Kiralitás, enantiomer, biokatalízis − csupa olyan kifejezés, melyet a középiskolai kémia vagy biológia órán hallhattunk, de jelentésüket sokszor homály fedi. A következő néhány oldalon az említett fogalmak tisztázása mellett azok gyakorlati jelentőségét és egy kapcsolódó tudományos kutatás alapjait mutatom be.
A szénvegyületek rendkívül nagy száma lényegében az izoméria jelenségén alapul. A fogalom a görög iszosz (azonos) és merosz (részecske) szavakból ered [1]. A szerves vegyületek többségére jellemző, hogy az őket felépítő atomok anyagi minősége és mennyisége önmagában nem határozza meg a pontos szerkezetüket, mivel ugyanazok az atomok többféle módon is összekapcsolódhatnak. Ezeket az azonos atomi összetételű, de eltérő szerkezetű vegyületeket hívják izomereknek. A C5H10 összegképletű – vagyis öt szénatomból és tíz hidrogénatomból álló – vegyülethez például öt különböző szerkezet tartozhat (1. ábra), az elméletileg lehetséges struktúrák száma azonban nagyobb szénatomszám esetén a több százat is elérheti (bár ezeknek csupán egy része fordul elő a természetben) [2].
A strukturális eltérés jelentkezhet az atomok összekapcsolódási sorrendjében (konstitúciós izomerek) vagy a molekulán belüli térbeli elrendeződésükben (sztereoizomerek). Ez utóbbi kategóriába tartoznak az optikai izomerek, melyek tehát mind az őket felépítő atomokban, mind azok kapcsolódási sorrendjében megegyeznek [3]. Az egyetlen különbség a molekulák térszerkezetében fedezhető fel, melynek jellemzéséhez egy további fogalom, a kiralitás tisztázása szükséges. A tulajdonság szemléltetésének leggyakoribb példája a két kezünk, nem véletlen, hogy maga a királis kifejezés is a görög kheir (kéz) szóból származik. A jobb és bal kezünk ugyanis egymás tükörképei, azonos felépítésük ellenére nem hozhatók egymással fedésbe [4].
Ugyanez a tükörképi viszony jellemzi azokat az izomereket, melyekben egy központi szénatomhoz négy különböző atom vagy atomcsoport kapcsolódik. Amint azt a 2. ábra is szemlélteti, a négy atom(csoport) kétféleképpen rendeződhet el a szénatom körül, és bárhogy forgatjuk az egyik szerkezetet, nem tudjuk a másikba átalakítani. Az ilyen, úgynevezett aszimmetrikus szénatomot tartalmazó vegyületeket királis (másnéven optikailag aktív) anyagoknak, az egymással tükörképi viszonyban álló, de fedésbe nem hozható molekulákat pedig enantiomereknek nevezzük [2]. Fontos hangsúlyozni, hogy önmagában a tükörképi viszony nem egyenlő a kiralitással, hiszen bárminek létezhet tükörképe, az enantiomerek esetében viszont a szimmetriaviszonyok miatt a két változat nem feleltethető meg egymásnak.
Mivel a molekulák felépítése (az atomok távolsága, a kötések által bezárt szögek) a két enantiomer esetében azonos, ezért legtöbb fizikai és kémiai tulajdonságukban megegyeznek, ugyanakkora az olvadás- és forráspontjuk, reakciókészségük, stb. Ez azonban csak akkor igaz, ha akirális környezetben vannak, vagyis nem éri őket más királis jellegű hatás. Amennyiben az oldószer vagy a reakciópartner optikai aktivitással rendelkezik, a kétféle enantiomer eltérő sebességgel vehet részt a reakcióban, valamint a képződő termék is különbözhet [1].
A kétféle enantiomer 1:1 arányú keverékét racém elegynek nevezzük. Mivel akirális környezetben mindkét izomer azonos valószínűséggel keletkezik – hiszen ilyen körülmények között egyformán viselkednek a reakciókban –, a szerves kémiai szintézisek során mindig racém elegyet kapunk (hacsak nem alkalmazunk királis segédanyagot) [1].
