Kemia 2: luku 6 Molekyylien kolmiulotteisuus

Molekyylien rakennetta tutkitaan röntgendiffraktiolla. Soluissa tapahtuvissa reaktioissa molekyylin kolmiulotteisen rakenteen merkitys selittyy useimmiten entsyymiproteiinien spesifisyydellä. Entsyymit pystyvät sitoutumaan vain tietyn muotoiseen lähtöainemolekyyliin eli substraattiin. Entsyymit siis tunnistavat saman molekyylin erilaiset avaruusrakenteet ja katalysoivat vain tietyn kolmiulotteisen molekyylin muuttumista reaktiotuotteeksi. Esim kun laktaattidehydrogenaasi hapettaa maitohappoa. Maitohapolla on kaksi avaruusrakennetta. Laktaattidehydrogenaasi katalysoi soluissa maitohapon muuttumisen palorypälehapoksi. Maitohapon toinen isomeeri ei kelpaa tämän entsyymin substraatiksi.

Ibuprofeenia sisältävät lääkkeet ovat lääkemolekyylin eri isomeerien seoksia. Sen takia tulehdusta ja kipua alentava lääkeainepitoisuus elimistössä saavutetaan noin 30 minuutissa. Jos lääke sisältää vain toista, aktiivista isomeeriä eli dexibuprofeenia, saavutetaan tarvittava pitoisuus noin 12 minuutissa.

Molekyylin yksi avaruusrakenne voi siis toimia lääkeaineena, toinen rakenne sen sijaan voi olla myrkyllinen. Esim talidomidin toinen avaruusmuoto estää pahoinvointia, minkä takia sitä on käytetty raskauden aikaisen pahoinvoinnin estolääkkeenä. Lääkkeen toinen avaruusmuoto aiheuttaa pahoja sikiövaurioita. Myös hyvin yleisesti käytetyn tulehduskipulääkkeen, naprokseenin, toinen avaruusrakenne toimii lääkeaineena, toinen puolestaan on maksalle myrkyllinen.

Kaikki kaksiatomiset molekyylit ovat muodoltaan sauvamaisia. Eli vety, typpi, happi ja kaikki halogeenit sekä vetykloridi ja häkä eli hiilimonoksidi. Myös kolmesta atomista muodostuneet molekyylit voivat olla sauvamaisia, kuten hiilidioksidi ja vetysyanidi. Yksinkertaisessa sidoksessa on yksi sigmasidos. Kaksinkertaisessa sidoksessa on yksi sigmasidos ja yksi piisidos. Kolminkertaisessa sidoksessa sen sijaan on yksi sigmasidos ja kaksi piisidosta.

Bentseenin rakenne   

Jokainen bentseenirenkaan hiiliatomi käyttää kolme sidoselektronia kolmen kovalenttisen sidoksen muodostamiseen. Jäljelle jäävät kuusi elektronia, yksi kultakin hiiliatomilta, ovat yhteisiä kaikille kuudelle hiiliatomille. Nämä elektronit liikkuvat jatkuvasti renkaan hiiliatomien ympärillä, eli ne ovat delokalisoituneet. Delokalisoituneista elektroneista johtuu, että bentseenirenkaan kaikki hiili-hiilisidokset ovat samanlaisia. Bentseenirenkaan jokainen hiiliatomi on sp² –hybridisoitunut.

Avaruus- eli stereoisomeria

Avaruusisomeriaa on kolmea lajia: konformaatioisomeria, cis-trans-isomeria ja optinen isomeria. Jos orgaanisessa molekyylissä on vain yksinkeraisia kovalenttisia sidoksia, voivat nämä sidokset kiertyä ympäri. Näin muodostuvia erilaisia kolmiulotteisia rakenteita sanotaan konformaatioisomeereiksi. Sykloheksaanilla on kaksi muita pysyvämpää konformaatioisomeeriä  tuolimuoto ja venemuoto.

Hiiliatomien välinen kaksoissidos on jäykkä, koska sen muodostuessa piisidos estää sigmasidoksen kiertymisen sidosakselinsa ympäri. Tämän vuoksi näihin kaksoissidoksen muodostaviin hiiliatomeihin liittyneet atomit tai atomiryhmät voivat asettua pysyvästi joko kaksoissidoksen samalle puolelle tai vastakkaisille puolille. Tällaisten avaruusisomeerien toista muotoa sanotaan cis-muodoksi (atomiryhmät samalla puolella) ja toista trans-muodoksi (atomit eri puolilla). Muistisääntö: transu eli eri puolella, hehheh.

Myös sykloalkaaneilla esiintyy cis-trans-isomeriaa, jos renkaan hiiliatomeihin on kiinnittynyt vetyatomien lisäksi muita atomeja tai atomiryhmiä. Avaruusisomeriaa voi olla sen mukaan, ovatko liittyneet ryhmät renkaan samalla puolella vai eri puolilla rengasta.

