מקור המילה כיראליות במילה "יד" ביוונית. כשם שלא ניתן לחפוף בין שתי כפות הידיים, כך לא ניתן לחפוף בין שתי הצורות של מולקולה כיראלית על ידי סיבוב במרחב. (החלק המסומן באות R, שמסמנת שייר פחממני, יוצא מהמישור אל כיוון הצופה)
בכימיה, מולקולה כּיראלית (באנגלית: Chiral molecule) היא מולקולה שלא ניתן ליצור חפיפה בינה ובין תמונת המראה שלה באמצעות סיבוב במרחב. לתכונה זו של מולקולות מסוימות, הנובעת מהיעדר סימטרייתשיקוף פנימית, קוראים כּיראליות (Chirality), ושתי המולקולות השונות, המהוות תמונת מראה האחת של השנייה, מכונות אננטיומרים.
רוב התכונות הפיזיקליות של שני האננטיומרים זהות, וההבדל המרכזי ביניהם מתבטא בפעילות אופטית שונה - הם מסובבים אורמקוטב באותה זווית, אך בכיוון הפוך. לעומת זאת, התערובת שלהן, שקרויה תערובת רצמית, היא חסרת פעילות אופטית.
מרבית המולקולות הביולוגיות הן כיראליות, ומכאן חשיבות המושג במחקר הביוכימי. במקרים לא מעטים, שני האננטיומרים של חומר מסוים משפיעים באופן שונה על גוף האדם, ועל כן להבנת תכונת הכיראליות של מולקולות אלו יש חשיבות רבה בתעשיית התרופות ובתעשיית המזון. בתהליכים ביולוגיים שבהם מעורבות מולקולות כיראליות, כמו חומצות אמינו וסוכרים, פעיל בדרך כלל רק אחד האננטיומרים. הבנת המקור להבדל בשכיחות שני האננטיומרים של אותן מולקולות עשוי אף לשפוך אור על מוצא החיים.
תכונת הכיראליות קיבלה את שמה מהמילה היוונית "כייר" (χειρ), שמשמעותה "יד", משום שגם בין שתי כפות הידיים לא ניתן ליצור חפיפה על ידי סיבוב במרחב.
ז'אן-בטיסט ביו היה הראשון שגילה את הפעילות האופטית של חומרים אורגניים. במסגרת מחקריו על קיטוב, הוא הקרין בשנת 1815 חומרים אורגניים שונים בעזרת אור מקוטב, וגילה שפחמימות מסוימות מסוגלות לשנות את מישור הקיטוב. כעבור 25 שנה הוא זכה להכרה רשמית על כך, עת הוענקה לו מדליה מטעם החברה המלכותית של לונדון.
לואי פסטר היה הראשון שהצליח להפריד בין שני אננטיומרים מתוך תערובת רצמית בשנת 1848, ולהבין את הפעילות האופטית השונה שלהם. הוא בחן מלח חסר פעילות אופטית של חומצה טרטרית וברר ידנית תחת מיקרוסקופ, בעזרת מלקטת (פינצטה), את הגבישים הזעירים, תוך התבססות על המראה החיצוני השונה שלהם. פסטר ראה שהם מופיעים בשתי צורות, ובשלב הבא הוא המס את שני סוגי הגבישים בנפרד וקיבל שתי תמיסות שמכילות "סוג" שונה של חומצה טרטרית. כאשר מדד את הפעילות האופטית של שתי התמיסות, מצא פסטר התנהגות שונה של כל אחת מהן, והסיק שכל אחד משני סוגי הגבישים מייצג צורה מולקולרית אחרת של חומצה טרטרית. הוא היה הראשון שהבין כי חומרים כאלו, שהיום אנו מכנים אותם כיראליים, יכולים להופיע בשתי צורות.