A kiralitás biológiai jelentősége
Ahogy az előbbiekben említettük, az enantiomerek akirális környezetben teljesen egyformán viselkednek, éppen ezért tiszta enantiomer előállítása, illetve tükörképi párjától történő elválasztása csupán egy másik királis segédanyag alkalmazásával lehetséges. Ez alapján jogosan merülhet fel a kérdés, hogy miért éri meg foglalkoznunk az enantiomerekkel, van-e általunk is tapasztalható, gyakorlati jelentőségük?
Bár több millió növény- és állatfaj él a Földön [6], ezek mindegyike ugyanazokból az alapvető biomolekulákból épül fel, melyek közül az aminosavak és a cukrok egyaránt királisak. Enantiomereik egyik típusát tudománytörténeti okokból D, másikat pedig L betűvel jelölik, racém elegyük ennek megfelelően a D,L jelölést kapja [7].
Az aminosavak összekapcsolódásával fehérjék jönnek létre, melyek a biokémiai folyamatok katalizálásától kezdve szabályozó és strukturális funkción át az anyagszállításig az életműködés szinte minden területén nélkülözhetetlenek. A cukrok szintén fontos és változatos szerepet töltenek be az élő szervezetben, az összetett szénhidrátok, zsírok és a nukleinsavak (örökítőanyag) felépítésében egyaránt részt vesznek. Az aminosavak és a cukrok különböző variációi tehát minden élőlényben megtalálhatók, azonban – néhány kivételtől eltekintve – a lehetséges enantiomereknek csupán az egyik típusa fordul elő, vagyis azonos kiralitásúak (homokirálisak) [4]. Az aminosavak jellemzően az L, a cukrok pedig a D-sorozatba tartoznak szinte minden élőlény minden egyes sejtjében. Mivel a belőlük felépülő molekulák (fehérjék, DNS, stb.) térszerkezetét befolyásolja az egyes aminosavak, illetve cukrok kiralitása, ezek enantiomerjei nem felcserélhetőek, tehát ugyanazon aminosavak D-izomerjeiből felépülő fehérje szerkezetileg nem egyezne meg az L-aminosavakból álló változattal. A biomolekulák struktúrája pedig alapvetően meghatározza működésüket, éppen ezért hibás szerkezet esetén nem tudják megfelelően ellátni biológiai funkciójukat. E gondolatmenet alapján a kiralitás fontossága az élő szervezetek felépítésében és életműködésében megkérdőjelezhetetlen [7].
Enantiomerek az iparban
Az enantiomerek eltérő biológiai hatása nem csupán tudományos érdekesség, hanem a gyakorlatban is hasznosítható jelenség. A kiralitás hatásának ismerete a mezőgazdasági, élelmiszer-, kozmetika- és gyógyszeripari technológiákban egyaránt alkalmazható, sőt bizonyos területeken megkerülhetetlen.
Az aroma- és illatanyagok jelentős része királis vegyület, az egyes enantiomerek azonban különböző illatúak lehetnek. A 3. ábrán látható limonén egyik izomere citrom, a másik narancs aromájú, a karvon pedig köménymag, illetve mentol illatú. Az orrunkban található, szaglásért felelős receptorfehérjék képesek különbséget tenni a kétféle izomer között – hiszen maguk is királis aminosavakból épülnek fel –, ennek köszönhető az enantiomerek által kiváltott eltérő érzet [8]. Az aromák és illatanyagok felhasználhatók élelmiszerekben, kozmetikumokban és különböző illatosított termékekben (illóolajok, illatgyertyák, stb.).
Nemcsak az emberek szaglása és ízérzékelése érzékeny az enantiomerekre. A rovarok által kibocsátott feromonok, melyek fontos szerepet játszanak a faj egyedei közti kommunikációban, szintén lehetnek királis vegyületek, ahogy azt például a gubacsszúnyogok esetében megfigyelték. Ezek a rovarok különböző dísz- és haszonnövények – például egyes gabonafélék – kártevői, melyek közül a lepényfa-gubacsszúnyog a dísznövényként tartott lepényfát támadja meg. A nőstények által kibocsátott, a hímeket csalogató szexferomonnak két optikai izomerje létezik, közülük elsősorban csak az egyik felelős a biológiai hatásért. A szintetikusan előállított vegyület segítségével feromoncsapda készíthető, mely növényvédelmi előrejelzésre (rajzásmenet nyomon követésére) használható [9].
