איזומרים:
דומים אבל שונים

מה קובע את תכונות החומרים ותפקודם? אם תגידו שזו הנוסחה הכימית של החומר, שכוללת את סוגי האטומים המרכיבים אותו והיחסים ביניהם – זו תהיה רק חלק מהתשובה. גורם חשוב נוסף הוא הסדר והמבנה המרחבי שבו האטומים מסתדרים, ולעיתים יש לכך השלכות מרחיקות לכת על חיינו ובריאותנו.

מולקולות שמורכבות מאותם אטומים אבל בסידור מרחבי שונה נקראות איזומרים. הנוסחה הכימית של חומר מסוים מציינת את האטומים המרכיבים אותו ואת היחס המתמטי ביניהם, אולם בצורתה הבסיסית היא אינה מציינת אילו אטומים קשורים ביניהם ואיך הקשרים הללו מסודרים במרחב.

הסידור המבני של האטומים בחומר מתאר את את היחסים הכמותיים בין אטומים ואילו אטומים קשורים זה לזה, והסידור המרחבי הוא זה שקובע איך הם יהיו מסודרים זה לעומת זה במרחב. סידור מבני שונה, שמתבטא בסדר שונה של האטומים או בקשרים שונים ביניהם, מניב תרכובות בעלות תכונות פיזיקליות וכימיות אחרות. לעיתים ההבדלים יהיו משמעותיים עד כדי כך שקשה להאמין שלחומרים יש נוסחה כימית זהה. כשהסידור המבני זהה אך הסידור המרחבי של הקשרים שונה מתקבלות תרכובות עם תכונות פיזיקליות זהות – למשל מסיסות או נקודת התכה – אך הפעילות הכימית והביולוגית יכול להיות אחרת.

איזומרים מבניים

איזומרים מבניים הם תרכובות שהרכבן הכימי זהה, אולם בכל איזומר האטומים מסודרים אחרת או יוצרים קשרים מסוגים שונים. כתוצאה מכך מתקבלות פעמים קבוצות בעלות תפקודים שונים. זה קורה מפני שקבוצות של אטומים וקשרים בתרכובת קובעים את תכונותיה ואת סוגי התגובות שיכולים להיות לה. המבנה השונה מביא גם להבדלים בתכונות הפיזיקליות והכימיות של האיזומרים.

הנוסחה הכימית C₂₁H₃₀O₂, מניבה לדוגמה שני איזומרים פעילים ביולוגית: האחד הוא פרוגסטרון, שהוא הורמון מין נשי המשתתף בתהליכי מעגל הווסת, בהיריון ובהתפתחות העובר. האיזומר השני, THC, מורכב כאמור מאותם אטומים בדיוק, אבל הוא חומר פסיכואקטיבי מעורר הזיות שמקורו בצמח הקנביס.

נוסחה זהה, חומרים שונים. מימין:פרוגסטרון, משמאל: THC (כל מפגש קווים מציין אטום פחמן) | תרשימים: ויקיפדיה

גם הנוסחה הכימית C₂H₆O מניבה שני חומרים אורגניים בעלי מבנה שונה: האחד הוא אתנול (CH₃CH₂OH), שהוא האלכוהול לשתייה המוכר לנו היטב. האתנול נוזלי בטמפרטורת החדר ומשמש גם לחיטוי, הרדמה והמסה וייצור של כימיקלים אחרים. החומר השני הוא די-מתיל אתר (CH₃OCH₃) – גז בטמפרטורת החדר שחשיפה אליו גורמת לגירויים. די-מתיל אתר משמש בין השאר לייצור כימיקלים אחרים וכגז דחף בתרסיסים. נקודת הרתיחה של אתנול היא 78 מעלות צלזיוס לעומת 24 מעלות צלזיוס מתחת לאפס לדי-מתיל אתר. ההפרש בנקודות הקיפאון של שני החומרים הוא 27 מעלות.

מיקום שונה של אטום החמצן. מימין: אתנול; משמאל: די-מתיל אתר | תרשים: מריה גורוחובסקי

דוגמה שלישית היא תרכובות אורגניות מהסוג C_nH_2n+2, שבהן n הוא מספר שלם גדול משלוש, יכולות להסתדר במבנה של שרשרת ישרה או במבנים מסועפים. לדוגמה, הנוסחה הכימית C₅H₉ יכול להסתדר בשלושה מבנים שונים, שלכל אחד מהם יהיו תכונות פיזיקליות שונות: פנטאן, איזופנטאן וניאופנטאן. נקודת ההתכה של ניאופנטאן גבוהה ביותר ממאה מעלות צלזיוס מזו של שני האיזומרים האחרים. בנוסף, בטמפרטורת החדר ניאופנטאן הוא גז ואילו שני האחרים הם נוזל.

