4.12: Chiralität in der Natur

Chiralität ist der faszinierendste und doch wesentlichste Aspekt der Natur und bestimmt die biochemischen Prozesse und die Präzision des Lebens. Man kann dies vom Muster eines Schneckenhauses in einer makroskopischen Welt bis hin zu einer Aminosäure, dem kleinsten Baustein des Lebens, beobachten. Aufgrund der intrinsischen Chiralität in ihren Genen haben die meisten Schnecken auf der Welt ein rechtsgewundenes Gehäuse. Alle im menschlichen Körper vorhandenen Aminosäuren liegen in enantiomerisch reinem Zustand vor, mit Ausnahme von Glycin – der einzigen achiralen Aminosäure. Die Chiralität von Aminosäuren hat erhebliche Auswirkungen auf die Symmetrie und Funktion natürlich vorkommender Proteine ​​und Enzyme. Mit 268 chiralen Zentren könnte menschliches Chymotrypsin in 2²⁶⁸ möglichen Konfigurationen existieren, wenn jede Aminosäure eine der enantiomeren Formen annehmen würde. Die Rolle der Chiralität hat jedoch ein einziges chirales Chymotrypsin als selektives Verdauungsenzym bestimmt.

Ein weiterer kritischer Aspekt in der Kaskade biochemischer Prozesse besteht darin, dass die meisten Enzyme aufgrund ihrer Chiralität nur mit einem der Enantiomere interagieren. Folglich entsteht Enantioselektivität, ähnlich einem Schlüssel-Schloss-Mechanismus, bei dem nur ein Enantiomer in die Bindungsstelle des Enzyms passen kann. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf den Bereich des Arzneimitteldesigns, wo jedes Enantiomer eine andere Wirkung hervorrufen kann. Die Rolle der Chiralität wurde vor fast fünf Jahrzehnten auf verheerende Weise ans Licht gebracht, als das Medikament Thalidomid zur Behandlung der morgendlichen Übelkeit bei schwangeren Frauen verschrieben wurde. Seitdem wurden die Eigenschaften jedes Enantiomers für jedes entwickelte Medikament ermittelt.

Interessanterweise erstreckt sich dieser Aspekt der Chiralität vom Mikrokosmos bis zum Makrokosmos. Als Pasteur den Zusammenhang zwischen optischer Aktivität und molekularer Chiralität entdeckte, kam er zu der Vermutung, dass sogar die Naturkräfte chiral sind. Dies wurde nun im gesamten Universum anhand der schwachen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen nachgewiesen, die die Paritätssymmetrie verletzen können.

Sind Ihnen schon einmal die Muster auf dem Gehäuse einer Gartenschnecke aufgefallen? Aller Wahrscheinlichkeit nach wird die Schale rechtsgewickelt sein. Als in London eine Linksschnecke entdeckt wurde, war sie sogar so selten, dass eine weltweite Kampagne gestartet wurde, um sie als Linksschnecken-Partnerin zu finden.

Tatsächlich haben fast alle Schnecken auf der ganzen Welt rechtwinklige Schalen – eine Folge der intrinsischen Chiralität ihrer Gene.

Wie bei Schnecken sind die meisten Naturstoffe und Biomoleküle chiral. Zum Beispiel existieren alle in unserem Körper vorhandenen Aminosäuren als einzelne Enantiomere, mit Ausnahme der einzigen achiralen Aminosäure, Glycin.

Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen; als solche hat die Chiralität von Aminosäuren erhebliche Auswirkungen auf die Symmetrie und Funktion aller natürlich vorkommenden Proteine und Enzyme.

Nehmen wir den Fall von Chymotrypsin, einem Verdauungsenzym, das im Darm vieler Tiere vorkommt. Humanes Chymotrypsin mit 268 Aminosäuren in der Sequenz hat 268 chirale Zentren.

Wenn jede dieser Aminosäuren in einer ihrer beiden enantiomeren Formen existieren könnte, hätte das menschliche Chymotrypsin 2²⁶⁸ mögliche Konfigurationen. Glücklicherweise existieren Aminosäuren in unserem Körper als einzelne Enantiomere, und dementsprechend liegt Chymotrypsin nur in einer chiralen Konfiguration vor.

Aufgrund der Chiralität ihrer Struktur reagieren die meisten Enzyme wie Chymotrypsin spezifisch nur mit einem der beiden Enantiomere eines Moleküls. Diese Enantioselektivität entsteht, da nur eines der Enantiomere in die Bindungsstelle des Enzyms passt, analog zu einem Schlüssel-Schloss-Mechanismus.

Demnach können die Enantiomere eines Wirkstoffmoleküls unterschiedliche biologische Reaktionen im Körper hervorrufen. Während beispielsweise das S-Enantiomer des Medikaments Naproxen entzündungshemmende Eigenschaften hat, ist das R-Enantiomer von Naproxen ein Lebergift. Daher wird Naproxen als einzelnes Enantiomer verkauft.

Einige Medikamente, wie z. B. Ibuprofen, werden als racemische Mischungen verkauft. Während hier das S-Enantiomer der Wirkstoff ist, ist das R-Enantiomer inaktiv und harmlos.