Az enantiomerek alkalmazásának talán az egyik legfontosabb területe a gyógyászat. Ha belegondolunk abba, hogy a testünket felépítő molekulák jelentős része királis, kézenfekvőnek tűnik, hogy a szervezet működését befolyásoló gyógyszerek esetleges optikai aktivitása nem elhanyagolható szempont egy hatóanyag vizsgálata során. Ez azonban korántsem volt mindig így, az ötvenes években még az általánosan elterjedt gyakorlat szerint a szintetikus előállítás során kapott racém elegyet alkalmazták. Ráadásul akkoriban az új hatóanyagok forgalomba hozatala előtt nem volt kötelező a teratogén (magzatkárosító) hatás vizsgálata sem. Ezek a körülmények járultak hozzá az egyik leghírhedtebb gyógyszer, a Contergan piacra kerüléséhez és gyors elterjedéséhez. A thalidomid hatóanyagú német gyógyszert fájdalomcsillapítóként, altatóként, illetve megfázásos tünetek enyhítésére alkalmazták, emellett hatékonyan enyhítette a terhességgel járó émelygést, hányingert. Néhány évvel később azonban bebizonyosodott, hogy kismamáknál alkalmazva a gyógyszer a magzat súlyos fejlődési rendellenességét eredményezi, mely elsősorban a végtagokat érinti, de halláskárosodás és egyéb deformitások is felléphetnek (4. ábra) [10].
A későbbi sztereokémiai vizsgálatok során kiderült, hogy a magzatkárosító hatásért a thalidomid egyik enantiomerje felelős, míg a tényleges gyógyhatást a másik fejti ki. Tehát tiszta enantiomer alkalmazásával feltehetőleg elkerülhető lett volna a mellékhatás és növelhető a szer hatékonysága. (Bizonyos vegyületek, köztük a thalidomid enantiomerjei is képesek a szervezetben egymásba átalakulni, ezért ebben az esetben a tiszta enantiomer használata sem jelent teljes biztonságot [5].) Részben a Contergan-tragédia eredménye, hogy ma már a királis hatóanyagok esetében mindkét enantiomer és a racém elegy komplex sztereokémiai vizsgálata szükséges a gyógyszer engedélyeztetéséhez [10].
A fenti példák alapján belátható, hogy bármilyen királis molekulát szeretnénk felhasználni – az alkalmazási területtől függetlenül –, a racém elegyet és az egyes enantiomereket külön-külön is meg kell ismernünk. Gyakori jelenség ugyanis, hogy a különböző izomerek eltérő biológiai hatással rendelkeznek, nem váltanak ki hatást vagy épp károsak az élővilágra. Még ha nem is jelent közvetlen veszélyt egy (látszólag) hatástalan vegyület használata, felesleges terhelést jelent a szervezetnek, illetve a környezetnek [5].
Királis termék előállításának egy példája
Ahogy arra a korábbiakban utaltam, akirális környezetben lezajló kémiai reakció során egy királis vegyületnek mindig a racém elegyét kapjuk, hiszen azonos viselkedésüknek köszönhetően mindkét enantiomer ugyanakkora valószínűséggel keletkezik. Ahhoz tehát, hogy tiszta enantiomert kapjunk, valamilyen királis anyagot kell használnunk. Ennek megfelelően az előállításnak két lehetséges útja van:
− végrehajtjuk hagyományos körülmények között a reakciót, és az így keletkező racém elegyből választjuk el valamilyen módszerrel a termékünket;
− olyan királis segédanyagot alkalmazunk, mely a termék általunk kívánt enantiomerjének képződését segíti elő.
Ez utóbbi módszerre kínál lehetőséget az enzimek alkalmazása. Az enzimek az élő szervezetben lejátszódó biokémiai folyamatokat gyorsítják (katalizálják), a reakció végén pedig változatlan formában maradnak vissza, így kevés enzimmel is nagy mennyiségű kiindulási anyag (szubsztrát) alakítható át termékké. Mivel az enzimek – kevés kivételtől eltekintve – fehérjék, maguk is királis aminosavakból épülnek fel, így képesek az általuk katalizált reakcióban az enantiomerek megkülönböztetésére. Ezt az enantioszelektivitásnak nevezett tulajdonságukat felhasználhatjuk királis termék előállítására, hiszen a kiindulási anyag racém elegyének csupán egyik enantiomerjét alakítják át, tehát egyféle terméket kapunk. A gyakorlatban a szelektivitás nem éri el a 100 százalékot, vagyis kis mennyiségben másik enantiomer is keletkezik, megfelelő tisztítási eljárással azonban nagy tisztaságú terméket kaphatunk.
