MAGEN ASPEKTE

Säurehemmung Isomerie: Die Symmetrie von Molekülen

Symmetrie wohin man schaut

Der Symmetrie begegnen wir überall. Sie zeigt sich beim Schmetterling und in der Form des Ahornblattes, bei der Schneeflocke und unter den Mineralien. Die Natur ist reich an schönen Beispielen für symmetrische Dinge. Seit Jahrtausenden ist der Symmetriebegriff eng mit dem Schönheitsideal der Menschen verknüpft. Symmetrische Formen finden deshalb auch ihren Niederschlag in der Architektur, in der Kunst und in vielen Dingen des täglichen Lebens, die der Mensch geschaffen hat. Symmetrie wird als ordentlich, schön und vollkommen empfunden. Sie erscheint uns als Gegensatz zum Chaos.

Symmetriedarstellung

Für die alten Griechen bedeutete Symmetrie (summmetria) "Ebenmaß und Ausgewogenheit in der Anordnung der Teile". Heute würde man - wohl nicht minder philosophisch - sagen: "Ein Gebilde ist symmetrisch, wenn man es irgendwie verändern kann und danach trotzdem wieder das Gleiche erhält, was man vor der Veränderung hatte". Etwas wissenschaftlicher versteht man darunter die Invarianz eines Objektes gegenüber bestimmten Transformationen. Zum Glück haben wir gewissermaßen "im Gespür", was Symmetrie ist, und bräuchten uns daher mit dieser merkwürdigen Erklärung eigentlich nicht länger aufhalten. Gerade diese scheinbar verworrene Definition hat jedoch das naturwissenschaftlich-mathematische Verständnis vom Wesen der Symmetrie in ganz besonderem Maße befruchtet. Wir wollen uns deshalb kurz überlegen, wodurch etwas symmetrisch wird. Dabei werden wir die obige Definition ganz nebenbei verstehen. Betrachten wir einmal den abgebildeten Mosaikfußboden, der aus lauter kleinen Quadraten besteht.

Schachdarstellung

Wenn man ein kleines Quadrat nun um genau zwei Kantenlängen verschieben würde, und es gegen das dort vorhandene austauscht, hätte sich am Aussehen des Fußbodens eigentlich nichts geändert. Dreht man irgendeines der Vierecke um 270 Grad um eine gedachte Achse, die genau durch den Schwerpunkt dieses Quadrats geht, ist ebenfalls keine Änderung zu erkennen. Das Mosaik hat beide Veränderungen schadlos überstanden, nach unserer Aktion sieht alles so aus, wie vorher. Unser Objekt erwies sich als invariant gegenüber den Transformationen "Verschiebung mit Austausch" und "Drehung". Der Mosaikfußboden ist also definitionsgemäß ein symmetrischer Gegenstand - aber das wussten wir ja intuitiv von Anfang an. Man kann für jedes Objekt sehr leicht analysieren, wie viele "schadlose Veränderungen" es gibt. Bei einem Würfel lassen sich zum Beispiel insgesamt 48 dieser so genannten Symmetrieelemente finden. Bei einer Kugel sind es sogar unendlich viele. Wer Spaß am Knobel hat, kann ja 'mal die Anzahl der Symmetrieelemente für unser Quadrat ermitteln (Die Auflösung findet sich am Ende des Kapitels "Aktuelles aus Wissenschaft und Forschung").

Spieglein, Spieglein an der Wand

Bevor wir unseren Ausflug in die Welt der Symmetrie in eine andere Richtung lenken, müssen wir noch ein besonders wichtiges Symmetrie-Element kennen lernen: Die Spiegelung. Wir sehen leicht, das sich unser Mosaikfußboden auch dann nicht ändert, wenn wir eines seiner Quadrate sagen wir mal an einer Diagonale spiegeln. Nebenbei bemerkt, erlaubt unser Quadrat sogar mehr "schadlose Spiegelungen" als "schadlose Drehungen". Spiegelungen begegnen uns "auf Schritt und Tritt". Sie spielen nicht nur in unserem Alltagsleben, sondern auch in vielen Bereichen der Mathematik, Physik und Chemie eine herausragende Rolle. Eine Eigenschaft macht die Spiegelungen zu etwas Besonderem: Nicht alles was gespiegelt wird lässt sich durch drehen oder verschieben wieder mit sich selbst zur Deckung bringen. Zwar kann man die Spiegelbilder unseres Quadrats oder zum Beispiel des Buchstaben H solange drehen, bis sie wieder mit dem "Original" deckungsgleich sind. Das Spiegelbild unserer Hand lässt sich hingegen durch keine noch so geschickte Bemühung wieder in den Originalzustand zurück drehen. Die gespiegelte "rechte" wird nämlich zu einer "linken" Hand. In Anlehnung an das griechische Wort für Hand (ceir) hat man dem Phänomen, dass sich Original und Spiegelbild nicht miteinander zur Deckung bringen lassen, den Namen "Chiralität" gegeben. Wie wir sehen werden, spielen derart "chirale Objekte" auch in der Medizin eine herausragende Rolle. An dieser Stelle wollen wir dem Leser jedoch zunächst eine kleine Pause gönnen und ihn mit einer besonders anmutigen "Spiegelung" vertraut machen. Sie ist Wolfgang Amadeus Mozart mit seiner von beiden Seiten des Notenblattes spielbaren "Tischmusik für Zwei" gelungen.

