מה הקשר בין פרס נובל לכימיה לשנת 2026, לבין זרעי קימל ועלי נענע? איך מבנה מרחבי קובע את טעם החריימה? ואיזו חידה קולינרית מבריחה מכאן גם ערפדים וגם כימאים? הצטרפו למסע מרתק בין מעבדות שטוקהולם לארון התבלינים שלכם, ומצאו את התשובה לשאלה האלמותית של "בלי סודות": כִּירָאלִיּוּת – איך בכלל קוראים את זה?
השבוע הכריזה ועדת פרס נובל על הזוכים לשנת 2026 בפרס הנובל בכימיה, אנרי קגן וקנסו סואי. הנובל הוענק להם על פריצות דרך בחקר הכיראליות, אסימטריה מולקולרית.
גם מבלי להכיר את המילה "כיראליות", אנחנו מכירים, מריחים וטועמים את התופעה הזו בכל פעם שאנחנו נכנסים למטבח. כדי להבין מה גרם לוועדת הפרס בשטוקהולם להתרשם כל-כך מהמחקרים פורצי הדרך של קגן וסואי, כל שאנו צריכים הוא להסתכל על כפות הידיים שלנו, על מיכל של זרעי קימל ועל צרור של נענע.
מולקולות עם יד ימין ויד שמאל
בכימיה, מולקולות כיראליות הן מולקולות שיש להן "תאומת מראה". המילה מגיעה מהמילה היוונית חייר שמשמעותה "יד", שהרי כפות הידיים שלנו הן דוגמה מושלמת לכיראליות. יד ימין ויד שמאל בנויות מאותן אצבעות ומאותם מבנים, והן נראות כמו השתקפות זו של זו במראה. אבל איננו יכולים לחפוף אותן במדויק זו על זו – אם נניח יד אחת על השנייה כששתיהן פונות לאותו כיוון, למשל שבשתיהן כף היד פונה למטה וגב הכף פונה למעלה, האגודלים יפנו לצדדים מנוגדים.
בספר הלימוד הרציני לכימיה אורגנית באוניברסיטה, של סולומונס, הסתתרה בדיחה בנושא: לכל דבר בעולם יש תמונת ראי, בין אם היא חופפת למקור ובין אם לא. חוץ מ… לערפדים, כמובן!
אבל אם נחזור לכימיה, בעולם המולקולות האסימטריה הזו היא קריטית. יש מולקולות שהן זהות בהרכב האטומים שלהן, אבל הסידור המרחבי שלהן הפוך. הן תמונת מראה לא חופפת זו של זו, ומכונות אננטיומרים.
וכאן אנחנו מגיעים לקימל ולנענע.
אותה המולקולה, שני תבלינים שונים
אם נסתכל על מולקולת הריח קרוון Carvone, היא קיימת בטבע בשתי תצורות מראה, ימנית ושמאלית:
צורה אחת – R-carvone. היא נמצאת בכמויות גדולות בזרעי קימל (כרוויה) ושמיר. זהו הריח האדמתי, החם והעמוק שמזוהה עם לחם שיפון או חריימה.
צורה שנייה – S-carvone. המבנה שלה הוא תמונת הראי של הגרסה הראשונה. היא הרכיב המרכזי בשמן האתרי של הנענע Spearmint , הריח המרענן שאנחנו אוהבים בתה.
כִּי… רָא… לִי… יוּת. כיראליות! איך אפשר לקרוא את זה?
כשרוצים לשרטט מבנה של מולקולות, הדף הרי שטוח אבל המולקולות הן תלת-ממדיות. כדי להראות לנו לאיזה כיוון האטומים פונים במרחב, משתמשים בסימון גרפי.
הקו המשולש העבה מסמן קבוצת אטומים שבולטת קדימה, יוצאת החוצה מהדף אלינו.
הקווים המקווקווים מסמנים קבוצה שפונה אחורה אל תוך הדף והרחק מאיתנו.
