra bu tür üçüncü grup ve son olarak dördüncü CH2 grubu. Daha önce olduğumuz yere geri dönüyoruz. Yani elimizde 4 CH2 var ve geri dönebiliriz. Bu yoldan gidersek ne olur? 1, 2, 3, 4 CH2 grubunuz var ve başladığınız yere geri döndünüz. Yani bu alt grup, onu ne kadar uzatmak istediğinize bağlı olarak ve bu üst grup aynı gruplar. Yani kiral bir merkez değil, kiral bir merkez veya kiral bir karbon değil. Dört farklı grupla ilişkili değildir. Ayrıca kiral bir merkeze sahip olmadığı için kiral bir molekül değildir. Kiral bir molekül olmadığını nasıl anlayabilirsiniz? Bakalım daha önce neler yazılmış. Bunun kiral bir molekül olmadığı görülebilir. Bunu anlamanın birkaç yolu var. en basit yol bir ayna görüntüsü hayal etmektir. Bunun gibi bir şey görünecek. Burada bir aynamız var, burada klorumuz var. Sonra CH, CH2, CH2, ardından CH2, CH2. Bu şekilde siklopentanımızı tamamlamış oluyoruz. Aynı görüntüyü elde etmek için böyle bir durumda bu görüntüyü döndürmenin bir yolu var mı? Bir molekülü alıp 180 derece döndürürsek neye benzer? Belki 180 dereceden biraz daha az, evet, tam olarak 180 değil, ama klor tam burada olacak şekilde çevirirsek, tamamen aynı molekülü elde ederiz. İşte sahip olduklarımız. Biraz farklı görünüyor. Bu şekilde görünecek. Benzer bir şey yapmaya çalışalım. Bunun gibi. Burada CH2 var. Burayı daha iyi çizelim, burada biraz daha yerimiz var. Bu şekilde ters çevirirsek, o zaman burada CH var. Burada klor var, sonra CH2 ve diğer tüm CH2, CH2. Ve son olarak, CH2 tam burada, en üstte. Ters çevirirsek, tam olarak 180 derece, böyle görünecek. Bununla bu molekül arasındaki tek fark, bu bağı nasıl çizdiğimizdir. Onu aşağı çekmek yerine, bu şekilde çizebiliriz ve sonunda tamamen aynı molekülü elde ederiz. Yani bu molekül aynı zamanda kiral değildir. Bir sonraki moleküle geçelim. Ne olduğunu? Bromofloroklorometan - sadece biraz adlandırma alıştırması yapmak için. Burada dört farklı grupla uğraştığımız açıktır. Bu grupların her biri, bu durumda karbona bağlı atomlar farklıdır, dolayısıyla karbon kiral merkezdir. kiral merkez. Kiral bir molekül olduğu da açık olmalıdır. Kiralite açısından ilk videodaki örneğe çok benzeyen bir ayna görüntüsü yaparsak, ayna görüntüsü bu şekilde görünecektir. Şimdi brom sağda, hidrojen hala altta ve flor üstte olacak. Bu molekülü nasıl döndürdüğünüz önemli değil. Bromu buraya, buraya taşımaya çalışırsanız, hidrojen bu konumda, klor da bu konumda olacaktır. Nasıl döndürmeye, döndürmeye veya hareket ettirmeye çalışırsanız çalışın, bu molekülü bu molekülle asla eşleştiremeyeceksiniz. Yani bu bir kiral merkez ve kiral bir molekül. Bu iki versiyonun bir adı var. İsimlerini daha sonra vereceğiz. Bu başka bir konu. Bu konu ile ilgili ayrı bir video gelecek. Ancak bromofloroklorometanın bu 2 versiyonu, bazen farklı kimyasal kullanımlara sahiptir. Enantiyomerler olarak adlandırılırlar. Enantiyomerler ayna görüntüleridir. Her bir enantiyomer çifti birbirinin ayna görüntüsüdür. Onlar stereoizomerlerdir. Bu sadece terminoloji. Stereoizomerler. "İzomer" kelimesini biliyorsunuz, bu, molekülümüzde özdeş atomlar olduğu anlamına gelir. Ama var Çeşitli tipler izomerler. Yapısal izomerler vardır. Bu, farklı elemanların farklı elemanlara bağlandığı anlamına gelir. Stereoizomerler, her bir elementin yalnızca