התקדמות נוספת בהבנת המבנה הגאומטרי של המולקולה שמאפשר פעילות אופטית, הושגה בשנת 1874. יאקובוס ואן 'ט הוף ההולנדי, ובאופן עצמאי ובלתי-תלוי ז'וזף לה בל הצרפתי, הגיעו למסקנה כי ייתכנו שתי מולקולות בעלות אותה נוסחה מולקולרית ומבנה גאומטרי טטרהדרלי, שבמרכזו נמצא פחמן ובקצוותיו מתמירים שונים, שיהיו תמונות מראה לא חופפות זו את זו. כיום אנו אומרים שלמבנה כזה יש מרכז כיראלי או פחמן אסימטרי, אולם באותה תקופה לא היה מינוח לממצאים החדשים, והיה זה לורד קלווין שרק בשנת 1893טבע את המונח כיראליות, וסיפק את ההגדרה המרחבית של תכונה זו:
אני קורא לכל צורה גאומטרית, או קבוצת נקודות, בכינוי כיראלית, ואומר שיש לה כיראליות, אם לא ניתן לחפוף אותה עם הדמות המדויקת שלה, שמשתקפת ממראה שטוחה
התקדמות משמעותית ביישום הכיראליות בתעשיית המזון ובתעשיית התרופות חלה במהלך המאה ה-20. אז החלו להבין את הקשר בין המבנה המרחבי של מולקולות המשמשות בתעשיית המזון ובין תכונותיהן השונות, בעיקר מבחינת הטעם והריח שהן מעניקות למוצר. ההתקדמות בתעשיית התרופות הייתה אפילו יותר דרמטית. בתקופה זו הבינו החוקרים שלעיתים שני האננטיומרים של אותה תרופה יכולים להשפיע באופן שונה על הגוף, עד כדי כך שאחד מהם עלול להיות מסוכן בעוד שלשני יש תכונות ריפוי. בעקבות כך, התעורר הצורך לייצר רק את אחד האננטיומרים של החומר. בהקשר זה ראוי להזכיר את ויליאם נולס, ריוג'י נויורי וקרל בארי שארפלס, חתני פרס נובל לכימיה בשנת 2001. בעבודתם, אשר התמקדה בתחום הסינתזה של חומרים כיראליים, הם הצליחו לכוון ולזרז את תהליך היווצרותן של מולקולות כיראליות בתגובות סטריאוסלקטיביות.
מבנה מרחבי
3 סטריאואיזומרים של חומצה טרטרית. (a) ו-(b) הם זוג אננטיומרים, ואילו (c) הוא דיאסטריאומר שלהם, הקרוי חומצה מזוטרטרית
שתי מולקולות בעלות אותו הרכב של אטומים נקראות איזומרים. באופן כללי, איזומרים נבדלים זה מזה במבנה המרחבי שלהם ובקשרים בין האטומים, ושני גורמים אלו קובעים את תכונותיהם. סטריאוכימיה היא ענף בכימיה העוסק במבנה המרחבי של מולקולות בכלל ובאיזומרים הנבדלים במבנה המרחבי שלהם בפרט. שני איזומרים שבהם כל אטום קשור לאותם אטומים שכנים, אבל לא ניתן ליצור ביניהם חפיפה על ידי סיבוב במרחב, נקראים סטריאואיזומרים.
שני סטריאואיזומרים, שכאמור מורכבים מאותם אטומים שיש ביניהם אותם קשרים כימיים, יכולים להתייחס זה לזה באחת משתי צורות. אם הם מהווים תמונות מראה זה של זה, אז מכנים אותם אננטיומרים, ולעומת זאת אם שני הסטריאואיזומרים אינם מהווים תמונת מראה, אז הם יקראו דיאסטריאומרים.
מהגדרה זו נובעת מסקנה נוספת: אם מולקולות א' וב' הן אננטיומרים, ומולקולה ג' היא דיאסטריאומר של מולקולה א', אז בהכרח מולקולה ג' היא גם דיאסטריאומר של מולקולה ב'. כך למשל, באיור מוצגים שלושה סטריאואיזומרים של חומצה טרטרית. (a) ו-(b) הם תמונות מראה זה של זה ולכן הם אננטיומרים, ואילו (c) שאינו מהווה תמונת מראה של אף אחד מהם הוא דיאסטריאומר הן של (a) והן של (b).