ההבדל היחיד בין מולקולת הקרוון בקימל ומולקולת הקרוון בנענע הוא שבאחת מהן קבוצה מסוימת בולטת קדימה, ובתמונת המראה שלה – היא פונה אחורה. לכן לא ניתן לחפוף את שתי הצורות האלה ולהניח אותן זו על זו. אבל לשתיהן קוראים קרוון. כדי להבחין בשמות של הקרוון של הקימל והקרוון של הנענע, משתמשים בשתי שיטות עיקריות:
- סימון R ו- S . מגיע מלטינית, Rectus ימין ,Sinister שמאל. מדרגים את האטומים סביב המרכז לפי משקלם. אם הכיוון מהכבד לקל הוא עם כיוון השעון המולקולה מסומנת כ- R כמו בקימל, ואם הוא נגד כיוון השעון היא מסומנת כ – S כמו בנענע.
- סימון (+) ו (-) סימון זה מבוסס על תכונה פיזיקלית. כשמעבירים קרן אור מיוחדת, אור מקוטב, דרך המולקולות, גרסה אחת תסובב את קרן האור ימינה ולכן תיקרא + או Dextrorotatory, וגרסת המראה תסובב את האור שמאלה באותה זווית בדיוק ותיקרא – או Levorotatory.
כמו כפפה לאף
הסיבה שהאף שלנו מבדיל בין נענע לקימל בשבריר שנייה נובעת מכך שגם קולטני הריח והטעם בגוף שלנו הם בעצמם מבנים כיראליים. נוכל לדמיין את קולטני הריח כמו כפפות. כפפה שמיועדת ליד ימין, תתאים רק ליד ימין. כשמולקולת ה- S-קרוון של הנענע מגיעה אל האף, היא לא מצליחה "להיכנס" לקולטן של הקימל, אבל היא מתאימה כמו כפפה לאף לקולטן של הנענע. המוח מקבל את האות, ומפרש אותו מיד כניחוח מרענן.
לא רק בנענע: הלימון והתפוז
קרוון היא לא המולקולה הכיראלית היחידה במטבח. דוגמה נהדרת נוספת היא מולקולת הלימונן Limonene.
גרסה אחת שלה נותנת לתפוזים את הניחוח המתוק וההדרי שלהם.
גרסת המראה שלה נותנת ללימונים, וגם למחטי אורן, את הריח החמוץ והחד שלהם.
גם בממתיקים מלאכותיים אפשר להיתקל בתופעה. מולקולת האספרטיים במשקאות הדיאט מתוקה פי 200 מסוכר. אבל אם מסנתזים במעבדה את תמונת המראה שלה, מתקבלת מולקולה מרה.
ובחזרה לערפדים: למה הם באמת בורחים משום?
בהמשך לסיפור הערפדים שאין להם תמונת מראה, נראה שכיראליות היא עוד סיבה שהם מתרחקים משום! הרכיב המרכזי בשום חי, שהוא חומר המוצא לניחוח האופייני שלו, נקרא אליאין .Alliin למולקולה זאת יש מבנה אסימטרי מורכב – יש לה שני מרכזים כיראליים, גם על אטום הפחמן וגם על אטום הגופרית. המבנה המרחבי שנמצא בשום נקרא, .(+)-Alliin
מדוע החוקרים קיבלו נובל?
במשך שנים, כשכימאים ניסו לייצר מולקולות כיראליות במעבדה, למשל בהכנת תרופות, הם קיבלו תערובת שווה של "ימין" ו"שמאל" (תערובת רצמית). בטבע ובתעשיית המזון זה אולי נגמר בריח של קימל במקום נענע, אבל בתעשיית התרופות זה יכול להיות עניין של חיים ומוות, כפי שקרה באסון התרופה תלידומיד בשנות ה-60, שבה גרסה אחת הקלה על בחילות וגרסת המראה שלה גרמה למומים קשים.
החוקרים שזכו השבוע בנובל, קגן וסואי, מצאו דרכים ייחודיות "להכריח" את מערכת התגובות הכימיות לבחור צד ולייצר רק את "יד ימין" או רק את "יד שמאל" בצורה מוגברת וסלקטיבית. זאת מהפיכה בתהליכי ייצור התרופות וחומרים אחרים. ובשבילנו במטבח, זאת תזכורת נוספת לכך שכימיה נמצאת בכל ביס.
לקריאה נוספת:
Soai, K. et al. Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule. Nature 1995, 378 (6559), 767–768.
Puchot, C. et al. Nonlinear effects in asymmetric synthesis. Examples in asymmetric oxidations and aldolization reactions. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108 (9), 2353–2357.
איורים: בינה מלאכותית
