چرا مولكولهاي چپ دست و راست دست با يكديگر متفاوت اند؟

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: چرا مولكولهاي چپ دست و راست دست با يكديگر متفاوت اند؟

لويي پاستور

بيشتر به سبب نقشي كه در پيشرفت ميكروب شناسي ايفا كرده است شهرت دارد، نه شيمي. گر چه زندگي حرفه اي خود را به عنوان شيميدان آغاز كرد، اما شهرتش عمدتاً به دليل آن است كه نخستين كسي بود كه پديده هاي زيست شناختي بسياري را توضيح داد، همچون نقش باكتري ها در تخمير ، فاسد شدن غذا ( هنوز هم پاستوريزاسيون شير كه از ابداعات اوست انجام مي شود)، عفوني شدن زخمها ( روش جراحي استريل كه به دست لردليستر به كار گرفته شد، تحولي در حرفه جراحي به وجود آورد) و بيماري ( تحقيقاتش بر روي بيماري كرم ابريشم، صنعت ابريشم فرانسه را نجات داد و تهيه واكسن هاري به دست او جان هزاران نفر را از مرگ بر اثر هاري خلاص كرد). با اين حال، نقشي كه او در پيشبرد شيمي داشت، گر چه كمتر شناخته شده است، اما كافي بود تا شهرتش را تضمين كند.
در سال 1848 كه پاستور در 25 سالگي تازه دانشنامه دكتراي خود را از دانشكده سوربن پاريس گرفته بود، به مطالعه بر روي يكي از نمك هاي اسيد راسميك، كه در مدت تخمير بر سطح خمره هاي شراب رسوب مي كند، پرداخت ( نام راسميك از كلمه لاتيني راسموس به معناي خوشه انگور مشتق شده است). شيميدان ديگري به نام ايلهارد ميتسشرليش گزارش داده بود كه يكي از نمك هاي اسيد راسميك ( نمك سديم آمونيم آن، كه از اثر آمونياك و سود بر اسيد راسميك به دست مي آيد) تقريباً درست به يكي از نمكهاي اسيد تارتاريك ( جوهر غوره) كه آن نيز بر سطح خمره هاي شراب يافت مي شود شباهت دارد: فقط نمك اسيد تار تاريك فعاليت نوري داشت، در حالي كه نمك اسيد راسميك داراي چنين خاصيتي نبود ( نمك اسيدي پتاسيم با اسيد تارتاريك، طرطير (Cream of tartar) ناميده مي شود).
ماده اي فعاليت نوري دارد كه صفحه نور قطبيده ( پولاريزه) را بگرداند. مطابق نظريه موجي، نور معمولي از امواجي تشكيل شده است كه در صفحه هايي با جهت هاي مختلف ارتعاش دارند. برخي از بلورها نور را به نحوي از خود عبور مي دهند كه تنها از امواجي كه در صفحه خاصي ارتعاش مي كنند بگذرند. نوري كه بدين ترتيب بيرون آيد نوري قطبيده است.
پاستور در سال 1848 دانسته بود كه برخي مواد طبيعي ( نظير بلورهاي كوارتز، سقز، و محلول هاي قندي) نيز نور قطبيده را مي چرخانند، اما كسي نمي فهميد چگونه باعث چنين اثري مي شوند. چرخش نور قطبيده در ابزاري به نام قطبش سنج مشاهده و سنجيده مي شود. وقتي ماده اي صفحه نور قطبيده را در جهت عقربه هاي ساعت بچرخاند راست گردان است- به عبارتي ديگر باعث چرخش مثبت مي شود. ماده اي كه صفحه نور قطبيده را در خلاف جهت عقربه هاي ساعت بگرداند چپ گردان است- يعني موجب چرخش منفي مي شود.