סימטריה
תכונת הכיראליות נובעת ממבנה אסימטרי של המולקולה, וליתר דיוק מהעדר קיומה של סימטריית שיקוף.
אם נוכל להגדיר מישור דמיוני בכיוון כלשהו במולקולה, כך ששני חצאיה הנמצאים משני צידי המישור מהווים תמונת מראה זה של זה, כלומר, למולקולה יש מבנה סימטרי, אז היא תהיה א-כיראלית (לא כיראלית). אם במולקולה מסוימת לא קיים מישור סימטריה כזה, אז מולקולה זו תהיה כיראלית.
על מנת לבחון את קיומו או אי-קיומו של מישור סימטריה כזה במולקולה יש להבין את המבנה התלת־ממדי שלה, ולצורך כך נהוג להשתמש במודלים תלת־ממדיים. גם כתיב כימי שניתן בו תיאור למבנה המרחבי, למשל היטל פישר, יכול לסייע במציאת מישור סימטריה כלשהו במולקולה, ויכול לעזור לקבוע אם מולקולה מסוימת היא כיראלית או א-כיראלית.
מרכז כיראלי עם פחמן אסימטרי
דוגמה לקביעת תצורה מוחלטת לפי כלל RS: המספרים 1–4 של האטומים סביב המרכז הכיראלי ניתנו בהתאם למספרים האטומיים, כאשר 1 מתאים לאטום שמספרו האטומי הוא הגבוה ביותר ו-4 מתאים לזה שמספרו האטומי הוא הנמוך ביותר. אם 4 מוצב מאחור אז הסיבוב מ-1 ל-2 בלי לעבור דרך 3 הוא נגד כיוון השעון, ולכן המרכז הכיראלי בתמונה נקרא S.
רוב המולקולות הכיראליות מכילות מרכז כיראלי או פחמן אסימטרי; פחמן כזה קשור לארבעה מתמירים שונים במבנה טטרהדרלי והוא גורם למולקולה לקבל מבנה ללא סימטריית שיקוף.
לצורך הגדרת התצורה המוחלטת של מולקולות בעלות מרכזים כיראליים, כלומר הבחנה בין שני אננטיומרים, הוגדרה בשנת 1956 שיטה הקרויה כלל קהאן-אינגולד-פרלוג (אנ'), שלפיה מסמנים כל מרכז כיראלי באות R או באות S. בשיטה זו, יש לסדר את האטומים הקשורים לפחמן האסימטרי לפי המספר האטומי, כאשר האטום שמספרו האטומי הוא הגבוה ביותר יקבל את הסימון 1, הבא יסומן בתור 2, השלישי ייקרא 3, וזה שמספרו האטומי הוא הנמוך ביותר ייוצג על ידי המספר 4. כעת, יש לסובב את הארבעון (טטרהדר) כך שאטום 4 יהיה מאחור, ולבדוק את כיוון הסיבוב מאטום 1 לאטום 2. אם הסיבוב מ-1 ל-2 (בלי לעבור דרך 3) הוא עם כיוון השעון, אז המרכז הכיראלי ייקרא R (מהמילה rectus - ימין בלטינית), אחרת הוא ייקרא S (מהמילה sinister - שמאל בלטינית).
כך למשל, באיור מוצג מרכז כיראלי הקשור לארבעה אטומים. כל אטום מקבל מספר בהתאם למספר האטומי שלו; ברום (Br) שמספרו האטומי 35 מקבל את הסימון 1, כלור (Cl) שמספרו האטומי 17 מקבל את הסימון 2, פלואור (F) שמספרו האטומי 9 מקבל את הסימון 3, ומימן (H) שמספרו האטומי 1 מוצב מאחור ומקבל את הסימון 4. המרכז הכיראלי באיור יסומן בתור S, משום שכיוונו של הסיבוב שעובר בדרך הקצרה ביותר מ-1 ל-2 הוא נגד כיוון השעון. הסימון נועד לעזור בהבחנה בין מולקולה זו ובין תמונת המראה שלה שתסומן בהכרח ב-R. הוספת האות S או R לשם המולקולה מסייעת לזהות אותה באופן מוחלט.
