Chiralität in der Natur

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.