پاستور حيران بود. گفته مي شد كه نمك هاي اسيد تارتاريك و اسيد راسميك از لحاظ تركيب شيميايي و شكل بلوري يكسانند، اما آثار متفاوتي بر نور قطبيده دارند. نمك اسيد راسميك بر آن تأثيري نداشت، در حالي كه نمك اسيد تارتاريك راست گردان بود. وقتي پاستور بلورهاي نمك اسيد راسميك را كه به روش ميتسشرليش تهيه شده بودند مورد بررسي قرار داد، چيزي مشاهده كرد كه ميتسشرليش متوجه آن نشده بود. در واقع دو نوع بلور وجود داشت، و نسبت آنها به يكديگر مثل نسبت دست چپ به دست راست بود.
پاستور با استفاده از انبرك ريزي، بلورهاي دست چپ را به دقت در زير ميكروسكوپ از بلورهاي دست راست جدا كرد. وقتي به اندازه كافي از هر دو نوع سوا كرد، دست به كاري زد كه يا پيگيري يك حدس بود، يا جرقه نبوغ. پاستور مقداري از هر نوع بلور را به طور جداگانه در آب حل كرد و اين محلول ها را به نوبت در قطبش سنجي در مسير نور قطبيده قرار داد. او دريافت كه محلول بلورهاي دست چپ ، نور قطبيده را به چپ، و محلول بلورهاي دست راست نور قطبيده را به راست منحرف مي كند. رنه والري- رادو در كتاب زندگي پاستور (1902) نوشت كه دانشمند جوان آن قدر از اكتشافش هيجان زده بود در حالي كه وضعش با ارشميدس زياد فرقي نمي كرد از آزمايشگاه بيرون دويد و فرياد زد: پيدايش كردم!
وقتي در همان حالي كه محلول ها را تهيه مي كرد به دقت مقدار هر نوع بلور را اندازه گرفت، متوجه شد كه مقادير مساوي درست به يك اندازه باعث چرخش مي شدند، اما در دو جهت مخالف؛ به عبارتي ديگر ميزان چرخش بلورهاي راست گردان با مقدار چرخشي كه محلول مشابهي از نمك اسيد تارتاريك ايجاد مي كرد، برابر بود. بدين ترتيب پاستور نشان داده بود كه نمك راست گردان اسيد راسميك وي عملاً با نمك اسيد تارتاريك راست گردان يكسان است، و نمك چپ گردان اسيد راسميك تصوير آينه اي نمك اسيد تارتاريك است كه تا آن موقع شناخته نشده بود. سرانجام پاستورمخلوطي از نسبت هاي مساوي دو نوع بلور تهيه كرد، و همان طوري كه پيش بيني مي كرد دريافت محلولي كه با اين نسبت تهيه شود از لحاظ نوري غير فعال است. با جدا سازي دو نوع بلور نمك اسيد راسميك، پاستور نخستين و مشهورترين نمونه از آنچه امروزه شيمي دانان ، تفكيك يك مخلوط راسميك مي نامند، انجام داد ( امروز نام تركيب خاصي كه پاستور بر روي آن كار كرد، يعني اسيد راسميك، بر هر مخلوطي از مواد قرينه آينه اي اطلاق مي شود).
آزمايش هاي بلور شناختي عجيب پاستور موضوع بحث دانشمندان در پاريس شد و چندي نگذشت كه خبر آن به گوش ژان باتيست بيو ، فيزيكدان محترمي كه اكتشافات بنياديني در زمينه چرخش نور قطبيده در بلورها كرده بود، رسيد. بيو كه عضو فرهنگستان علوم و 74 ساله بود، به آزمايش هاي پاستور با ديده ترديد مي نگريست. از پاستور خواست كه قبل از ارائه گزارشي از نتايج مطالعاتش به فرهنگستان، همان آزمايش ها را در حضورش تكرار كند. پاستور، در حالي كه بيو شخصاً محلول هايي را كه بلورها از آن به دست مي آمد تهيه مي كرد، همين كار را انجام داد. وقتي بيو پس از عبور نور قطبيده از بلورهاي چپ گردان، چرخش آن را به چپ ديد، ديگر به اندازه گيري اش نپرداخت و در حالي كه دستي بر بازوي پاستور جوان گذاشت با لحني هيجان آميز گفت: فرزندم، آن قدر در طول عمرم به علم عشق ورزيده ام كه اين واقعاً قلبم را تكان مي دهد .