מרכז כיראלי ללא פחמן אסימטרי
ניתן למצוא גם מולקולות כיראליות שלא מכילות פחמן אסימטרי, כמו למשל ביפנילים; במולקולות אלו, הכיראליות או חוסר הסימטריה נגרמת כתוצאה מקשיחות מבנית במולקולה שלא מאפשרת לאטומים להסתדר במבנה סימטרי. קשיחות מבנית זו היא בעצם אפקט סטרי והיא נובעת מכך שאטומים תופסים נפח מסוים ואם האטומים יתקרבו יתר על המידה זה לזה אז עלולה להיווצר ביניהם דחייה כתוצאה מחפיפה בין ענני האלקטרונים שלהם. הדחיה לא מאפשרת למולקולה להסתדר במבנה סימטרי וגורמת לה להיות מולקולה כיראלית.
חלוקת האננטיומרים ל-R ו-S במקרה זה היא מורכבת מעט יותר, ונקבעת גם היא בכלל קהאן-אינגולד-פרלוג.
פעילות אופטית
אור בקיטוב ליניארי (קווי). השדה החשמלי מסומן בכחול, ובסגול מסומן ההיטל שלו על המישור המאונך לכיוון התנועה. עבור קיטוב ליניארי ההיטל נמצא תמיד על קו ישר אחד.
גלאלקטרומגנטי שמתקדם בכיוון מסוים מאופיין על ידי שדה חשמלי ושדה מגנטי שניצבים זה לזה וגם לכיוון התקדמות הגל. לפי הגדרה זו וקטור השדה החשמלי ווקטור השדה המגנטי הניצב לו, נמצאים תמיד במישור המאונך לכיוון ההתקדמות, אך עדיין יש חופש בבחירת הכיוון שלהם על גבי מישור זה. צורת השינוי של כיוון וקטור השדה החשמלי מגדירה את קיטוב האור של הגל. כך למשל, אור בעל קיטוב ליניארי מוגדר כגל שווקטור השדה החשמלי שלו (מסומן בכחול באיור) נמצא תמיד על קו ישר (מסומן בסגול באיור) במישור המאונך לכיוון התנועה (כלפי מעלה באיור).
אור בעל קיטוב ליניארי, שעובר דרך חומר כיראלי נוזלי, או חומר כיראלי בתמיסה, משנה את כיוון הקיטוב. לחומר כיראלי יש מקדם שבירה שונה לגבי אור בעל קיטוב מעגלי ימני (RHC) יחסית לאור בעל קיטוב מעגלי שמאלי (LHC). הואיל ואור מקוטב ליניארית ניתן להצגה כצירוף ליניארי של אור מקוטב RHC ושל אור מקוטב LHC, הבדל זה במקדם השבירה גורם לסיבוב של כיוון הקיטוב.
אם הסיבוב של כיוון הקיטוב הוא עם כיוון השעון אז החומר הכיראלי מכונה (+) או d (דקסטרורוטטורי), ואם כיוון השינוי הוא נגד כיוון השעון אז החומר הכיראלי מכונה (-) או l (לבורוטטורי). אם אננטיומר מסוים מסובב את הקיטוב בכיוון (+), אז בן-זוגו יסובב את הקיטוב בכיוון (-) באותה מידה.
כאשר α היא זווית הסיבוב של כיוון הקיטוב הליניארי הנמדדת בניסוי, l הוא המרחק שהאור עבר בתווך הכיראלי, c מייצג את ריכוז הדוגמה, T היא הטמפרטורה, ואילו λ מסמל את אורך הגל.
