A Molekulák Világa, I. rész: Mi köze van a szerves kémiának a legóhoz?

Braunsteiner Kristóf
2021. május 12.
A kémia szó hallatán a legtöbb embernek rossz emlékek idéződnek fel az iskolás időkből, a szerves kémia hallatán pedig a vegyészek közül is jópáran inkább a menekülés mellett döntenek. Pedig nagyon izgalmas ágazat, és életünk szinte minden terén jelen van!

Gyógyszerhatóanyagok, mezőgazdasági vegyszerek, műanyag összetevők, élvezeti szerek, táplálékkiegészítők, kozmetikai hatóanyagok, festékek, illatszerek, növényi kivonatok, neurotranszmitterek. És még sorolhatnám. Vannak köztük károsak, hasznosak, természetesek, szintetikusak, illatosak, büdösek, mérgezők és egészségesek. Becslések szerint az ismert szerves molekulák száma meghaladja a 20 milliót. És a szerves vegyületek „könyvtára” folyamatosan új felfedezésekkel bővül. De mégis hogyan, milyen eljárásokkal fedezünk fel, analizálunk és gyártunk le új vegyületeket?

A válasz: összetett, tudományok közötti csapatmunkával. És persze sok esetben egy jó nagy adag szerencsével. A kutatók és kutatónők különböző szerepeket játszanak ebben a folyamatban (és fontos megjegyezni, hogy nem csak vegyészek): vannak, akik kalandorként nekivágnak egy ismeretlen helynek, miután hallottak egy csodaerővel rendelkező növényről, vannak, akik nyomozóként keresik a bizonyítékokat egy bizonyos molekula jelenlétére a kalandor által megtalált növényben, és aztán vannak azok, akik felbuzdulva a bizonyítékokon, megpróbálják a molekulát előállítani – szintetizálni, ahogy mi vegyészek mondjuk.