جدا سازي بلورهايي كه شكل متفاوتي داشتند، و اثبات اين كه محلول آنها صفحه نور قطبيده را در جهت هاي مخالف مي چرخاند، از يك لحاظ آزمايشي جالب، اما بي فايده بود. چه فرقي مي كرد كه مواد خاصي صفحه نور قطبيده را در قطبش سنج به يك سو بچرخانند يا سويي ديگر؟ اما وقتي دقيق تر بنگريم مي بينيم كه آزمايش هاي پاستور اهميت فوق العاده اي داشتند. او نخستين كسي بود كه نشان داد تركيبات آلي در سطح مولكولي به صورت تصاوير آينه اي يكديگر وجود دارند؛ به عبارتي ديگر مولكول ها داراي ويژگي دستوارگي ياكايراليته هستند. منشاء اين واژه معادل يوناني دست است، و از اين لحاظ مناسبت دارد كه دو دست نمونه بارز دو جسمي هستند كه تصوير آينه اي يكديگر باشند. نه تنها مولكول ها، بلكه اشياي معمولي را هم مي توان كايرال يا غير كايرال دانست. به عنوان نمونه دستكش كايرال است، ولي جوراب غير كايرال. چون فرقي نمي كند جوراب به پاي راست پوشيده شود يا پاي چپ.
تا پيش از آزمايش هاي پاستور، دانشمندان براي توضيح اثر بلورهاي كوارتز بر نور قطبيده ، به شكل اين بلورها استناد مي كردند، چون وقتي بلورهاي كوارتز ذوب مي شوند فعاليت نوري شان از بين مي رود. اما تأثيرات نوري برخي از مايعات نظير سقز و محلول هاي قندي قابل توجيه نبود. پژوهش هاي پاستور نشان داد كه اختلاف شكل بلورهاي نمك اسيد راسميك بيانگر اختلاف در شكل مولكول هاي نمك است، چون حل كردن بلورها در آب درست مثل ذوب شدن بلورهاي كوارتز، ساختار بلوري نمك را از بين مي برد. با اين حال، محلول هاي دو نوع بلور نمكي كه پاستور استفاده مي كرد هنوز هم فعاليت نوري داشتند. پاستور بعدها نمكهاي جدا شده اسيد راسميك را به اسيد تبديل كرد و نشان داد كه دو شكل ايزومري چپ گردان يا (-) اسيد تارتاريك و راست گردان يا(+) اسيد تارتاريك وجود دارد ( شكل1). اشاره