bir elemente bağlı olduğu zamandır. Karbon sadece flor ile, klor karbon ile, hidrojen karbon ile ve brom karbon ile birleşir, yani her element bir elemente bağlıdır, ancak üç boyutlu bir organizasyonda temsil edilirler. Bir stereo parça ile uğraşıyoruz. Stereokimya, şeylerin gerçek üç boyutlu konfigürasyonunun özünü anlamak için üç boyutlu kimyayı inceler. Stereoizomerler, aynı bileşenlerin, aynı atomların olduğu anlamına gelir. Birbirleriyle eşit derecede ilişkilidirler. Brom, hidrojene bağlı olan karbona bağlıdır. Bunların hepsi doğru. Ancak üç boyutlu konumları farklıdır. Bu durumda, birbirlerinin ayna görüntüsü olduklarında onlara enantiyomer diyoruz. Burada belki de bir şeyi açıklığa kavuşturmaya değer. Önceki birkaç videoda "konfigürasyon" kelimesini kullandık ve bazen "konformasyon" kelimesini kullandık. Bazı durumlarda "konfigürasyon" kullanacağız ve bazı durumlarda "konformasyon" kullanacağız. Bu nokta biraz açıklığa kavuşturulmalıdır. Konfigürasyon derken aslında farklı bir yapıdan bahsediyoruz. Bir konfigürasyondan diğerine geçerek bağlantıları yok eder ve bir şekilde yeniden birleştiririz. Farklı konfigürasyonlar budur. Aynı olmaları için, karbona bağlı oldukları yerde brom ve hidrojeni değiştirmemiz gerekebilir. İşte farklı konfigürasyonlar. Konformasyonlar kolaydır değişik formlar veya aynı molekülün farklı yönelimleri. Sikloheksanın banyo yapısından bahsettiğimizde, banyo yapısındaki bu sikloheksan ve sandalye yapısındaki aynı sikloheksan, aynı bağlara sahip aynı moleküldür. Hiçbir bağı koparmadık, değiştirmedik. Sadece biraz bükülmüşler. Bu, 2 farklı konformasyonla sonuçlandı. İşte 2 farklı konfigürasyon. Birinden diğerine geçmek için bağlantıları yeniden inşa etmeliyiz. Şimdi bu moleküle bakalım. Burada stereomerkezleri veya kiral karbonları veya kiral atomları görebilir miyiz? Burada karbon var. Bakalım: burada karbon klor, hidrojen ve brom ile birleşiyor ve bu başka bir karbon. Burada dört farklı element içeren bileşikler var, yani kiral bir karbon. Bazen buraya küçük bir yıldız işareti yazarlar. Bu karbona bakarsak, florine ve başka bir karbona bağlı olduğunu görürüz ama aynı zamanda 2 hidrojene de bağlıdır. bu nedenle kiral değildir. Bağlı olduğu elemanlardan 2 tanesi aynıdır. Burada, içinden geçen küçük bir simetri eksenini bile fark edebilirsiniz. Ters çevirebilirsin ve aynı şeyi alırsın. Burası kiral merkezdir. Kiral merkez veya kiral karbon veya kiral atom veya asimetrik karbon. Bunu farklı şekillerde adlandırmanın mümkün olduğunu göreceğiz. Molekülün kiral bir merkezi olması nedeniyle bu görülebilir, ayna görüntüsü yapmaya çalışırsak bir enantiyomer elde ederiz. Ayna görüntüsü ile uyumlu değildir. Onu çizmeyi deneyebilirsiniz. Her seferinde sağdaki ayna görüntüsünü çizmeye gerek yoktur. Sola çizebiliriz. Ayna görüntüsü böyle görünecek. Flor, karbon, karbon, klor var. Burada 2 hidrojen elde ediyoruz, sonra burada 1 hidrojen daha ve burada da brom var. Molekülleri çevirseniz de başka bir şey yapsanız da, bunu asla bununla eşleştiremezsiniz, yani burada 2 enantiyomerimiz var. Her ikisi de birbirine göre stereoizomerdir. Ve her biri kiral bir moleküldür. Normalde bir video için ayrılan süremiz artık tükeniyor, bu nedenle bir sonraki videoda devam edip daha fazlasını yapmaya çalışacağız.