בהקשר זה, קיומו של מרכז כיראלי לא בהכרח מצביע על פעילות אופטית. ייתכנו מולקולות, המכילות יותר מפחמן אסימטרי אחד, שניתן למצוא בהן מישור סימטריה, ועל כן הן א-כיראליות וחסרות פעילות אופטית. דוגמאות בולטות הן תרכובות מזו, כאשר הקידומת "מזו-" מציינת חוסר פעילות אופטית. כך למשל לחומצה טרטרית יש 3 איזומרים אופטיים (סטריאואיזומרים) - שני אננטיומרים בעלי פעילות אופטית, בעוד שהאיזומר השלישי, הדיאסטריאומר הקרוי חומצה מזוטרטרית, אינו פעיל אופטית.
חומרים רבים המעורבים בפעילות ביולוגית הם כיראליים, למשל סוכרים, חומצות אמינו (מלבד גליצין) והורמונים. לשני האננטיומרים של חומרים אלו יכולה להיות פעילות ביולוגית שונה, הנובעת מהתגובה שלהם עם חומרים כיראליים אשר נמצאים במערכות ביולוגיות, כמו קולטנים, אנזימים ונוגדנים, שהם עצמם חלבונים כיראליים. חוסר ההתאמה המבני בין מולקולה הנכנסת לתא ובין חומרים כיראליים המגיבים עמה יכול להתבטא כחוסר פעילות, כפעילות לא תקינה או כפעילות במהירות איטית.
שני האננטיומרים של גליצראלדהיד
הגדרת התצורה המוחלטת של מולקולות כיראליות ביולוגיות נעשית ביחס לגליצראלדהיד. באופן שרירותי נקבע, כי המופע הטבעי של מולקולה זו יסומל באות D, ואילו האננטיומר שלה יסומל באות L. על מנת לקבוע את התצורה של סוכר אחר, משרטטים את היטל פישר של הסוכר ומשווים את מיקומה של קבוצת OH הקשורה לפחמן האסימטרי האחרון (הפחמן השני מלמטה בהיטל פישר) בסוכר זה יחסית למיקומה בגליצראלדהיד. ניתן ליישם שיטה זו למולקולות כיראליות אחרות, שאינן סוכרים, על ידי בחינת מיקומה של קבוצה פונקציונלית אשר מכילה את קבוצת OH, וקשורה לפחמן האסימטרי האחרון. שיטת סימון זו לא ניתנת ליישום עבור מולקולות שאין בהן קבוצה כזאת.
ככל הידוע, הסוכרים מופיעים בטבע כמעט תמיד בתצורה D, ואילו חומצות האמינו הכיראליות מופיעות בטבע כמעט תמיד בתצורה L. למעשה, יצורים ביולוגיים לא מסוגלים לזהות ולנצל סוכרים בעלי תצורה L וחומצות אמינו בעלות תצורה D. עם זאת, תהליכי רצמיזציה, שבהם אננטיומר אחד הופך לבן זוגו בצורה ספונטנית, יכולים להתרחש גם בגופם של יצורים חיים, ולהביא ליצירתם של אננטיומרים שהגוף אינו יכול להשתמש בהם. כך למשל, נמצא שקיים אחוז קטן של חומצה אספרטית בתצורה D ברקמות של אנשים מבוגרים[2].
הומוכיראליות
אחת הבעיות המרכזיות אשר עולות בעת ניסיון להבין את מוצא החיים על פני כדור הארץ היא הבנת מקורו של ההבדל בשכיחות של אננטיומרים של מולקולות ביולוגיות הקרוי הומוכיראליות. כך למשל, ניסוי מילר-יורי, שהדגים יצירה ספונטנית של מולקולות יסוד ביולוגיות מחומרי מוצא פשוטים, לא הצליח לייצר תגובה סטריאוסלקטיבית, כלומר לייצר עודף משמעותי של אננטיומר אחד.