پاستور به اين مطلب پي برده بود كه اكتشاف وي اشاره به رابطه مستقيمي ميان هندسه مولكولي و فعاليت نوري دارد. او چنين پيشنهاد كرد كه نسبت مولكول هايي كه صفحه نور قطبيده را در جهت هاي مخالف مي چرخانند مانند نسبت هر شيئي به تصوير آينه اي آن است. اما لازم بود 25 سال بگذرد تا دو شيميدان جوان به نام هاي ياكوب وانت هوف و ژوزف لبل توضيح دهند كه دقيقاً اتمها چگونه به شكل اين ساختارهاي مولكولي در كنار هم قرار مي گيرند. در اين فاصله، پاستور توجه خود را به برخي از مسائل زيست شناسي كه پيشتر ذكر آنها رفت معطوف كرد و به موفقيت هاي چشمگيري دست يافت. اما پژوهش هاي پيشگامانه او در زمينه تفكيك اسيد راسميك راه را براي شيمي دانان ديگر هموار كرد، تا رابطه ميان كايراليته در ساختار مولكول و فعاليت زيست شناختي را توضيح دهند؛ اهميت واقعي كار پاستور در همين است.
گرچه دانستن اين كه مولكول هاي چپ گردان اسيد راسميك [(-) – اسيد تارتاريك] صفحه نور قطبيده را در خلاف جهت عقربه هاي ساعت مي گردانند اهميتي ندارد، اما بسيار مهم است كه بدانيم چرا مولكول راست گردان ويتامينC[(+) – اسيد آسكوربيك] ويتامين هست در حالي كه (-) – اسيد آسكوربيك فعاليت زيست شناختي ندارد- يعني ويتامين نيست؛ چرا(+)- گلوكوز( دكستروز) ماده اي مغذي است در حالي كه (-) – گلوكوز(لوولوز) ارزش غذايي ندارد؛ چرا(-) – كلرومايستين آنتي بيوتيك نيرومندي است در حالي كه (+) – كلرومايستين چنين خاصيتي ندارد؛ و اينكه چرا(-)- آدرنالين هورموني بسيار فعالتر از (+) – ادرنالين است.
نمونه اي تأسف بار از اهميت كايراليته مولكول ها استفاده از داروي تاليد وميد بود. در دهه 1950 زنان باردار قبل از آنكه شيمي دانان دريابند كه اگر چه شكل (+) اين مولكول خطري ندارد و براي درمان كسالت صبحگاهي مفيد است، اما شكل (-) آن ماده جهش زاي فعالي است ( يعني ماده اي كه باعث جهش هاي زيست شناختي مي شود)، از اين دارو استفاده كردند. چون در داروي مزبور هر دو شكل اين موكول وجود داشت، ناهنجاري هاي جنيني شديد و متعددي به بار آمد.

گرچه مشاهده شكل هاي مختلف بلورها، جداسازي اين شكل هاي مختلف، و نتيجه گيري درباره علت تأثيرات متضاد آنها بر نور قطبيده حقيقتاً ناشي از نبوغ پاستور بودند، اما بخت ياري نقش عمده اي در اكتشافاتش ايفا كرد. در اين كشفيات بخت دوبار وارد صحنه شد. اولاً نمك سديم آمونيم اسيد راسميك- نمكي كه پاستور بررسي مي كرد- تقريباً تنها نمك اين اسيد است كه به دو شكل آينه اي تبلور مي يابد، و هر كسي مي تواند با مشاهده اين اختلاف با دست آنها را از هم جدا سازي كند. ثانياً تبلور اين دو شكل تنها در دماهاي كمتر از 26 درجه سانتي گراد صورت مي گيرد؛ در دماهاي بالاتراز 26 درجه سانتي گراد بلورهايي كه تشكيل مي شوند همگي يكسان و فاقد فعاليت نوري هستند. پاستور ظرف حاوي محلول نمك را در جاي خنكي در كنار پنجره آزمايشگاهش در پاريس قرار داد ، و براي تبلور محلول ، آن را تا روز بعد همان جا گذاشت. اگر انتخاب بخت يارانه نمك مناسب اسيد راسميك و آب و هواي خنك شهر پاريس نبود، چه بسا پاستور به اكتشاف چشمگيرش دست نمي يافت.
پاستور مانند ديگر بزرگاني كه از بخت ياري بهره بردند، به فرقي كه ميان تصادف و اكتشاف تصادفي وجود دارد پي برد، و آن را به زيبايي به زبان خود چنين بيان كرد: در پهنه مشاهده ، بخت فقط به ذهن مستعد ياري مي رساند . وقتي فيزيكدان مشهور آمريكايي جوزف هنري جمله زير را پيش از آن به زبان مي آورد، همين قاعده كلي در نظرش بود: بذر اكتشافات بزر گ دايماً ما را فرا گرفته اند، اما تنها در ذهن هايي ريشه مي دوانند كه آمادگي پذيرش آنها را داشته باشند .

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 374]