Hikaye

Moleküllerin kiralitesi, 1848'de L. Pasteur tarafından keşfedildi. Pasteur, bir rasemik sodyum-amonyum tartrat çözeltisinden çökelen kristallerin, uzayda birbiriyle çakışmayan ayna görüntüleri olan iki forma sahip olduğuna dikkat çekti. Buna karşılık, ayrı ayrı sağa döndürücü sodyum amonyum tartrat kristalleri, aynı yönü gösteren küçük düzlemlerle aynı şekle sahipti. Pasteur, enantiyomerik olarak saf on üç bileşikle (çeşitli tartratlar ve tartarik asit) ve ayrıca altı rasemik tartratla benzer kristalleştirmeler gerçekleştirdi ve moleküllerin bir kiralitesi olduğu sonucuna vardı ve tartarik asitlerin daha önce bilinmeyen bir izomerizmi - enantiyomerizmi açıkladı.

Kiralitenin yapısal yorumu, 1874'te J. Van't Hoff ve J. Le Bel tarafından asimetrik bir karbon atomu, yani dört farklı sübstitüentli bir tetrahedral karbon atomu kavramının tanıtılmasından sonra mümkün oldu.

Kiralite kavramı, 19. yüzyılın sonunda Lord Kelvin tarafından tanıtıldı.

isim veririm geometrik şekil veya bir nokta grubu kiraldir ve ideal bir düz aynadaki görüntüsü onunla birleştirilemezse, kiralliğe sahip olduğunu söylüyorum.

Orijinal metin (İngilizce)

Herhangi bir geometrik şekle veya nokta grubuna kiral diyorum ve ideal olarak gerçekleştirilmiş bir düzlem aynadaki görüntüsü kendisiyle çakıştırılamıyorsa, kiraliteye sahip olduğunu söylüyorum.

W. T. Kelvin. Moleküler Dinamik ve Işığın Dalga Teorisi Üzerine Baltimore Dersleri, 1904

Kiral moleküllerin simetrisi

kiralite türleri

Varlığı kiralitenin ortaya çıkmasına neden olan molekülün elementine bağlı olarak, aşağıdaki kiralite türleri ayırt edilir:

merkezi kiralite

Ana makale: merkezi kiralite

Merkezi kiralite, kural olarak 4 farklı ikame ediciye sahip asimetrik bir karbon atomu olan kiralite merkezinin (kiral merkez) molekülündeki varlığının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Kiral merkezler ayrıca atomlar da olabilir, daha az sıklıkla -. Adamantanın kiral türevlerinde, kiralitenin merkezi, hiç atomun olmadığı karbon kafesinin ortasında yer alır.

