2.2. A szerves vegyületek háromdimenziós szerkezete: konformáció és konfiguráció

Azonos szerkezeti képlettel rendelkező vegyületekben az egyes atomok kapcsolódási sorrendje ugyan azonos, de az atomok egymáshoz képesti térbeli elrendeződése, vagyis sztereokémiája, eltérő lehet. A kizárólag sztereokémiájukban eltérő molekulák egymás térszerkezeti izomerjei. A térszerkezeti izomereknek (sztereoizomereknek) két típusa van. Ezek a következő alfejezetekben ismertetett geometriai és optikai izomerek.

Mielőtt ismertetjük ezeket, az atomok, funkcionális csoportok eltérő térbeni elrendeződésével kapcsolatban két fontos fogalmat kell precízen megkülönböztetnünk.

Az egyik a konfiguráció. A konfiguráció a molekulán belüli atomoknak olyan rögzített térbeli elrendeződése, amely csak kovalens kötések ideiglenes felbontása árán változtatható meg. Az egyik konfigurációs állapotból egy másikba tehát csak kémiai kötés felbontása és új kötés kialakítása árán lehet átkerülni. Ez egyben azt is jelenti, hogy az eltérő konfigurációs állapotok eltérő molekulákat (vegyületeket) jelentenek!

A konformáció ezzel szemben a molekulán belüli atomok olyan térbeli elrendeződése, amely kémiai kötések felbontása nélkül, pusztán kötések körüli elfordulásokkal megváltoztatható. Tehát egyik konformációs állapotból a másikba kötésbontás nélkül átvihető a molekula. Ez az előzőekkel szemben azt jelenti, hogy amikor konformációs állapotokat különböztetünk meg, akkor nem különböző molekulákról, hanem egy adott molekula különböző térszerkezeti állapotairól van szó.

2.2.1. Konfiguráció I.: geometriai (cisz-transz) izoméria

A konfiguráció egyik típusa a geometriai, vagy más néven cisz-transz izomériával kapcsolatos, amit a fumársav-maleinsav pár példáján mutatunk be (lásd 2.6. ábra).

2.6. ábra: A geometriai (cisz-transz) izoméria bemutatása a maleinsav és a fumársav példáján keresztül

2.6. ábra: A geometriai (cisz-transz) izoméria bemutatása a maleinsav és a fumársav példáján keresztül

A geometriai izoméria az atomok közötti kötések körüli szabad rotáció hiányából fakad. Ennek legtipikusabb esete a kettőskötéssel függ össze. A kettőskötés körül nincs szabad rotáció. Ahhoz, hogy a kettőskötés tengelye körül a molekula két része egymáshoz képest elforduljon, a kettőskötés két kötése közül az egyiknek, a pi kötésnek ideiglenesen fel kell bomlania, majd újra ki kell alakulnia. Szigorúan értelmezve a cisz-transz izomériát arra az esetre vezették be, amikor a kettőskötéssel összekötött két atomhoz ugyanaz a kétféle funkciós csoport kapcsolódik (a példaként bemutatott esetben mindkettőhöz egy hidrogénatom, és egy karboxilcsoport). Ha a két azonos funkciós csoport a kettőskötés azonos oldalán van, akkor ezek egymáshoz képest cisz helyzetben vannak, és ez lesz a cisz izomer, ha átellenes oldalon helyezkednek el, akkor transz helyzetben vannak, ami a transz izomernek felel meg. Mint látható, ebben a konfiguráció típusban az izomerek azonos összetétellel, azonos szerkezeti képlettel és azonos funkciós csoportokkal rendelkeznek, de ezeknek a funkciós csoportoknak az egymástól mért távolsága, az egymáshoz viszonyított térállása eltérő. Így természetesen az izomerek alakja is eltérő lesz, ami miatt az izomerek molekuláris kölcsönhatásai is eltérőek lesznek. Ráadásul az amúgy azonos funkciós csoportok kémiai környezete a kétféle izomerben eltérő, ami a csoportok fizikokémiai tulajdonságait az egyes izomerekben eltérővé teszi.