Partitur - Notenblatt

Das "richtige" Spiegelbild entscheidet!

Bisher hatten wir uns mit symmetrischen Objekten beschäftigt, die man im täglichen Leben auch tatsächlich wahrnehmen kann. Seit mehr als 150 Jahren ist jedoch bekannt, dass die Symmetrie auch in der Welt der Moleküle eine herausragende Rolle spielt (lesen Sie dazu auch in unserer Rubrik "Interessantes aus der Medizingeschichte"). Tatsächlich besitzen viele Moleküle eine streng symmetrische Struktur. Selbst die Moleküle des gewöhnlichen Wassers, das uns als völlig formlose Flüssigkeit durch die Hände plätschert, sind symmetrisch aufgebaut. Würde man das Wassermolekül spiegeln, so verhielte es sich allerdings wie das Quadrat oder der Buchstabe H aus unserem Beispiel: Bild und Spiegelbild wären identisch. Daher ist es in diesem Fall auch sinnlos überhaupt von Bild und Spiegelbild zu reden. Es gibt in dieser Hinsicht nur eine Sorte Wasser. Die meisten Aminosäuren, Aromastoffe und viele Arzneimittel treten jedoch in zwei verschiedenen Formen auf, die sich tatsächlich wie Bild und Spiegelbild einer Hand zu einander verhalten. Derart chirale Moleküle lassen sich genauso wenig mit einander zur Deckung bringen, wie die beiden abgebildeten Säulen aus dem Lateran in Rom:

Der einfacheren Unterscheidung wegen, wollen wir das rot dargestellte Molekül in unserem Beispiel als S-Isomer, sein graues Spiegelbild hingegen als R-Isomer bezeichnen (zum genauen Hintergrund dieser Sprachregelung lesen Sie unsere FAQ's). Es ist leicht einzusehen, dass sich die Eigenschaften beider Isomere unterscheiden müssen - so wie sich ein Schlüssel von seinem Spiegelbild unterscheidet: Wir können unsere Haustür nur mit dem Originalschlüssel öffnen und würden dies mit seinem Spiegelbild vergeblich versuchen. Oft sind die unterschiedlichen Eigenschaften des S- und des R-Isomers sogar direkt wahrnehmbar. So riecht die eine Form des Aromastoffes Carvon nach Pfefferminze, die andere dagegen nach Kümmel. Auch bei Limonen duftet das" Bild" nach Zitrone, das "Spiegelbild" hingegen nach Orangen. Diabetiker, die ihren Tee mit Aspartam-Tabletten süßen, wissen vielleicht, dass nur ein Isomer süß, das andere hingegen bitter schmeckt.

Die Unterschiede im Geschmack oder in der Duftnote mögen für den Leser vielleicht keine allzu große Bedeutung haben. Bei manchen Molekülen kann der Unterschied zwischen Bild und Spiegelbild jedoch eine Entscheidung zwischen Leben und Tod bedeuten. Im Jahre 1956 kam in Deutschland ein Schlafmittel auf den Markt. Es enthielt das chirale Molekül Thalidomid. Das "Bild" des Thalidomids half tatsächlich gegen Schlafstörungen, sein "Spiegelbild" rief jedoch schwere Missbildungen bei noch ungeborenen Kindern hervor, wenn Schwangere das Medikament zwischen dem 20. und 35. Tag der Schwangerschaft einnahmen. Noch heute sind uns die dramatischen Ereignisse jener Tage als "Contergan-Affäre" in Erinnerung.