Eksenel (eksenel) kiralite

Ana makale: eksenel kiralite

Eksenel kiralite, sübstitüentlerin bir eksen, yani kiralite ekseni etrafındaki düzlemsel olmayan düzenlemesinden kaynaklanır. Kiralite ekseni, asimetrik olarak ikame edilmiş allenlerde bulunur. sp- allendeki hibrit karbon atomunun karşılıklı olarak dik iki P-yörüngeler. Bunların örtüşmesi P-komşu karbon atomlarının yörüngeleri, alendeki sübstitüentlerin karşılıklı olarak dik düzlemlerde yer almasına yol açar. Benzer bir durum, spirosiklik bileşiklerde olduğu gibi aromatik halkaları birbirine bağlayan bağ etrafında dönüşün zor olduğu sübstitüe bifenillerde de gözlenir.

düzlemsel kiralite

Ana makale: düzlemsel kiralite

Kiralite düzlemi, ferrosen türevlerinde, ikame edilmiş parasiklofanlarda vb. mevcuttur. Bu terim kullanılarak, kiralite düzlemine göre molekülün düzlem dışı elemanlarının kiral düzenlemesi açıklanır.

sarmal kiralite

Sarmal kiralite, helisen gibi sarmal, pervane veya vida şeklinde elementlere sahip bileşiklerin karakteristiğidir. Heksahelycene'deki altı aromatik halka aynı düzleme sığamaz, bu nedenle sola veya sağa bükülebilen bir sarmal oluştururlar. Bu tip kiralite proteinlerde ve nükleik asitlerde de gözlenir.

Topolojik kiralite

Topolojik kiralite, supramoleküllerin yapısal asimetri karakteristiğinin, örneğin katenanlar, rotaksanlar, moleküler düğümlerin varlığıyla ilişkilidir.

Stereojenik elektron çiftine sahip bileşiklerin kiralitesi

Biyolojide kiralite

Birçok biyolojik olarak aktif molekülün kiralitesi vardır ve doğal amino asitler ve şekerler doğada esas olarak enantiyomerlerden biri biçiminde bulunur: amino asitler esas olarak l-konfigürasyonuna ve şekerler - d-konfigürasyonuna sahiptir.

Aynı molekülün iki enantiyomerik formu genellikle farklı biyolojik aktivitelere sahiptir. Bunun nedeni, reseptörlerin, enzimlerin, antikorların ve vücudun diğer elementlerinin de kiraliteye sahip olmasıdır ve bu elementler ile kiral moleküller arasındaki yapısal bir uyumsuzluk onların etkileşime girmesini engeller. Örneğin, kiral moleküller olan enzimler genellikle enantiyomerlerden biriyle spesifik reaktivite sergiler. Benzer örnekler tıbbi bileşikler için tipiktir. Yani ibuprofenin sadece bir enantiyomeri biyolojik aktiviteye sahiptir - ( S)-(+)-ibuprofen, optik antipodu ise ( R)-(−)-ibuprofen vücutta inaktiftir.

eşcinsellik

Ana makale: eşcinsellik

Nadir istisnalar dışında, doğal kiral amino asitler ve monosakkaritler, olası iki izomerin tek bir izomeri olarak sunulur. Bu nedenle, proteinlerin bileşimi neredeyse tamamen l-amino asitleri içerir ve DNA ve RNA yalnızca d-karbonhidratlar temelinde oluşturulur. Kimyasal bileşiklerin bu özelliğine denir. eşcinsellik(kiral saflık). Bu fenomenin kökeni ve amacı tam olarak belirlenmemiştir, ancak genellikle yaşamın kökeni sorunuyla ilişkilendirilir.

Yaşamın kiral saflığı. Yaşamın kökeni sorusunda, gizemli olanlardan biri mutlak kiral saflığın varlığıdır (Yunanca cheir - elden): canlılarda, protein moleküllerinde yalnızca "sol" amino asitlerin içeriği ve "sağ" nükleik asitlerdeki şekerler. Böyle bir fenomen, yalnızca prebiyolojik ortamda (amino asitlerin ve şekerlerin sağ ve sol izomerlerinin eşit içeriği) birincil ayna simetrisinin kaybının bir sonucu olarak ortaya çıkabilir. Cansız doğa, ayna simetrisi (ırklanma) oluşturma eğilimindedir.

