ALKÍMIA MA - A molekulák harmóniája
Adatlap
Előadó: 
Náray-Szabó Gábor
Időpont: 
csü., 2007-09-20 17:00
Helyszín: 
ELTE Pázmány Péter sétány 1/A 0.83
Kísérő programok: 
Kvízjáték
Szalay Péter: Megnyitó
Magyarfalvi Gábor: Látványos kémiai kísérletek
Meggyőződésem, hogy létezik néhány alapvető elv, mely csodálatosan szép, ugyanakkor sokszor ijesztően bonyolult és feszültségekkel terhes világunkat vezérli. Ez a világ olyan szerkezeti egységek sokaságából tevődik össze, mint az elemi részecskék, a molekulák, a sejtek, élő szervezetek, emberek és kultúrák. Az energia megmaradásának elve meghatározza a tömegpontok viselkedését egy erőtérben, ugyanakkor alapvető szerepet játszik az üvegház-hatásban is, mely globális felmelegedéshez vezethet, ezért nemcsak az éghajlatra, a mező-gazdaságra, a környezetszennyezésre és a népesedésre, hanem végső soron a kulturális szokásokra is hatással van. Az alapvető elvek egyike hitem szerint a harmónia. Ez az egyszerű, de mély értelemmel bíró fogalom az értelmező szótár szerint együtt szereplő elemek összhangját, egyezését, arányosságát, emellett zavartalan testi-lelki egyensúlyt, emberek között és a külső világgal megvalósuló egyetértő, jó viszonyt, egyetlen szóval kiegyensúlyozottságot takar. Ha egész Földünket tekintjük, a feszültségek hozhatnak átmeneti előnyöket, nélkülük nem fejlődhet a világ, de a cél bevallva, bevallatlanul mégis a harmónia.
Az alábbiakban azt szeretném bemutatni, hogy a harmónia fogalma jól használható a mindennapi gondolkodásunktól igen messze álló, de anyagaink, szervezetünk, környezetünk, egész világunk alapvető építőköveit képező molekulák tulajdonságainak, átalakulásainak képszerű bemutatásához. HEISENBERG írja, hogy egyedül az egzakt megfogalmazás nem elégséges egy természeti jelenség megértéséhez, ezért a kvalitatív törvényszerűségek felismerése elmélyítheti ismereteinket. Fontos ez a képszerűség, fontos az érzelmi megközelítés, mert az ipari és természettudományos fejlődés hátrányokkal is jár: a számok, képletek, táblázatok és számítógépek között könnyen elvész a lélek. Kevés a fizikai kényelem, ha érzelmi leépüléssel jár. A molekuláris harmónia segítségével könnyebben érthetjük meg a molekulák társulásának törvényszerűségeit is, ezek pedig meghatározó szerepet játszanak a gyógyszerek hatásának kialakításában, így új tudás új hatóanyagok kifejlesztését is megkönnyítheti. Vegyük most szemügyre a molekuláris harmónia négy aspektusát, az illeszkedést, a hasonlóságot, a türelmet és a szépséget.
Az együtt szereplő részek összhangja a molekulák világában fontos jelenség leírását könnyíti meg, mellyel napjainkban egyre többet foglalkoznak világszerte a tudósok. Egymással kölcsönhatásban lévő molekulák illeszkedése révén jön létre a molekuláris felismerés, mely meghatározó szerepet játszik a molekulatársulások kialakulásában. Ezek hajtóerejét a nem-kovalens kölcsönhatások képezik, melyek precíz leírása a jelenség megértésének alapja. Ma már a rendelkezésre álló, korábban elképzelhetetlenül nagy teljesítményű számítógépek segítségével részletes analízisre, megbízható előrejelzésekre van lehetőség. A harmadik évezred küszöbén képesek vagyunk pontosan modellezni bonyolult molekulákat, ezáltal fontos támpontokat nyújthatunk a jelenségek megértéséhez, új anyagok kikísérletezéséhez és iparszerű előállításához.