Képzeljük el a következő, kicsit idealizált szcenáriót: egy fiatal botanikusnő egy nemzetközi növénytani konferencia nyitóestje utáni fogadáson szóbaelegyedik egy csoport dél-amerikai tudóssal, akik elmesélnek neki egy legendát egy csodanövényről a dzsungel mélyén, amelynek a helyi törzs elbeszélései szerint minden bizonnyal kognitív funkciókat növelő és gyulladásgátló tulajdonságai vannak. A botanikusnő, miután visszatért a konferenciáról, elmeséli ezt a sztorit a főnökének, akinek jó kapcsolatai vannak az antropológia tanszéken az egyik professzorral. Mikor ezek ketten összeülnek a havonta megtartott kártyapartiukra egy pofa finom sör mellett, a botanikus professzor felhozza a legendás csodanövény történetét, mire az antropológus professzor nagy örömmel felkiállt: „Erről a törzsről hallottam!” Tovább témáznak, és arra jutnak, hogy bizony megérné annak a növénykének jobban unánajárni egy botanikus-antropológus kooperáció keretén (a szerencse). Másnap a főnök ezt el is mondja a fiatal botanikusnőnek, akinek az expedíció szó hallatán felcsillanak a szemei, kapcsolatba lép az antropológusokkal, és neki is kezdenek a pályázat megírásának. Megpályázzák, megkapják a pénzt, és létrejön az expedíció (a kalandorok). A csoport tagja egy másodéves antropológus doktorandusz is, aki visszaemlékezik egy barátnőjére, akivel együtt brigádoztak az egyetem melletti kávézóban. Nemrég fejezte be a PhD-jét, és most növényi hatóanyagok izolálásával, és azon hatóanyagok struktúrájának felderítésével foglalkozik (a nyomozó). Felkeresik őt is, hogy nem vállalná-e az esetleges csodaszer izolálását, ha csakugyan megtalálják a növényt a dzsungel mélyén. Hát hogyne vállalná, válaszolja. Komoly méretet vesz fel ez az együttműködés. Az kalandorok tehát elutaznak a dzsungelbe, az antropológusok megismerkednek az ott lakó törzzsel és legendáikkal, a botanikusok pedig a hallottak alapján keresik a csodanövényt. Pár hónap izzasztó munka után meg is találják. A növénymintákat hazahozzák, a nyomozó nekiáll feldolgozni őket: szárítani, ledarálni, különböző oldószerekkel kivonatokat készíteni, hogy a poláris és apoláris összetevők fel legyenek osztva, majd az így leegyszerűsített keverékeket oszlopkromatográfiával tisztítani, míg az egyes molekulákat tiszta izolátumként kapja meg. A struktúrát nukleáris mágneses rezonanciával, tömegspektroszkópiával és infravörös spektroszkópiával határozza meg. Vannak köztük már ismert vegyületek, de lám, találtatik egy eddig ismeretlen vegyület is,  amelynek vannak némi strukturális hasonlóságai más bioaktív molekulákkal (20 millió ismert vegyületnél ez nagy valószínűséggel előfordul ugyebár). Ezen a ponton már egy pár molekuláris biológus is részt vesz a buliban, ők különböző sejtkultúrának adják az új vegyületet „eledelül”, és így mérik fel, hogy tényleg bioaktív-e az új molekula, és ha igen, akkor lehet-e olyan hatása, mint amit a legendák leírnak. A vegyület hatására a patkányagy sejteken elindult némi dendrit növekedés, ami neuroplaszticitásra, tehát arra utal, hogy van esély a kognitív képességek növelésére, és az egér makrofág sejtkultúrán a gyulladásgátló hatás is megmutatkozott. Pompás hírek! Sajnos ezekre a tesztekre ráment a pár milligram izolátum amit sikerült kivonni a növénymintákból. Több anyag kéne, na de honnan szerezzük? Az expedíció már befejeződött, közben elindult egy világjárvány, és ha el is tudnánk utazni a dzsungelbe, a növény nagyon ritka, ráadásul a klímaváltozás által a kihalás fenyegeti, tehát amúgyis kell találnunk módot a molekula előállítására. A nyomozó tehát átugrik a szomszéd laborba, ahol nagyban megy a szintetizálás, az itt lakó kutatócsoport ezzel keresi kenyerét. Felrajzolja az ajtó melletti kis táblára egy filctollal a vegyület struktúráját, a kutatócsoport vezetője megnézi, megfontolja, majd megigéri, hogy elgondolkodik rajta, hogyan lehetne előállítani. Minél többet töri rajta a fejét, annál jobban tetszik neki az ötlet. Rövid időn belül kezd egy új diák PhD-t a csoportban, megkapja a projektet. Jó lenne előállítani egy pár száz milligrammot, hogy további kisérleteket lehessen csinálni a molekula bioaktivitásával kapcsolatban. Na és itt jön képbe a címben említett legózás!

Mivel az organikus szintézisben egyszerű, olcsó, könnyen hozzáférhető kiindulóanyagokból próbálunk előállítani összetettebb vegyületeket, ezt a folyamatot úgy képzelhetjük el, mint molekuláris legózást. Ha legómodellt építünk, akkor egy tervrajzon orientálódunk, ahol lépésről lépésre kötünk össze egymással új részeket, és így jutunk el kisebb kockák és elemek összekötésével a kész modellhez. Ha egy molekulát próbálunk felépíteni, akkor ugyanúgy csinálunk egy tervrajzot, ahol lépésről lépésre összetettebbé válik a vegyület – ez az ún. szintézisterv. Ezesetben a „kockáinkat” molekulafragmentumoknak nevezzük. Az alábbi képeken látni egy legó tervrajzot és egy molekula szintézistervét, hogy jobban el tudjuk képzelni, miről is karattyolok.

Legó tervrajz - lépésről lépésre növekszik a modell

 

Szintézisterv - lépésről lépésre növekszik a molekula

Fent: a legómodell lépésről lépésre növekszik.

Lent: a molekula lépésről lépésre növekszik.

Papíron ez a tervrajz persze nagyon elegánsan nézhet ki. De a valóságban sok komplikáció léphet fel. Ráadásul nem csak molekula fragmentumokat kötünk össze egymással, hanem néha bizonyos funkciós csoportokat akarunk átváltoztatni más funkciós csoportra. És ezeknél az operációknál felléphetnek mellékreakciók, amik tovább komplikálják a dolgunkat.