Son deneyler, polinükleotit zincirinin biyolojik olarak önemli ölçüde uzamasının ve kendi kendini kopyalama sürecinin pratik olarak yalnızca kiral olarak saf çözeltilerde ortaya çıkabileceğini göstermiştir. Bir rasemik polinükleotit, bazları farklı yönlere baktığından ve sarmal bir organizasyona sahip olmadığından kopyalanamaz. Canlı sistemler, sağ elli şekerlerden gelen tRNA'ların kendilerine yalnızca sol elli amino asitleri bağlayacak şekilde organize edilmiştir. Bu nedenle, görünüşe göre yaşamın ortaya çıkışı, biyolojik öncesi ortamın (V. Gol'danskii, L. Morozov) ayna simetrisinin yok olmasına ve kendi kendini kopyalayan sistemlerin ortaya çıkmasına kadar dışlandı. Tüm canlı organizmalar kiral saflıklarını korurlar ve evrim onlara rasemik bir ortamda yaşama olanağı sağlamamıştır.

Genetik kodun ortaya çıkışı.Çözeltideki amino asitler ve nükleotidler, peptit (amino asitler için) veya fosfodiester (nükleotidler için) bağları kullanarak doğrusal yapılar - büyük polimerler - kullanarak rastgele birbirine bağlanır. Polipeptitler (proteinler) ve polinükleotitler (ribonükleik ve deoksiribonükleik asitler) bu şekilde oluşur. Bir polimer oluştuğunda, diğer polimerlerin oluşumunu uyaracaktır. Polinükleotitler daha sonra polimerizasyon reaksiyonu için bir şablon görevi görür ve böylece yeni polinükleotitlerdeki nükleotit dizisini belirler. Örneğin, poliüredilik asit nükleotitlerinden (poli U) oluşan bir polimer, karşılık gelen alt birimlerin tamamlayıcı bağlanmasının bir sonucu olarak poliadenilik asit nükleotidlerinden (poli A) oluşan bir polimerin sentezi için bir şablondur. Yeni molekül, orijinal matristen bir kalıp gibi çıkıyor. D. Watson'ın sözleriyle, tamamlayıcı matris kopyalama mekanizması "zarif ve basittir".

Urasil, adenin, sitozin ve guanin'in neden tüm canlılar hakkındaki bilgileri kodlayabilen genetik alfabenin harfleri olduğu tam olarak açık değil. Belki de bu tamamen tesadüftür ve bu dört nükleotid yerine başkaları da olabilir. RNA molekülünün ayrıca bir kimyasal kimliği vardır - nükleotit dizisi, çözeltideki molekülün katlanmasının (konformasyonunun) doğasını belirler, makromolekülün üç boyutlu kıvrımları, her nükleotit dizisi için farklıdır.

RNA molekülü tek sarmallı, DNA molekülü ise iki sarmallıdır. Çift sarmallı yapı, sarmallardan birindeki hasarı onarma (düzeltme) yeteneğine sahiptir ve bu nedenle DNA, genetik bilgiyi depolamak ve iletmek için daha güvenilir bir araçtır.Milyonlarca yıllık prebiyolojik evrim sürecinde, DNA'nın bu yeteneği seçilerek fark edilir. Oldukça karmaşık bir sistemin ortaya çıkmasıyla birlikte, DNA bilgi depolama özelliğini üstlendi, proteinler reaksiyonlar için katalizör oldu ve RNA, DNA ile proteinler arasında aracı olma işlevini sürdürdü.

Matris çoğaltma ilkesi aracılığıyla bilgi kaydetme ve iletme olasılığı, bir genotip ve bir genetik kod oluşturma olasılığına yol açtı, molekülün benzersiz uzamsal yapısı (fenotipe benzer) en uygun makromoleküllerin doğal seçilim olasılığını belirledi. belirli bir durum için.