Symmetrie im Dienste der Gesundheit

Die Entscheidung zwischen Bild und Spiegelbild kann also lebenswichtig sein. Auch in unserem Körper findet sich ausnahmslos nur eine Spiegelbild-Form der Aminosäuren. Dieses Phänomen ist übrigens charakteristisch für alles Leben auf dieser Erde. Es gibt keinen einzigen Organismus, der hier eine Ausnahme macht! Angesichts dieser Tatsache scheint es nur natürlich, dass auch bei Arzneimitteln, die aus chiralen Molekülen bestehen, lediglich das S- oder das R-Isomer die gewünschte heilende Wirkung hervorruft. Bei der Herstellung von Medikamenten entstehen in der Regel jedoch immer beide Spiegelbild-Isomere als Gemisch. Während die eine Form tatsächlich hilft, kann die andere im ungünstigsten Fall sogar schädlich sein. Dem Patienten, der sagen wir 'mal das S-Isomer eines Protonenpumpenblockers benötigt, um sein Sodbrennen zu behandeln, bleibt nichts weiter übrig, als auch das nutzlose R-Isomer mit zu schlucken. Nur für ganz wenige Arzneimittel ist es bisher möglich, das wirklich nützliche "Bild" von seinem unnützen "Spiegelbild" zu trennen. Was den Protonenpumpenblocker Omeprazol betrifft – und damit schließt sich unser Kreis gewissermaßen wieder – ist den Forschern im Jahre 2000 jedoch ein wahrhaft revolutionärer Schritt gelungen: Sie sind in diesem Fall in der Lage, ausschließlich die nützliche S-Form herzustellen. Diesem hochwirksamen Isomer hat man den Namen Esomeprazol gegeben. Sie ist die eigentliche Substanz, die die Protonenpumpe blockiert, so wie es in unserer Märzausgabe beschrieben wurde. Wer sich nach all dem Gesagten jetzt detaillierter für das Aussehen des Esomeprazol-Moleküls interessiert, braucht nur noch einmal den Blick auf die linke Seite der oben stehenden Abbildung werfen: Beide Moleküle zeigen Omeprazol: Links präsentiert sich als S-Isomer der Protonenpumpenblocker "Esomeprazol". Rechts hingegen sehen wir das schwächer wirksame R-Omeprazol.

FAQ's:

Was hat es mit den Symbolen "(+)" und "(-)" oder "D" und "L" bzw. "S" und "R" vor manchen chemischen Bezeichnungen auf sich?

Antwort: Viele Moleküle kommen in der Natur doppelt vor: Als Bild und Spiegelbild. Weil beide ansonsten die gleichen Bestandteile enthalten, nennt man sie Isomere (iso = gleich). Um Isomere zu unterschieden, nutzt man ihre Eigenschaft, polarisiertes Licht zu beeinflussen. Eine Lösung des (+)-Isomers dreht die Ebene des polarisierten Lichtes nach rechts. Das spiegelbildliche (-)-Isomer dreht sie nach links.

Der Chemiker Emil Fischer führte bei Zuckern und Aminosäuren jedoch eine andere, weit verbreitete Nomenklatur ein. Liegt eine bestimmte zucker- und aminosäuretypische Molekülgruppe (die OH-Gruppe) auf der rechten Seite des Moleküls, spricht man von der D-Form (griech. dexter = rechts), finden wir sie links, handelt es sich um die L-Form (griech. laevus = links).

Die Chemiker Cahn, Ingold und Prelog haben später noch das so genannte CIP-System eingeführt. Bei dieser Benennung erhalten die vier unterschiedlichen Molekülgruppen, die an ein Kohlenstoffatom gebunden sind, einen bestimmten Rang. Die sich ergebende Rangordnung wird dann in absteigender Reihenfolge betrachtet. Sind die Molekülgruppen so angeordnet, dass ihr Rang im Uhrzeigersinn abnimmt, spricht man vom R-Isomer (lat. rectus =rechts herum), nimmt sie entgegengesetzt des Uhrzeigersinns ab, hat man das S-Isomer (lat. sinister = links herum) vor sich.

Die verschiedenen Möglichkeiten, Spiegelbild-Isomere zu bezeichnen, sind jedoch nicht auf einander übertragbar. So dreht ein D-Isomer nicht unbedingt das polarisierte Licht nach rechts und kann in der CIP-Definition durchaus auch ein S-Isomer sein.

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Auflösung des Quadrat-Problems:
Es gibt sieben solcher Symmetrieoperationen (Rotation um 90, 180 und 270 Grad um die Mittelpunktsachse / Spiegelung an einer Geraden durch den Mittelpunkt und senkrecht zu einer Seite / Spiegelung an einer Geraden durch den Mittelpunkt und senkrecht zur anderen Seite / Spiegelung an einer Diagonalen / Spiegelung an der anderen Diagonalen). Aus mathematischen Gründen wird auch das "in-Ruhe-lassen" des Quadrats als achte Symmetrieoperation betrachtet.