Chiralita

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

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. 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^[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.

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.^[2]

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. Nicméně lze dosáhnout i reakcí mezi různými chiralitami.^[3] 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.^[4]

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. 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^[zdroj?] 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).^[5]

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.^[6]

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.^[7]

Látky s chirálními molekulami stáčejí rovinu polarizovaného světla.

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 ${\displaystyle \gamma ^{5}:=\mathrm {i} \gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\,}$).^[8]

Kvantové stavy leptonů a kvarků se popisují pomocí dirakovských bispinorů. S výhodou se využívá rozkladu stavu ${\displaystyle \psi \,}$ do dvou složek s definovanou chiralitou (levotočivé – "L" a pravotočivé – "R"):^[8]

${\displaystyle \psi =\psi _{\mathrm {L} }+\psi _{\mathrm {R} }\,}$

${\displaystyle \psi _{\mathrm {L} }={\tfrac {1}{2}}(1-\gamma ^{5})\psi }$

${\displaystyle \psi _{\mathrm {R} }={\tfrac {1}{2}}(1+\gamma ^{5})\psi }$

Ukazuje se, že v silných interakcích se projevuje dobrá chirální symetrie, narušená pouze díky nenulovosti klidových hmotností částic,^[9] slabé interakce jsou výrazně chirálně asymetrické – v interakčním lagrangiánu vystupují pravotočivé a levotočivé složky odlišně.^[10]

• Symetrie
• Optická aktivita

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Chiralita na Wikimedia Commons