Chiralita

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Šroubovice s opačnou chiralitou
Enantiomery aminokyseliny
Cahn-Ingold-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. 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 jsou plně chirální, se označují jako homochirální.

Chiralita v chemii[editovat | editovat zdroj]

Chiralita je běžná zejména u molekul organických látek. Chirální molekula obsahuje jeden nebo více tzv. středů chirality (chirálních atomů), což je atom, který má své sousedy navázány zrcadlově asymetricky. Většinou se jedná o atom uhlíku se čtyřmi různými substituenty. Tam stereodeskriptor R označuje pravotočivou konfiguraci na chirálním centru. Postavíme-li model molekuly tak, aby nejlehčí radikál směřoval dozadu, potom v popředí podle velikosti od nejtěžšího k nejlehčímu jsou zbylé radikály seřazeny ve směru hodinových ručiček (doprava) a naopak stereodeskriptor S označuje pravotočivou konfiguraci (zbylé radikály jsou seřazeny proti směru hodinových ručiček (doleva)). Při posuzování "hmotnosti" má přednost nejbližší (sousední) atom před celkovou "hmotností". Při rovnosti sousedních atomů se zohledňuje "hmotnost" v následné sféře porovnávaných radikálů. při výskytu násobné vazby se posuzuje tak jakoby místo jednoho atomu, vázaného dvojnou vazbou byly dva stejné atomy vázané jednoduchou vazbou (fantomové atomy) atd.[1]

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.

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

Zdrojem molekulární chirality může být jaderná chiralita, která se díky zesílení například autokatalytickou reakcí projeví makroskopicky.[2]

Chiralita v biologii[editovat | editovat zdroj]

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.

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.). 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).[3]

Na chirální konfiguraci záleží také u vyráběných protijedů (antidot) a mnohých léčiv. Proto je nutné dbát na důslednou separaci enantiomerů ve farmakologii. K tomu byla vyvinuta celá řada účinných metodik.[3]

Úzce související oblastí je i působení na smysly živočichů. Enantiomery mohou mít úplně odlišné senzorické vlastnosti, což je dáno chiralitou smyslových receptorů. 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.[3]

Chiralita v optice[editovat | editovat zdroj]

Látky s chirálními molekulami stáčejí rovinu polarizovaného světla.

Podrobnější informace naleznete v článku Optická otáčivost.

Chiralita v částicové fyzice[editovat | editovat zdroj]

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. pátá Diracova matice \gamma^5 := \mathrm{i}\gamma^0\gamma^1\gamma^2\gamma^3 \,).[4]


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"):[4]

\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,[5] slabé interakce jsou výrazně chirálně asymetrické – v interakčním lagrangiánu vystupují pravotočivé a levotočivé složky odlišně.[6]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Cahn-Ingold-Prelogova pravidla pro určování R/S
  2. http://forms.asm.org/microbe/index.asp?bid=45725 – Reexamining the Riddle of Homochirality
  3. a b c SMITH, Silas W.. Chiral Toxicology: It's the Same Thing…Only Different. Toxicological Sciences [online]. , 4. květen 2009, svazek 110, čís. 1, s. 4-30. Dostupné online. ISSN 1096-0929. DOI:10.1093/toxsci/kfp097.  (anglicky) 
  4. a b FORMÁNEK, Jiří. Úvod do relativistické kvantové mechaniky a kvantové teorie pole. Díl 1. 2. vyd. Praha : Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum, 2000. 346 s. ISBN 80-246-0060-9. Kapitola 3.1, s. 119-120.  
  5. CHENG Ta-Pei, LI Ling-Fong. Gauge Theory of Elementary Particle Physics. Oxford: Clarendon Press, 1984. (anglicky) Ruský překlad: Kalibrovočnyje teorii v fizike elementarnych častic. Moskva: Vydavatelství Mir, 1987. 624 s. Kapitola 5, s. 152–201
  6. Cheng, Li; kapitola 11, s. 387–418

Související články[editovat | editovat zdroj]