Cis-trans-isomerialla on tärkeä merkitys monissa solujen biokemiallisissa tapahtumissa. Esim ihmisen näköprosessissa tapahtuu retinaalin cis-muodon muuttuminen trans-muodoksi valon vaikutuksesta. Lisäksi elimistössämme voi esiintyä tyydyttymättömiä rasvahappoja sekä cis- että trans-muodoissa.

Optinen isomeria

Pitkään säilytettyina maitotuotteet happanevat, koska maitohappobakteerit pystyvät tuottamaan maitosokerista eli laktoosista maitohappoa. Maitohappoa syntyy myös glukoosista ihmisen verenkierrossa, mikäli happea ei ole riittävästi saatavilla. Näissä kahdessa reaktiossa muodostuneet maitohappomolekyylit ovat kuitenkin toistensa avaruusisomeereja, joilla on samat kemialliset ominaisuudet.

Nämä isomeerit voidaan erottaa toisistaan siten, että maitohapon vesiliuokseen kohdistetaan tasopolarisoitua valoa. Toinen näistä isomeereistä kääntää tasopolarisoidun valon värähdystasoa myötäpäivään, toinen vastapäivään. Tästä ilmiöstä käytetään nimitystä optinen aktiivisuus.

Orgaaninen yhdiste on optisesti aktiivinen, jos sen molekyylissä on vähintään yksi asymmetrinen hiiliatomi. Jos asymmetrisiä hiiliatomeja on useita, niiden yhteisvaikutus voi kumota optisen aktiivisuuden. Optisesti aktiivista yhdistettä sanotaan myös kiraaliseksi. Tällaisen yhdisteen molekyyleillä on kaksi erilaista avaruusrakennetta, jotka ovat keskenään peilikuvia. Näitä isomeerejä sanotaan myös enantiomeereiksi. Jos seoksessa on kumpaakin enantiomeeriä yhtä paljon, se ei enää ole optisesti aktiivinen ja sitä kutsutaan silloin raseemiseksi seokseksi.

Cis-trans-isomeria ja näkeminen                                         

Silmän verkkokalvolla on rodopsiineja, jotka ovat pimeässä punaisia. Rodopsiinimolekyyli koostuu opsiiniproteiinista ja A-vitamiinin johdannaisesta retinaalista. Pimeässä retinaalimolekyylit ovat kaikki cis-muodossa, jolloin ne pystyvät sitoutumaan opsiiniin. Ihminen häikäistyy hetkeksi kun hän tulee kirkkaaseen valoon. Silmän erotuskyky palautuu nopeasti, mikä perustuu siihen, että silmään osuva valo aiheuttaa muutoksen rodopsiinimolekyylissä.

Opsiiniproteiiniin sitoutunut cis-retinaali muuttuu trans-muotoon ja irtoaa. Tämä molekyylien irtoaminen välittyy lopulta keskushermostoon näköhermoa pitkin. Jos henkilö menee kirkkaasta valosta hämärään, silmän sopeutuminen on huomattavasti hitaampaa, koska valossa irronneen retinaalin tulee ensin kiinnittyä uudelleen opsiiniin, minkä jälkeen silmään osuva valo vasta saa aikaan valokemiallisen reaktion eli cis-retinaalin muuttuminsen trans-retinaaliksi. A-vitamiinin puutoksen ensimmäinen oire on hämäräsokeus, koska cis-retinaali on A-vitamiinin johdannainen.

Konjugoituneet kaksoissidokset

Kaksoissidoksia sanotaan konjugoituneiksi kaksoisidoksiksi, jos ne lähtevät joka toisesta hiiliatomista. Tällöin kaksoissidoksen sidoselektronit liikkuvat tasaisesti eri hiiliatomien ympärillä, joten kaikki sidokset ovat yksinkertaisen ja kaksoissidoksen välimuotoja. Sidoselektronien liikkuminen eri hiiliatomien ympärillä eli sidoselektronien delokalisaatio on voitu osoittaa mittaamalla sidosten pituudet.

Talidomidi

                                                                                                                                         

Talidomidi on vaarallinen lääke. Se poistettiin myynnistä vuonna 1961, mutta ehti saada paljon vahinkoa aikaan. Sitä käytettiin raskauden aikaisten pahoinvointioireiden hoitoon, mutta se aiheutti myös syntyville lapsille epämuodostumia. Talidomidi on kahden eri optisen isomeerin seos, joista toinen poistaa pahoinvointia ja toinen aiheuttaa vakavia sikiövaurioita.

Suurin osa Suomessa myytävistä lääkkeistä on raseemisia seoslääkkeitä, jotka koostuvat kahden enantiomeerin seoksesta. Esim ibuprofeenia sisältävä kipulääke on tällainen. Ibuprofeenitableteissa on kumpaakin enantiomeeriä yhtä paljon, mutta vain toinen niistä eli dexibuprofeeni on aktiivinen. Toinen muoto lievittää kipua vain, kun se muuttuu elimistössä dexibuprofeeniksi. Näiden enantiomeerien erottaminen toisistaan on ollut vaikeaa ja kallista, mutta nykyisin markkinoilla on ibuprofeenivalmisteita, jotka sisältävät vain dexibuprofeenia, joka siis vaikuttaa nopeammin.