 A funkciós csoportok azon részei a molekuláknak, amelyek általában megadják hatásukat, de ezeken a részeken sokszor új fragmentumokat is tudunk hozzákötni. Ezt legóban a következőképp képzelhetjük el: legyen a molekula alapstruktúrája egy jármű. Az egyik végén lóg egy funkciós csoport, esetünkben legyen egy karon levő markolókanál, ezáltal a jármű egy markológép. Na most mi ezen a végén hozzá szeretnénk kapcsolni egy következő molekulafragmentumot, de a markolókanál nem alkalmas arra, hogy ezt a fragmentumot megfogja, ezért át kell változtatnunk egy kedvezőbb funkciós csoportra, mondjuk egy kampóra. Egy legómodellen ez könnyű, kezeimmel leszerelem a markolófejet, és felszerelem a kampót. És át is változtattam a járművemet egy markológépről egy darura, és hozzá tudom csatolni a következő fragmentumot. Ez persze a molekulákkal kicsit bonyolultabb, mert nem tudom egyszerűen megfogni. Egy kémiai reakcónál az inkább úgy néz ki, hogy dobálom a kockákat a markológépre, a markológép egy megfelelő oldószerben úszik, és a fizikai kölcsönhatások miatt megy végbe a tervezett részen a reakció. Ügyelni kell viszont arra, hogy ha a molekulán lóg egy másik funkciós csoport is, akkor ne azon történjen meg a reakció. Ha egy molekulán több funkciós csoport van, akkor megesik, hogy párat közülük védőcsoporttal kell ellátni, hogy ne reagáljanak. De a vegyészet ennek megoldásán is dolgozik. Léteznek ún. katalizátorok, amik molekuláris kezekként tudják irányítani a fragmentumokat és így megkönnyítik az építést. Ilyen reakcióknál sokszor nem szükséges a védőcsoport alkalmazása, így időt és anyagot spórolunk. Az igazi legónál persze nem kell védőcsoport. És oldószer sem.

Szóval szerves kémia és legó. Vannak hasonlóságok, de a molekuláris legó kicsit időigényesebb és komplikáltabb. És aztán vannak pontok ahol nagyon eltérnek egymástól. De ami biztos, az az, hogy aki szeret legózni, és valami oknál fogva a szerves kémiát választja pályafutásnak, annak az elsajátított képességek, mint a tervezés és a térbeli gondolkodás, sokat fognak segíteni munkájában.

A Molekulák Világa sorozat következő részeiben majd konkrét molekulákat fogok bemutatni, amelyek szerintem érdekesek. Ha pedig vannak kérdéseitek a témához, ne habozzatok, írjátok meg a kommentekben!

Hozzászólások

Kérjük a kommentelőket, hogy tartózkodjanak az olyan kommentek megírásától, melyek mások személyiségi jogait sérthetik. Egyben felhívjuk figyelmüket, hogy a kommentekhez tartozó IP címeket a rendszer elraktározza.

Profile picture for user Braunsteiner Kristóf
4 blogbejegyzés
Braunsteiner Kristóf
13 karma
Pozsonyban születtem, anyanyelvem magyar, apanyelvem német. A Duna utca padjait koptattam elsőtől érettségiig, egy kis intermezzóval egy echte high schoolban az Egyesült Arab Emirátusokban. Miután kaptam róla papírt hogy érett lettem, Bécsbe vezetett utam az Uni Wien-re, a kémia szakra. Az egyetem annyira megtetszett, hogy ráhúztam egy pár szemesztert az alapidőre. Én meg annyira megtetszettem nekik, hogy alkalmaztak. Először tutorként kezdtem a biológusok bevezető laborkurzusában, 2020 óta lektorként tevékenykedek ugyanott. Mellette fordítok. Remélem tetszeni fognak a bejegyzések!
Legfrissebb blogbejegyzések
Jéney Gàbor 2021. augusztus 1.
Soha eddig nem esett ennyi szó az oltásról mint manapság.