Hasonló, kovalens kötés felbomlása nélkül nem megvalósítható rotáció, és így cisz-transz izoméria jelentkezhet gyűrűs vegyületekben is. Mindkét esetben igaz, hogy a két eltérő konfigurációhoz tartozó molekula olyannyira eltérő tulajdonságokkal bír, hogy hagyományos vegyületnevük is eltér, esetünkben maleinsav (hivatalos, IUPAC elnevezése (Z)-buténdisav) és fumársav (IUPAC neve (E)-buténdisav).

2.2.2. Konfiguráció II.: királis centrumok és optikai izoméria

Ha egy szénatom körül négy különböző funkcionális csoport van (királis centrum), akkor ezek kétféle módon rendezhetők el térben. Az egyik forma a másik tükörképe, és ezek nem vihetők át egymásba térbeli forgatással (lásd 2.7. ábra). Az ilyen tükörképi molekulák egymás enantiomerjei.

2.7. ábra: A királis centrum és az abból eredő optikai izoméria szemléltetése

2.7. ábra: A királis centrum és az abból eredő optikai izoméria szemléltetése

Természetesen rendkívül fontos, hogy egyértelműen meg tudjuk nevezni a tükörképi molekulákat.

A központi szénatomhoz kapcsolódó funkciós csoportokat egyértelműen sorba lehet rendezni a funkciós csoportban található atomok rendszáma és összekapcsolódási sorrendje alapján (lásd 2.8. ábra).

A legalacsonyabb „rangja” a legkisebb rendszámú hidrogénnek van, ennél magasabb rangot képvisel, ha a központi szénhez egy szénatom kapcsolódik. Ez utóbbi esetből a legalacsonyabb rangú, ha ez a kapcsolódó szén 3 hidrogénnel van kovalens kötésben, vagyis ha a központi szénhez egy metilcsoport kapcsolódik. Ennek a logikának megfelelően a leggyakoribb funkciós csoportok rangsorrendje balról jobbra haladva csökkenő sorrendben az alábbiak szerint alakul:

─OCH3 > ─OH > ─NH2 > ─COOH > ─CHO > ─CH2OH > ─CH3 > ─H

2.8. ábra: Az optikai izomerek egyértelmű elnevezése a különböző rangú funkciós csoportok relatív térbeli helyzete alapján

2.8. ábra: Az optikai izomerek egyértelmű elnevezése a különböző rangú funkciós csoportok relatív térbeli helyzete alapján

A rangok egyértelmű kioszthatósága teszi tehát lehetővé az enantiomerek egyértelmű megnevezését. A megfelelő azonosítás érdekében a legalacsonyabb rangú funkciós csoportot hátra helyezzük el a térben. Az előre kerülő, egy síkot definiáló három eltérő, 1., 2. és 3. rangú funkciós csoport esetében megnézzük, hogy azok milyen irányban olvashatók össze ebben a sorrendben. Ha az összeolvasáshoz az óramutató járásával egyező irányban kell haladnunk, akkor az enantiomer jelölése R (a latin rectus, jobb oldali kifejezésből), ha pedig az óramutató járásával ellentétesen kell haladnunk, akkor S (latinul sinister: bal).

Egyetlen királis centrum esetén két sztereoizomer létezik, míg „n” királis centrum esetén 2n-féle sztereoizomer van. Ezek rendre enantiomer párokat alkotnak (lásd 2.9. ábra).

2.9. ábra: Enantiomer és diasztereomer molekulák szerkezeti összehasonlítása

2.9. ábra: Enantiomer és diasztereomer molekulák szerkezeti összehasonlítása

Egynél több királis centrum esetén lesznek olyan sztereoizomerek, amelyek egymásnak nem tükörképei, tehát egymás viszonylatában nem enantiomerek. Azok a sztereoizomerek, amelyek egymásnak nem enantiomerjei, a diasztereomerek.

