4.12: Chiralità in natura

La chiralità è l’aspetto più intrigante ed essenziale della natura, che regola i processi biochimici e la precisione della vita. Può essere osservato in un mondo macroscopico dal motivo del guscio di una lumaca fino ad un amminoacido, il più piccolo elemento costitutivo della vita. La maggior parte delle lumache di tutto il mondo hanno un guscio a spirale destra a causa della chiralità intrinseca nei loro geni. Tutti gli amminoacidi presenti nel corpo umano esistono allo stato enantiomericamente puro, ad eccezione della glicina, l'unico amminoacido achirale. La chiralità degli amminoacidi ha una conseguenza significativa sulla simmetria e sulla funzione delle proteine e degli enzimi presenti in natura. Con 268 centri chirali, la chimotripsina umana potrebbe esistere in 2²⁶⁸ possibili configurazioni, se ciascun amminoacido assumesse una delle forme enantiomeriche. Tuttavia, il ruolo della chiralità ha reso possibile una singola chimotripsina chirale come enzima digestivo selettivo.

Un altro aspetto critico nella cascata dei processi biochimici è che, a causa della loro chiralità, la maggior parte degli enzimi interagisce con solo uno degli. Di conseguenza, si verifica l’enantioselettività, come un meccanismo di serratura e chiave, in cui solo un enantiomero può adattarsi al sito di legame dell’enzima. Ciò ha un’implicazione significativa nel campo della progettazione dei farmaci, dove ciascun enantiomero può indurre un effetto diverso. Il ruolo della chiralità è stato portato alla luce in modo devastante quasi cinquant’anni fa, quando il farmaco talidomide fu prescritto per il trattamento della nausea mattutina nelle donne incinte. Da allora, le proprietà di ciascun enantiomero sono state accertate per ogni farmaco progettato.

La cosa più interessante è che questo aspetto della chiralità si estende dal microcosmo al macrocosmo. Quando Pasteur scoprì la connessione tra l'attività ottica e la chiralità molecolare, ciò lo portò a congetturare che anche le forze della natura fossero chirali. Questo ora è stato dimostrato in tutto l’universo nelle interazioni deboli tra particelle fondamentali, che possono violare la simmetria di parità.

Hai mai notato i motivi sul guscio di una lumaca da giardino? Con ogni probabilità, il guscio sarà avvolto a destra. Infatti, a Londra, quando è stata scoperta una lumaca a spirale sinistra, era così rara che è stata lanciata una campagna mondiale per trovarla una compagna a spirale sinistra.

In effetti, quasi tutte le lumache in tutto il mondo hanno gusci a spirale destra, una conseguenza della chiralità intrinseca dei loro geni.

Come le lumache, la maggior parte dei prodotti naturali e delle biomolecole sono chirali. Ad esempio, tutti gli amminoacidi presenti nel nostro corpo esistono come singoli enantiomeri, ad eccezione dell'unico amminoacido achirale, la glicina.

Gli amminoacidi sono i mattoni delle proteine; in quanto tali, la chiralità degli amminoacidi ha conseguenze significative sulla simmetria e sulla funzione di tutte le proteine e gli enzimi presenti in natura.

Considera il caso della chimotripsina, un enzima digestivo che si trova nell'intestino di molti animali. La chimotripsina umana, con 268 aminoacidi nella sequenza, ha 268 centri chirali.

Se ciascuno di questi amminoacidi potesse esistere in una delle loro due forme enantiomeriche, la chimotripsina umana avrebbe 2²⁶⁸ possibili configurazioni. Fortunatamente, gli amminoacidi esistono come singoli enantiomeri nel nostro corpo e, di conseguenza, la chimotripsina è presente in una sola configurazione chirale.

A causa della chiralità della loro struttura, la maggior parte degli enzimi come la chimotripsina reagiscono specificamente con uno solo dei due enantiomeri di una molecola. Questa enantioselettività si verifica quando solo uno degli enantiomeri può entrare nel sito di legame dell'enzima, analogamente a un meccanismo di blocco e chiave.

Di conseguenza, gli enantiomeri di una molecola farmacologica possono invocare diverse risposte biologiche nel corpo. Ad esempio, mentre l'enantiomero S del farmaco naprossene ha proprietà antinfiammatorie, l'enantiomero R del naprossene è una tossina epatica. Pertanto, il naprossene viene venduto come singolo enantiomero.

Alcuni farmaci, come l'ibuprofene, sono venduti come miscele racemiche. Qui, mentre l'enantiomero S è l'agente attivo, l'enantiomero R è inattivo e innocuo.