מטאוריט מורצ'יסון שנפל באוסטרליה בשנת 1969 עורר עניין רב לאחר שהתגלו בו חומצות אמינו שונות, כמו למשל אלנין. מספר מדידות הראו עודף של חומצות אמינו בתצורה L, אולם לא הייתה הסכמה לגבי מידת העודף, ובנוסף הועלו חששות שמקור העודף הוא בזיהום שמקורו בכדור הארץ. מדידה חשובה נוספת בהקשר דומה היא מדידת קיטוב האור של ערפילית אוריון. האור שמקורו באזור בו נוצרים כוכבים חדשים עובר בדרכו דרך חומר בין-כוכבי, ובאזורים מסוימים כיוון הקיטוב שלו משתנה. הדבר מעיד על קיומן של מולקולות כיראליות באזורים אלו.
דוגמאות
אננטיומרים של לימונן
בתעשיית המזון, תכונת הכיראליות יכולה להשפיע על הטעם ועל הריח של המוצר. כך למשל המולקולה אספרטיים ידועה כממתיק מלאכותי, ואילו האננטיומר שלה מר. דוגמה נוספת היא המולקולה לימונן שמופיעה בפירות הדר. הריח של לימונן בתצורה R הוא ריח תפוז, ואילו האננטיומר S-לימונן הוא בעל ריח של לימון. בגוף האדם נמצאים קולטנים שמזהים את שני האננטיומרים ומבדילים ביניהם.
במחקר שנערך על זבוב פירות התגלה שהזבוב הזכר מפריש פרומון, בעל תצורה מסוימת, שאליו נמשכות הנקבות. בו בזמן, הנקבות מפרישות את המולקולה האננטיומרית, ולפרומון זה נמשכים הזכרים.
אננטיומרים של ציטלופרם
בתעשיית התרופות ידועות מולקולות כיראליות שונות, שרק גרסה אחת שלהן מבצעת את פעולת הריפוי, ואילו הגרסה השנייה אינה מועילה, ולעיתים אפילו מזיקה. כדוגמה ניתן לציין את התלידומיד שאננטיומר אחד שלו מקל על בחילות בוקר של נשים בהריון, ואילו לאננטיומר השני יש אפקט טרטוגני, כלומר פוגע בהתפתחות העובר. מולקולת התלידומיד היא גם דוגמה לאננטיומר שבקלות יכול להפוך בגוף לאננטיומר השני, כך שאפילו תרופה אשר תכיל רק את האננטיומר המקל על בחילות בוקר לא תהיה בטוחה.
התרופות נוגדות הדיכאוןציטלופרם (Citalopram, ציפרמיל) ואסציטלופרם (Escitalopram, ציפרלקס) יכולות לשמש כדוגמה לשימוש בכיראליות באסטרטגיית הפיתוח של חברות התרופות. ציטלופרם, המהווה תערובת רצמית של האננטיומרים S-(+)-citalopram ו-R-(−)-citalopram, פותחה על ידי חברת התרופות "לונדבק" ואושרה לשווק על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי בשנת 1989. הפטנט על התרופה פג ב-2003 ומיד החלו להופיע גרסאות גנריות זולות שלה. "לונדבק" צפתה את אובדן ההכנסות ולכן השיקה ב-2001 תרופה חדשה, אסציטלופרם, המכילה רק את האננטיומר הפעיל S-(+)-citalopram. התרופה אושרה בזמן שיא, תוך שלוש וחצי שנים מרישום הפטנט, ובעלות מחקר ופיתוח נמוכה במיוחד משום שהיא הייתה חלק מהתרופה המקורית. בשנת 2006, עוד לפני שפג תוקפו של הפטנט על אסציטלופרם, אישר ה-FDA גרסה גנרית שלה שפותחה על ידי חברת "טבע". אולם, האישור בוטל עוד באותה שנה על ידי בית המשפט האמריקאי שקבע בכך את מעמדו המשפטי של האננטיומר הספציפי כחומר שונה מהתערובת הרצמית שבה הוא כלול.
![{\displaystyle [\alpha ]_{\lambda }^{T}={\frac {\alpha }{l\times c}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e205459452ac5bd68f45ac74c932c84f6ac5b6df)