Az illeszkedés kölcsönható molekulák között legszemléletesebben Emil Fischer kulcs-zár hasonlatával szemléltethető, mely több mint száz éve született. Az életfolyamatokban meghatározó szerepet játszó enzimeket a zárral, az általuk átalakított, hozzájuk illeszkedő és az enzim által átalakított szubsztrát vagy éppen a működésüket gátló molekulákat pedig a bele illő kulccsal modellezhetjük és azonnal előáll a hasonlat: a vendég és a gazda úgy illeszkednek egymásba, mint kulcs a zárba. Az illeszkedésnek három feltétele van: térbeli, elektrosztatikus és hidrofób. Vegyük most szemügyre ezeket kissé részletesebben.
A térbeli illeszkedés a vendég és a gazda között legkönnyebben úgy érthető meg, hogy az úgynevezett térkitöltő megjelenítésben ábrázoljuk a molekulákat, melyek atomjait egy-másba hatoló, merev gömbökkel érzékeltetjük, és melyek ezáltal szőlőfürtre emlékeztetnek. A szőlőszemek nem hatolhatnak egymásba, egy ilyen térbeli konfliktus óriási energia befektetését kívánná, ami az életfolyamatokat jellemző, mérsékelt körülmények között nem áll rendelkezésre.
A térbeli illeszkedés egy példája az 1. ábrán látható, mely bonyolult számítógépes szoftverrel készült. Érdekes jelenség, hogy a térbeli illeszkedés következtében, vizes fázisban a vendégmolekula a lehető legtökéletesebben igyekszik kitölteni a gazda üregét. Ezt a jelenséget gyakran kihasználják új gyógyszermolekulák tervezésénél.
A térbeli illeszkedés mellett az elektrosztatikus komplementaritás is fontos a vendég-gazda molekula-társulásokban. Az erős kötés nem mindig valósul meg csupán a térbeli illeszkedés hatására, szükséges az is, hogy az érintkező molekulák átfedő részei között vonzás alakuljon ki, legalábbis ezek ne taszítsák egymást. Nyilvánvaló, hogy a vonzás a kötést erősebbé, a vendég-gazda társulást szilárdabbá teszi. Jó közelítéssel elfogadható, hogy az ellentétes előjelű potenciállal jellemzett molekuláris régiók vonzzák egymást.
1.ábra. Fehérjék térbeli illeszkedésének molekulagrafikai ábrázolása.
Az illeszkedés harmadik feltétele az úgynevezett hidrofób effektushoz kapcsolódik. Ez vizes oldatokban lép fel és abban nyilvánul meg, hogy a kölcsönhatásban álló molekulák felszínének különböző polaritású tartományai igyekeznek elkerülni egymást. A jelenség magyarázata meglehetősen bonyolult és a hidratációval kapcsolatos entrópia-változással függ össze, egyszerűen illusztrálható azonban a molekula által létrehozott elektrosztatikus térrel. A jól nedvesedő (hidrofil) régiókat erős, míg a víztaszító, rosszul nedvesedő (hidrofób) régiókat gyenge tér jellemzi. Alkalmazható a régi római bölcsesség: similis simili gaudet, hasonló a hasonlónak örül. A kölcsönhatásban álló molekulák felszínének azon tartományai keresik egymást, melyek közelében hasonló nagyságú az elektrosztatikus tér, tehát nedvesedő a nedvesedőt, víztaszító a víztaszítót.
Térjünk most át a molekulák hasonlóságára. Ez a koncepció egyre fontosabb a mai kémiában, ugyanis több mint 20 millió különböző molekulát ismerünk, a különböző számító-gépes adatbázisok meghatározó szerepet játszanak a gyógyszerek számítógépes tervezésében, a mérgező hatások előrejelzésében, a kutatási dokumentációkban és más területeken. Két molekulát akkor nevezünk hasonlónak, ha tulajdonságaik is hasonlóak, pl. fizikai állandóik közel esnek egymáshoz, hasonlóan viselkednek kémiai reakciókban vagy hasonló élettani hatást fejtenek ki.
Nyilvánvaló, hogy a hasonlóság meghatározása attól a tulajdonságtól függ, amit éppen szemügyre veszünk, tehát nem valószínű, hogy két hasonló tömegű, méretű és töltéseloszlású molekula szükségszerűen hasonlóan viselkedik mondjuk egy betegség kezelésében. A hasonlóság egy lehetséges meghatározása a molekuláris illeszkedés fogalmához kapcsolódik. A kulcs-zár hasonlat alapján azok a kulcsok (vendégmolekulák) nevezhetők hasonlónak, melyek azonos zárba (a gazdamolekula üregébe) illeszkednek, vagyis hasonló térbeli, elektrosztatikus és hidrofób mintázatot hoznak létre maguk körül. Egy példát láthatunk a 2. ábrán. E meghatározás értelmében hasonló molekulák hasonlóan viselkednek a vendég-gazda komplexképződés során.
