4.12: 自然界中的手性

手性是自然界中一个独特且关键的现象，控制着生命的生化过程及其精确性。 从宏观世界中的蜗牛壳图案到生命最微小的组成部分氨基酸，都可以观察到它。 世界上大多数蜗牛的壳呈右旋卷曲，因为它们的基因中存在内在的手性。 除甘氨酸（唯一的非手性氨基酸）外，人体中存在的所有氨基酸均以对映体纯态存在。 氨基酸的手性对天然蛋白质和酶的对称性及功能具有重要影响。 人类胰凝乳蛋白酶有 268 个手性中心，如果每个氨基酸以任一对映体形式存在，那么理论上可以形成以 2²⁶⁸ 种可能的构型。 然而，手性的存在决定了胰凝乳蛋白酶只能以单一手性形式作为选择性消化酶。

生化反应中的另一个关键现象是，由于其手性，大多数酶仅与一种对映体发生特异性相互作用。 这种对映选择性就像锁和钥匙机制的一样，只有一种对映体能够与酶的结合位点匹配。 这一现象在药物设计领域具有重要意义，因为每种对映体可以引发不同的生理作用。 大约五十年前，药物沙利度胺因用于治疗孕妇的妊娠反应而引发了一场灾难。 此后，科学家开始系统性地研究和确定每种药物中各对映体的特性，以避免类似事件重演。最有趣的是，手性这一现象不仅存在于微观世界，还延伸至宏观世界。 巴斯德在发现旋光性和分子手性之间的关系后，推测自然界的基本力也可能具有手性。 现在，这一推测已被证实，基本粒子间的弱相互作用确实能够让宇称对称性（parity symmetry）失效，在整个宇宙中展现出手性的存在。。

有没有注意到花园蜗牛壳上的图案？外壳很可能会右卷曲。事实上，在伦敦，当发现一只左卷蜗牛时，它是如此罕见，以至于发起了一场全球运动，以寻找它左卷的伴侣。

事实上，世界上几乎所有的蜗牛都有右卷曲的壳——这是它们基因固有的手性的结果。

像蜗牛一样，大多数天然产物和生物分子都是手性的。例如，我们体内存在的所有氨基酸都以单一对映异构体的形式存在，除了唯一的非手性氨基酸甘氨酸。

氨基酸是蛋白质的组成部分;因此，氨基酸的手性对所有天然存在的蛋白质和酶的对称性和功能有重大影响。

以胰凝乳蛋白酶为例，这是一种在许多动物的肠道中发现的消化酶。人胰凝乳蛋白酶序列中有 268 个氨基酸，有 268 个手性中心。

如果这些氨基酸中的每一个都可以以两种对映体形式中的任何一种存在，那么人胰凝乳蛋白酶将具有 2²⁶⁸ 种可能的构型。幸运的是，氨基酸以单个对映异构体的形式存在于我们体内，因此，胰凝乳蛋白酶仅以一种手性构型存在。

由于其结构的手性，大多数酶（如胰凝乳蛋白酶）仅与分子的两个对映异构体中的一个发生特异性反应。这种对映选择性的产生是因为只有一个对映异构体可以适合酶的结合位点，类似于锁和钥匙机制。

因此，药物分子的对映异构体可以在体内引发不同的生物反应。例如，虽然药物萘普生的 S 对映异构体具有抗炎特性，但萘普生的 R 对映异构体是一种肝脏毒素。因此，萘普生作为单一对映异构体出售。

一些药物，如布洛芬，以外消旋混合物的形式出售。在这里，虽然 S 对映异构体是活性剂，但 R 对映异构体是无活性且无害的。