Doğa, en az bir milyar yıl boyunca hayal edilemeyecek sayıda çeşitli kombinasyonları deneyerek genetik kodun mekanizmasını "buldu". Bilgileri kaydetmenize ve aynı zamanda (zaman zaman kaçınılmaz kopyalama hataları - mutasyonların bir sonucu olarak) onu değiştirmek için malzeme almanıza izin veren böyle bir mekanizma olmasaydı, hayat asla sunulduğu biçimde ortaya çıkmazdı. Yeryüzünde.

Yukarıdakilerin tümü, yaşamın kökeni için olası yolların makul hipotezlerinden başka bir şey değildir ve burada yeni ilginç keşifler bekleyebiliriz. evet içinde son yıllar Kaplıcalarda, okyanusların dibinde, bazı geviş getiren hayvanların midelerinde yaşayan, karbondioksit, hidrojen emen ve metan salan (metan oluşturan bakteriler) uzun zamandır bilinen bakterilerin, protobiyontların birçok özelliğini koruduğu gösterilmiştir.

Dünyadaki yaşamın kökeni hakkında hala belirsiz olan çok şey var. Hayat Dünya'ya mı getirildi yoksa burada mı ortaya çıktı? 20. yüzyılın sonunda keşif. meteoritlerdeki fosil prokaryotların (görünüşe göre siyanobakteriler) izleri, 19. yüzyılın sonunda ortaya atılan panspermi hipotezine olan ilgiyi canlandırdı. S. Arrhenius ve V.I. Vernadsky (hayatı "ebedi bir fenomen" olarak görüyordu) ve zamanımızda - ünlü mikrobiyolog G.A. Zavarzin. Bununla birlikte, giderek daha fazla gerçek ve hesaplamanın, tüm Evrenimizin 12-20 milyar yıl önceki "büyük patlama" sonucunda oluştuğunu gösterdiği göz önüne alındığında, panspermia hipotezi yaşamın kökeni sorununu çözmez, yalnızca aktarır. kökeninin Dünya'dan başka bir uzay gövdesine yeri ve yaşamın ortaya çıkma zamanını biraz geciktirir.

Dünyadaki yaşamın kökeni alanındaki çözülmemiş bir başka bilmece, mecazi olarak N.N. Vorontsov: “Yer kabuğunun soğumasından hemen sonra, gezegenimizde yaşamın ortaya çıktığı izlenimi ediniliyor. Sanki gezegene bir kibrit getirilmesi gerekiyordu, böylece üzerinde yaşam alevi çıktı!. Önemli olan sadece kimyasal değil, aynı zamanda canlıların görünümünün ekolojik yönüydü. Yaşam hemen ekosistemler biçiminde var olmak zorundaydı. Biyolojik çeşitlilikteki kaçınılmaz artış (yüz milyonlarca yıldır - "mikrobik"), bu tür ilkel ekosistemlerin istikrarında bir artışa yol açmalıydı, hızlı büyüme gezegendeki biyoüretkenlikleri ve biyokütleleri. Yaşam bir kez ortaya çıktığında (nasıl olursa olsun), yaşamın (jeolojik zaman ölçeğinde - anında) tüm gezegeni kaplaması gerekir.

Elbette hayatın kökeni hakkında birçok soru var (ve her zaman olacak). Biyolojik değişim bir koaservat durumundan mı geçti yoksa genetik kod mu geliyor? Neden yer kabuğundaki bazı nadir elementler (molibden, magnezyum) biyolojik değişimde sıradan elementlerden (silikon, kalsiyum) daha büyük bir rol oynamaya başladı? Birçok benzer soru var, açıklamalarını bekliyorlar. Ancak, fiziksel çevresel faktörlerin etkisiyle ve biyolojik öncesi seçilimin etkisiyle inorganik maddelerden yaşamın ortaya çıkma olasılığı bilimsel olarak güvenilir olmaya devam ediyor. Bilimsel olarak kanıtlanmış, temel parçacıklar ve moleküller arasında giderek daha karmaşık bir etkileşim olasılığı vardır ve bu da kendi kendini yöneten makromoleküllerin ortaya çıkmasına yol açar.