Az enantiomerek esetében figyelemreméltó, hogy ezek funkciós csoportjai egymástól azonos távolságra vannak, és ezek egymással bezárt irányszögei is azonosak. Emiatt a korábban említett geometriai izomériával ellentétbenaz enantiomerek a legtöbb fizikokémiai paramétereik (pl. olvadáspont, savas csoportok disszociációs állandója stb.) tekintetében megkülönböztethetetlenek egymástól.

Az enantiomerek különbségei kizárólag akkor nyilvánulnak meg, ha szintén tükörképi párokba rendezhető molekulákkal, vagy fizikai jelenséggel kerülnek kölcsönhatásba.

2.10. ábra: Két borkősav enantiomer összehasonlítása

2.10. ábra: Két borkősav enantiomer összehasonlítása

A 2.10. ábrán szereplő két borkősav-izomer egymás enantiomere. (Ebben a speciális esetben, amikor a két királis centrumhoz ugyanaz a 4-féle funkciós csoport kapcsolódik, összesen nem 4, hanem 3 izomer létezik. A 2R, 3S-borkősav, illetve a 2S, 3R-borkősav ugyanis egymással egybeforgatható, tehát egyetlen fajta molekula, amely az előző kettőnek a diasztereomere). Az enantiomer keveréket tartalmazó (racém) oldatban a fent említett szabályszerűség miatt egy 2R, 3R-borkősav molekula másfajta másodrendű kölcsönhatásokat alakít ki egy másik 2R, 3R-borkősav molekulával, mint a saját tükörképi párjával (és ez szimmetrikusan igaz a 2S, 3S-borkősav molekulára is). A konkrét esetben mindkét molekula stabilabb kölcsönhatásokat tud létrehozni a vele tökéletesen megegyező molekulákkal, mint a tükörképi párjával. Kristályosítás során a molekulák egymással másodrendű kölcsönhatásokat hoznak létre, és egymáshoz viszonyítva szabályosan rendeződnek el a térben. Az említett preferenciális kölcsönhatás miatt a két enantiomer kristályosítással elválasztható egymástól. A két enantiomer aszimmetrikus, egymáshoz képest tükörképi kristályokat alkot.

Az enantiomerek a síkban polározott fényt egymáshoz képest ellentétes irányban forgatják el. A síkban polározott fény, amelyben az elektromágneses hullám egyetlen síkban rezeg, felfogható két, ellentétes (egy óramutató járásával egyező, és egy azzal ellentétes) irányba tekeredő, azonos fázisú és amplitúdójú, cirkulárisan polározott fény (tehát fényspirál) eredőjeként. Az enantiomerek eltérő módon gerjeszthetők a két fényspirál komponenssel, emiatt a polarizáltság síkja az egyik enantiomernél az óramutató járásával egyező, a másiknál azzal ellentétes irányban elfordul. A jelenséget elsőként Louis Pasteur (1843-ban) mutatta ki.

Amint azt látni fogjuk, a kiralitásból eredő enantiomerek nevezéktanára van egy másik, Emil Fischer által bevezetett (D- és L-izomerek) nevezéktan is, amit a biokémia hagyománytiszteletből megőrzött. Ezt az aminosavak ismertetésénél tárgyaljuk, de a most következő példák egyikében, amelyik aminosavakat érint, már szerepeltetjük.

Az enantiomer párok tehát sokkal jobban hasonlítanak egymásra, mint a diasztereomerek, vagy éppenséggel a geometriai izomerek. Ezért az elnevezésük is azonos, leszámítva azt az egybetűs kódot (R vagy S, illetve D vagy L) amelyik a funkciós csoportok térbeni elrendeződésére utal. A tükörképi párok megkülönböztetése kifinomult optikai eljárásokat igényel, fizikai elválasztásuk pedig komoly technikai kihívást jelent. Ennek tükrében rendkívül figyelemreméltó, hogy az élő rendszerek könnyedén megkülönböztetik egymástól az enantiomer párokat. A szőlőcukrot (D-glükóz) például a sejtek pillanatok alatt vízre és széndioxidra bontják le, míg a tükörképi párt (L-glükóz) nem tudják átalakítani.