2. ábra. Hasonló molekulák számítógépes ábrázolása.
Miután a molekuláris zárak és kulcsok ritkán illeszkednek tökéletesen, alkalmazkodni-uk kell egymáshoz a lehető legjobb társulás megvalósítása érdekében. A türelem látszik a legmegfelelőbb kifejezésnek e jelenség érzékeltetésére, melyet tudományos nyelven indukált illeszkedésnek neveznek. A türelem lehetővé teszi, hogy a molekulák megfelelően megváltoztassák alakjukat annak érdekében, hogy minél tökéletesebben illeszkedhessenek társukhoz.
A makromolekulák, pl. fehérjék gyakran képlékenyek és képesek kisebb-nagyobb konformációs változások elviselésére, ugyanakkor kölcsönható társuk is sokszor alkalmazko-dik hozzájuk. Ezért a kulcs-zár analógiánál pontosabb a kéz-kesztyű hasonlat: a molekulák hajlékonyan alkalmazkodnak egymáshoz a kölcsönhatás során.(l. 3. ábra), lényeges tulajdonságaik azonban nem változnak.
3. ábra. A karboxipeptidáz nevű enzim konformációjának változása szubsztrát kötődésének hatására. Balra: különálló enzim és szubsztrát, jobbra: enzim-szubsztrát komplex.
A harmónia további jelentése 'kellemes művészi hatás' kifejtése. Ezáltal jutunk el a molekuláris harmónia negyedik vonatkozásához, a szépséghez. A molekulák is a természet részei, ezért akárcsak egy mindennapi tárgy, egy táj, egy növény, állat vagy emberi lény, szépek lehetnek. A molekulák szépsége el van rejtve a legtöbb ember elől. Maga a molekula fogalma sem régebbi száz évnél és az első részletes kísérleti információkat csak a múlt század húszas éveiben kaptuk. Még a hetvenes években is a molekulafogalom megértéséhez hosszú évek gyakorlatára volt szükség a szerkezeti kémiában vagy a molekulák elméletében. Érhető, hogy az emberek többsége, közöttük számos kutató is kissé zavarba jön, ha molekulákról hall. Ez a megszokott reakció, ha teljesen ismeretlen személyekkel vagy eseményekkel kerülünk szembe, az esetleges rejtett vagy nyílt ellenérzést csak hosszú együttlét, még inkább közös tevékenység során lehet feloldani. Shakespeare Európájában azt hitték, hogy az erdő tele van veszélyes lényekkel, tündérekkel és manókkal, 'akik' fő célja, hogy borsot törjenek a behatoló orra alá. Amint terjedt a civilizáció, oldódott a félelem, egyre többen fedezték fel a vadon szépségeit, az erdő fokozatosan a festők és költők művészetének kedvenc tárgya lett.
Aki szemügyre vesz egy bonyolult molekulát a számítógép képernyőjén, nehezen vonhatja ki magát a formák és színek kavargó gazdagsága alól, melynek mélyén ott rejtőzik a célszerű rend. Ilyen benyomást dolgozott fel egy művész, aki a 4. ábrán látható művében társította az átörökítést lehetővé tevő DNS molekulát a világ térképével.
A Balaton mellett, Felsőörsön él egy kémikus, Vizi Béla, aki szabad idejében molekulaszobrokat készít. Lassan-lassan a művészek behatolnak a molekulák világába, sajátos látásmódjuk révén valamennyien közelebb kerülünk a megértéshez.
4. ábra. A DNS molekula óvja a világot
Paul Thiessen, http://www.chemicalgraphics.com/paul/DNA.html
Beszéltünk itt emberekről, molekulákról, szépségről, változásról, tudományról, művészetről. Szerteágazó fogalmak, eltérő asszociációk, ellentétes megközelítések. Talán sikerült érzékeltetni, hogy van közös elemük: a harmónia.