Kutatómunkám során L-2-fenilpropanol előállításával foglalkozom, mely további szintézisek során különböző gyógyszermolekulákká alakítható. Az általam vizsgált reakcióban racém D,L-2-fenil-propionaldehidből indulok ki, ennek az elegynek az L-enantiomerje alakul át L-fenilpropanollá. A katalízist alkohol-dehidrogenáz enzim végzi, mely a nevéből is adódóan alkohol típusú vegyületről tud hidrogént leszakítani, így aldehid keletkezik. Ez a reakció azonban fordított irányba is le tud játszódni, vagyis az aldehid átalakulhat alkohollá, ez utóbbi történik a fenilpropanol képződésénél.
A rendszerünk azonban nem ilyen egyszerű, az alkohol-dehidrogenáz ugyanis – sok más enzimhez hasonlóan – egy segítőtársat (kofaktort) is igényel a működéséhez. Ahhoz, hogy egy aldehidből alkohol legyen, hidrogénionokat kell hozzáadnunk, ezeket pedig valahonnan meg kell szereznie az enzimnek. Ezt egy komplex molekula, a NADH biztosítja, mely „odaadja” hidrogénionját az enzimnek, így az fel tudja használni az alkohol előállításához. Ezek szerint a termék minden egyes molekulájához szükség van egy újabb NADH-ra? Tekintve, hogy maga a kofaktor egy igen bonyolult makromolekula, a szervezet számára nem lenne kifizetődő minden egyes szubsztrát átalakításához egy új kofaktort gyártani. Ehelyett keres egy olyan folyamatot, melyben „felesleges” hidrogénionok keletkeznek, ezeket pedig a NAD-hoz adva visszakapjuk az eredeti reakciónkhoz szükséges NADH-t.
A kofaktor ilyen módon történő regenerálását laboratóriumi körülmények között úgy oldjuk meg, hogy az ellentétes irányú reakciót, vagyis az alkohol aldehiddé történő alakítását is lejátszatjuk. Természetesen, ha a regeneráláshoz használt alkohol megegyezne a termékünkkel, végeredményben visszakapnánk a kiindulási anyagot. Ennek elkerülése érdekében a kiindulási reakcióelegyhez etil-alkoholt (etanolt) adunk, melyet az enzim acetaldehiddé alakít a NADH keletkezése közben. Végeredményben tehát a kívánt termék előállítását és az ehhez szükséges kofaktor regenerálását ugyanaz az enzim katalizálja (5. ábra).
A termék kinyerése
Tegyük fel, hogy végbement a reakció, sikeresen átalakítottuk a szubsztrát nagy részét fenilpropanollá. A következő kérdés, hogy hogyan nyerjük ki a reakcióelegyből a terméket? Tekintve, hogy egyik átalakulás sem zajlik le 100 százalékban, az alábbi komponensek találhatók az elegyben (az esetleges szennyezőktől és egyéb melléktermékektől eltekintve):
− szerves oldószer (esetemben dietil-éter): ebben oldódik a kiindulási anyag és a termék;
− vizes pufferoldat: az enzim működéséhez szükséges vízmennyiséget, illetve pH-t biztosítja (valamint a regenerálás is vizes közegben történik);
− D,L-2-fenil-propionaldehid: ez a kiindulási anyagunk (a két enantiomer racém elegye);
− L-2-fenil-propanol: ez a céltermék (kis mennyiségben a másik enantiomerje is keletkezhet);
− NADH: az enzimműködéshez szükséges kofaktor;
− etanol: kofaktor regenerálásának kiindulási anyaga;
− acetaldehid: kofaktor regenerálása során keletkezik.