Egyes enantiomer párok a szervezetünk számára könnyedén, már szaglás illetve ízlelés útján is megkülönböztethetőek. Az (R)-karvon például a fodormenta illatanyaga, míg a tükörképi párja az (S)-karvon adja a köménymag jellegzetes illatát (lásd 2.11. ábra). Ezeket tipikusan természetes forrásból izolálják, de amennyiben szintetikusan, racém keverékként állítanák elő, úgy a felhasználhatósághoz mindenképpen el kellene választani egymástól a két komponenst.

Egy másik tanulságos példa az egyik mesterséges édesítőszerrel kapcsolatos. Az L-aszpartil-L-fenilalanin-metilészter édes, míg az a molekula, amelyben a fenilalanint tartalmazó rész az előzőnek tükörképi párja, éppenséggel keserű.

Vajon minek köszönhető, hogy a szervezetünk képes erre a „finom” különbségtételre? Az ízérzékelés és a szaglás molekuláris szinten megfelelő receptoron alapul. Ezek a specifikus receptorok lépnek másodlagos kölcsönhatásokon keresztül kapcsolatba a felismert molekulával. A receptorok az élő szervezetben fehérjék, és a fehérjék maguk is királis molekulák. A 20 fehérjealkotó aminosavra egy (a glicin) kivételével mind igaz, hogy alfa-szénatomja királis centrum. A fehérjékben a glicint leszámítva a 19 aminosav mind létezhetne enantiomer párokban, de a valóságban ezek az aminosavak mind csak az egyik konfigurációban (a Fischer nevezéktan szerint az L sztereoizomer) vannak jelen.

Ha egy receptor valamilyen kötőzsebe stabil kölcsönhatást tud létrehozni egy olyan molekulával, vagy molekularészlettel, ami királis, akkor magától értetődően ugyanez a kötőzseb nem tud ugyanolyan kölcsönhatást létesíteni a tükörképi párral. Ismert példa erre a jobb kéz és a bal kéz esete. A két kezünk egymás tükörképe, melyek nem forgathatók fedésbe. Ennek megfelelően a balkézre pontosan illeszkedő kesztyű (lásd kötőzseb) nem tudja szorosan illeszkedve befogadni a jobb kezünket, illetve a jobbkezes kesztyű nem illeszkedik szorosan a balkezünkre. A fenti példákban az egyes enantiomereket más-más receptorok kötik meg, és ennek megfelelően eltérő jel kerül feldolgozásra az agyban. A glükóz esetében is fehérjékkel kapcsolatos az említett megkülönböztetés. A glükóz lebontása egy soklépéses kémiai folyamatsor, amelyben minden lépést specifikus enzimek katalizálnak. A résztvevő enzimek mind fehérjék, amelyek sztereospecifikus kötőhellyel rendelkeznek a szubsztrátjuk számára. A királis szubsztrát tükörképi párjával nem lépnek kapcsolatba.

2.11. ábra: Az enantiomerek biológiai hatása eltérő

2.11. ábra: Az enantiomerek biológiai hatása eltérő

2.2.3. Konformáció

Mint említettük, a konformáció a molekulán belüli atomok olyan térbeli elrendeződése, amely kémiai kötések felbontása nélkül, pusztán kötések körüli elfordulásokkal megváltoztatható. Az egyes konformációs állapotokat konformációs izomereknek, röviden konformereknek is nevezik. Mivel az egyes állapotok között kötések körüli rotációval lehet „közlekedni” a rotamer elnevezés is használatos. Példa gyanánt nézzük meg az etán konformációs állapotait (lásd 2.12. ábra).

2.12. ábra: Az egyes rotamerek potenciális energiája eltérő

2.12. ábra: Az egyes rotamerek potenciális energiája eltérő

Az átfedő állapotokhoz valamivel magasabb energiaszint tartozik, ezért a molekulák nagyobb hányada a keresztező rotamer állapotban van. Bár a konformer állapotok közötti átmenetekhez nem kell kovalens kötést bontani, mégis kialakulhatnak viszonylag stabil konformer állapotok. Ennek részben termodinamikai, részben kinetikai okai vannak. Az egyes konformer állapotokhoz, mint már az etán példáján is láttuk, eltérő szabadentalpia szintek tartoznak. Minél alacsonyabb ez a szabadentalpia szint, a molekuláknak annál nagyobb hányada lesz abban az állapotban.

