4.12: 自然界におけるキラリティ

キラリティは、生命の生化学的プロセスと精度を支配する、自然の最も興味深い、しかし本質的な側面です。 分かりやすい例として、マクロ的観点でカタツムリの殻のパターンから、生命の最も微細な構成要素であるアミノ酸まで観察できます。 世界中のカタツムリのほとんどは、遺伝子に固有のキラリティがあるため、右巻きの殻を持っています。 人体に存在するすべてのアミノ酸は、唯一のアキラルアミノ酸であるグリシンを除いて、エナンチオマー的に純粋な状態で存在します。 アミノ酸のキラリティは、天然に存在するタンパク質や酵素の対称性と機能に重大な影響を与えます。 ヒトのキモトリプシンは 268 個のキラル中心を持ち、各アミノ酸がいずれかの鏡像異性体をとる場合、2²⁶⁸ 通りの可能な配置で存在する可能性があります。 しかし、キラリティの役割により、単一のキラルキモトリプシンが選択的消化酵素として定められています。

生化学プロセスのカスケードにおけるもう 1 つの重要な側面は、ほとんどの酵素がそのキラリティにより鏡像異性体の 1 つとのみ相互作用することです。 その結果、鍵と鍵の機構のように、1 つのエナンチオマーのみが酵素の結合部位に適合できるエナンチオ選択性が生じます。 これは、各エナンチオマーが異なる効果を誘導する可能性がある医薬品設計の領域において重要な意味を持ちます。 キラリティの役割は、約 50 年前、妊婦のつわりの治療にサリドマイドという薬が処方されたとき、壊滅的な形で明らかになりました。 それ以来、設計されたすべての薬剤について、各エナンチオマーの特性が確認されてきました。

最も興味深いのは、キラリティのこの側面が小宇宙から大宇宙にまで及ぶことです。 パスツールが光学活性と分子キラリティとの関係を発見したとき、それは自然の力でさえキラルであると推測するようになりました。これは、基本粒子間の弱い相互作用においてパリティ対称性が破れることが確認されたことで、宇宙の根本的な法則の一つとして証明されています。

庭のカタツムリの殻の模様に気づいたことがありますか?おそらく、シェルは右に巻かれます。実際、ロンドンでは、レフトコイルカタツムリが発見されたとき、それは非常にまれだったため、レフトコイルのカタツムリを見つけるための世界的なキャンペーンが開始されました。

実際、世界中のほとんどすべてのカタツムリは、遺伝子の固有のキラリティの結果である右コイル状の殻を持っています。

カタツムリのように、ほとんどの天然物や生体分子はキラルです。例えば、私たちの体内に存在するすべてのアミノ酸は、唯一のアキラルアミノ酸であるグリシンを除いて、単一の鏡像異性体として存在しています。

アミノ酸はタンパク質の構成要素であり、そのため、アミノ酸のキラリティーは、天然に存在するすべてのタンパク質と酵素の対称性と機能に大きな影響を与えます。

多くの動物の腸に見られる消化酵素であるキモトリプシンの場合を考えてみましょう。配列に268個のアミノ酸を持つヒトキモトリプシンは、268個のキラル中心を持っています。

これらのアミノ酸のそれぞれが2つの鏡像異性体形態のいずれかで存在できる場合、ヒトキモトリプシンは2²⁶⁸の可能な構成を持つことになります。幸いなことに、アミノ酸は私たちの体内に単一の鏡像異性体として存在し、したがって、キモトリプシンは1つのキラルな配置でしか存在しません。

その構造のキラリティにより、キモトリプシンなどのほとんどの酵素は、分子の2つの鏡像異性体のうちの1つだけと特異的に反応します。このエナンチオ選択性は、エナンチオマーの1つだけが酵素の結合部位に収まるため、ロックアンドキーメカニズムに類似しています。

したがって、薬物分子のエナンチオマーは、体内でさまざまな生物学的応答を引き起こす可能性があります。例えば、ナプロキセンのS鏡像異性体は抗炎症作用を持っていますが、ナプロキセンのR鏡像異性体は肝臓毒素です。したがって、ナプロキセンは単一のエナンチオマーとして販売されています。

イブプロフェンなどの一部の薬は、ラセミ混合物として販売されています。ここでは、Sエナンチオマーが活性剤であるのに対し、Rエナンチオマーは不活性で無害です。