Mindent összevetve ez legalább kilenc komponenst jelent egy kétfázisú (vizes és szerves) rendszerben, ebből kell elválasztani (szeparálni) a minket érdeklő vegyületet. Ráadásul az ipari termelés szempontjait is szem előtt tartva előnyös lenne egy olyan rendszert kialakítani, mely folyamatos termékelvételt tesz lehetővé. Így a kiindulási anyagok utánpótlásával folyamatos gyártást lehetne megvalósítani, kiszámíthatóbb lenne a termelés, és a gyakori leállásokkal járó időveszteséget is csökkenthetnénk.
Az iparban elterjedten alkalmaznak szeparálási műveletekhez membránokat, melyek féligáteresztő válaszfalként valamilyen tulajdonságuk alapján elválasztják az anyagokat. Azt, hogy mi alapján engedik át vagy tartják vissza az adott komponenst, meghatározzák a membrán tulajdonságai és az adott technológia sajátosságai.
A termékelválasztásért felelős membránt az enzimes reakció színteréül szolgáló reaktorhoz kapcsolva egy integrált rendszert, úgynevezett membrán-bioreaktort kapunk (6. ábra). Így rendszeres szubsztrátadagolással és termékelvétellel biztosíthatjuk a reakció folytonosságát, tehát a fent említett cél elérhető. De vajon milyen tulajdonsága alapján „válogatja ki” az általam vizsgált reakcióelegyből a membrán az L-2-fenil-propanolt? Mivel az enzim enantioszelektivitása nem tökéletes, a D-izomer jelenlétével is számolni kell, márpedig az alkalmazott akirális szerves oldószerben a két izomer egyformán viselkedik. A probléma megoldásához ismét egy királis segédanyaghoz fordulunk, ez esetben maga a membrán jelenti a királis környezetet. Találni kell tehát egy olyan királis anyagot, mely egyfelől a termék kívánt enantiomerét átengedi, a reakcióelegy többi komponensét viszont visszatartja, másrészt alkalmas stabil és jó áteresztőképességű membrán gyártására.
Erre a célra támasztóréteges folyadékmembránt fogok használni, mely szerkezetileg két részre osztható (7. ábra). Egyfelől, ahogy a neve is mutatja, tartalmaz egy szilárd, pórusos réteget, mely a mechanikai szilárdságot biztosítja. A támasztóréteg pórusait pedig speciális királis folyadék tölti ki, ez végzi a tényleges szeparációt. Az említett királis folyadék kiválasztása és a membrán-bioreaktor elkészítése a kutatómunka egy következő fázisában valósul meg.
Bár munkám során egy konkrét reakciót vizsgálok, a kutatás várható eredményei hozzájárulhatnak egy általános technológia kidolgozásához, mely az enantioszelektivitás két ponton történő kihasználásán, illetve királis folyadékmembránok bioreaktorokkal való integrálásán alapul.
LAJTAI-SZABÓ PIROSKA
IRODALOM
[1] Markó László: Szerves kémia I., Veszprémi Egyetemi Kiadó, 2005.
[2] Antus Sándor, Mátyus Péter: Szerves kémia I., Nemzedékek Tudása Tankönyvkiadó, 2014.
[3] Poppe László: Sztereoszelektív szintézisek, Typotex Kiadó, 2011.
[4] Markó László: Miért „balkezesek” a fehérjéket felépítő aminosavak?, Természet Világa 1999., 130. évfolyam 1. szám
[5] Huber Imre: Gyógyszerészi sztereokémiai ismeretek, egyetemi tananyag és feladatgyűjtemény, Pécsi Tudományegyetem, 2013.
[6] https://ng.24.hu/termeszet/2006/03/20/hany_faj_el_a_foldon/
[7] Lente Gábor: A biológiai kiralitás eredete (Isten valóban nem kockázik?), Természet Világa 2013., 144. évfolyam 10. szám
[8] https://remotecat.blogspot.com/2014/11/chiral-molecules-in-everyday-life-from.html
[9] Molnár Béla Péter: A lepényfa-gubacsszúnyog (Dasineura gleditchiae Osten Sacken) csalogató viselkedésének megfigyelése, szexferomonjának kivonása és szintetikus csalogatóanyag kifejlesztése a gyakorlati előrejelzés számára, doktori (PhD) értekezés, Pannon Egyetem Georgikon Kar, 2011.
[10] Szántay Csaba: Gyógyszereink és a szimmetria, Mindentudás Egyeteme előadás, 2004.