Tegyük fel, hogy van két megkülönböztethető konformációs állapot, amelyekhez azonos szabadentalpia szint tartozik. Ezek 1:1 arányban lesznek jelen. Tegyük fel azt is, hogy valamilyen fizikokémiai eljárással el tudjuk választani a két konformert egymástól. Amennyiben a két állapot között rendkívül gyors az átmenet, úgy az elválasztás végére újra egy 1:1 arányú keveréket kapunk, hiszen már a szeparáció során beállna az új egyensúly. Ha azonban az egyik állapotból a másikba egy magas aktivációs szabadentalpiájú köztes állapoton keresztül vezet csak az út, akkor az új egyensúly csak nagyon lassan áll be, így a két konformer (ideiglenesen) elválasztható egymástól.

2.2.3.1. A makromolekulák konformációs állapotai

A biokémia érdeklődési körén belül különleges helyet foglal el a makromolekulák konformációja. A makromolekulák esetében funkcionális értékelés alapján megkülönböztetünk natív, tehát funkcióképes, és funkcióképtelen konformációkat (az utóbbi konformációs állapotokat denaturáltnak nevezzük).

Az élőlényekben található DNS natív állapota például a kettős spirál, amelyben a két egymással komplementer DNS szálat a Watson és Crick által leírt bázispárosodási szabályok szerint hidrogénhidak (és egyéb van der Waals kölcsönhatások) tartják össze. A DNS denaturált állapotának azt a konformációt nevezzük, amikor a két szál teljes mértékben elválik egymástól.

Az RNS molekulák egy jó részének is van jól definiált térbeli szerkezete, natív konformációja. A tRNS molekulák például jellegzetes, szoros térkitöltésű, L-alakú molekulák, amelyek natív szerkezetét bázispárok és egyéb van der Waals kölcsönhatások stabilizálják. Ugyancsak határozott szerkezet jellemzi a riboszómális RNS-eket is.

A fehérjék tetemes része ún. globuláris fehérje. Ezek a fehérjék apoláros belső résszel, más néven hidrofób maggal rendelkeznek. A hidrofób mag a hidrofób hatásnak nevezett termodinamikai jelenség (lásd 2.5.3. fejezet) miatt alakul ki, és döntően befolyásolja a fehérje stabilitását.

A natív konformáció közelebbről megvizsgálva valójában egy olyan konformáció sereget jelent, amelyet a molekula a működése során felvesz. Maga a fogalom egyfajta evolúción ment át, részben a vizsgálati módszerek függvényében. A mai napig leghatékonyabb atomi felbontású szerkezetvizsgáló módszer a röntgenkrisztallográfia. Ez az eljárás egy döntően statikus képet nyújt a kristályosított makromolekula szerkezetéről. Az esetek többségében ez a szerkezet egyfajta átlagos szerkezetet jelent, ami „körül” sokféle konformációs állapot lehetséges. Ez részben abból vált nyilvánvalóvá, hogy azonos, de különböző körülmények között kristályosított makromolekulák szerkezete kismértékben eltérhet. Rendkívül hasznosnak bizonyultak azok a vizsgálatok, amikor ugyannak a makromolekulának különböző természetes kölcsönható partnereivel alkotott komplexeit sikerült kristályosítani. Ezek a vizsgálatok is azt jelezték, hogy a makromolekulák többségének a működés során jellegzetesen megváltozhat a szerkeze (lásd még 17.1. fejezet). A makromolekulák inherens konformációs szabadságát jól jelzik az oldatfázisú NMR vizsgálatok is, amelyek során gyakran fény derül arra, hogy a makromolekulák mindenféle kölcsönható partner nélkül is különböző natív konformációk egyensúlyában létezhetnek.