ככל ש-n גדול יותר, כך מתרבות גם אפשרויות הסידור המרחבי. לנוסחה הכימית C₆H₁₄ יש חמישה איזומרים ולנוסחה הכימית C₁₂H₂₆ יש כבר לא פחות מ-355 איזומרים.

סטריאואיזומרים

הקבוצה השנייה של האיזומרים היא הסטריאואיזומרים – תרכובות שבהן סוגי הקשרים בין האטומים זהים והקבוצות הפונקציונליות זהות, אולם הסידור המרחבי שלהם שונה. בעקבות זאת יכולות להיות לחומרים הללו תכונות כימיות ופעילות ביולוגית שונות מאוד, בזמן שתכונותיהם הפיזיקליות – למשל צפיפות ונקודת רתיחה – יהיו זהות לגמרי.

דוגמה לכך היא הסוכר הפשוט שיש לכולנו: החד-סוכר C₆H₁₂O₄ (אלדוהקסוז). לסוכר הזה יש 16 סטריאואיזומרים, שנבדלים זה מזה במיקום היחסי במרחב של הקבוצות H ו-OH שקשורות לארבעה פחמנים בשלד המולקולה. לדוגמה, החד-סוכרים גלוקוז וגלקטוז נבדלים זה מזה רק סביב אטום הפחמן הרביעי במולקולה שלהם.

גלקטוז נמצא במוצרי חלב, אבוקדו, ירקות שורש, צוף פרחים ועוד, והוא גם מיוצר בגוף האדם. הוא מומר לגלוקוז בתהליך חילוף החומרים בגופנו. הגלוקוז מיוצר על ידי צמחים ובעלי חיים בכמה סוגי תהליכים, כגון פוטוסינתזה וגלוקונאוגנזה. לשניהם מידת מתיקות דומה ומהחיבור שלהן נוצר סוכר החלב לקטוז. למרות ההבדל המרחבי הזעיר ביניהם, הגלוקוז יציב יותר בגוף האדם מגלקטוז, והוא מניע את תהליך הפקת האנרגיה בגופנו.

ההבדל היחיד: מיקום המימן (H) וההידרוקסיל (OH) הקשורים לפחמן 4. מימין: גלוקוז; משמאל: גלקטוז | תרשים: מריה גורוחובסקי

לתרופה תלידומיד יש שני סטריאואיזומרים אופטיים שמהווים תמונת ראי זה של זה – כמו יד שמאל ויד ימין בגופנו. אולם העובדה הזאת לא הייתה ידועה בעת תחילת ההפצה והשימוש בה, והיו לכך השלכות טראגיות.

התרופה פותחה במקור באמצע שנות ה-50 ונמצאה יעילה לטיפול בבחילות בוקר ובעיות שינה, ולכן נמכרה ללא מרשם לנשים בהיריון, בעיקר באירופה ובקנדה. זמן מה לאחר הפצתה החל גל של לידות של תינוקות עם מומים מולדים קשים שכללו גפיים מעוותים, עיוורון, חירשות ועיוותים באיברים פנימיים. רק כמחציתם שרדו. כשהבינו ב-1961 שיש קשר בין התרופה לפגמים המולדים, הפצתה הופסקה.

בבדיקות שבוצעו לאחר מכן התברר שהתרופה הכילה את שני הסטריאואיזומרים שלה, שאחד מהם מונע בחילות בוקר אך השני גורם למומים התפתחותיים בעוברים. בהמשך התברר שגופנו ממיר את הסטריאואיזומר הבטוח למקבילו גורם המומים, כך שגם אם נבודד את הסטריאואיזומר הבטוח וניתן לנשים הרות רק אותו, לא יהיה בכך פתרון. כיום התרופה משמשת לטיפול בצרעת, מיאלומה נפוצה ודלקות, אך אסור לתת אותה לנשים הרות.

הפרשה הביאה להרחבה וחיזוק של הסמכויות והסטנדרטים של מינהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA), וכיום תהליך קבלת האישור לתרופה חדשה נמשך 12-8 שנים ומלווה בבדיקות מדוקדקות על בעלי חיים ובני אדם.

הבדל זעיר בארגון המרחבי, אך בעל השלכות נוראות. שני האיזומרים המרחביים של תלידומיד | מקור: ויקיפדיה

האיזומרים הם דוגמה יפה לעושר ולמורכבות של החומרים והמערכות הביולוגיות בטבע. אותה קבוצה של אטומים (כלומר נוסחה כימית מסוימת) יכולה ליצור חומרים שונים לחלוטין בהתאם לסדר האטומים וסוגי הקשרים ביניהם. למעשה, בחומרים מסוימים מספיק שינוי בסידור המרחבי של קשרים מסוימים כדי ליצור חומר שונה מאוד מבחינה ביולוגית, שישפיע באופן בלתי הפיך על חייהם של אנשים רבים.