4.12: Chiralność w przyrodzie

Chiralność jest najbardziej intrygującym, a zarazem istotnym aspektem natury, regulującym procesy biochemiczne i precyzję życia. Można to zaobserwować od wzoru muszli ślimaka w świecie makroskopowym po aminokwas, najmniejszy element budulcowy życia. Większość ślimaków na całym świecie ma muszle skręcone w prawo ze względu na wewnętrzną chiralność w ich genach. Wszystkie aminokwasy obecne w organizmie człowieka występują w stanie enancjomerycznie czystym, za wyjątkiem glicyny – jedynego achiralnego aminokwasu. Chiralność aminokwasów ma znaczący wpływ na symetrię i funkcję naturalnie występujących białek i enzymów. Mając 268 centrów chiralnych, ludzka chymotrypsyna może występować w 2²⁶⁸ możliwych konfiguracjach, jeśli każdy aminokwas przyjmuje jedną z form enancjomerycznych. Jednakże rola chiralności wyznaczyła pojedynczą chiralną chymotrypsynę jako selektywny enzym trawienny.

Innym krytycznym aspektem kaskady procesów biochemicznych jest to, że większość enzymów oddziałuje tylko z jednym z enancjomerów ze względu na ich chiralność. W rezultacie powstaje enancjoselektywność, przypominająca mechanizm zamka i klucza, w którym tylko jeden enancjomer może zmieścić się w miejscu wiązania enzymu. Ma to istotne implikacje w dziedzinie projektowania leków, gdzie każdy enancjomer może wywoływać inny efekt. Rola chiralności została wykryta w niszczycielski sposób prawie pięćdziesiąt lat temu, kiedy przepisano lek talidomid w leczeniu porannych mdłości u kobiet w ciąży. Od tego czasu właściwości każdego enancjomeru są sprawdzane w przypadku każdego projektowanego leku.

Co najciekawsze, ten aspekt chiralności rozciąga się od mikrokosmosu po makrokosmos. Kiedy Pasteur odkrył związek między aktywnością optyczną a chiralnością molekularną, doszedł do przypuszczeń, że nawet siły natury są chiralne. Zostało to obecnie udowodnione w całym wszechświecie na podstawie słabych oddziaływań między cząstkami podstawowymi, które mogą naruszać symetrię parzystości.

Czy kiedykolwiek zauważyłeś wzory na skorupie ślimaka ogrodowego? Według wszelkiego prawdopodobieństwa skorupa będzie zwinięta w prawo. W rzeczywistości w Londynie, kiedy odkryto ślimaka w lewo zwiniętym, było to tak rzadkie, że rozpoczęto ogólnoświatową kampanię mającą na celu znalezienie u niego lewostronnego partnera.

Rzeczywiście, prawie wszystkie ślimaki na całym świecie mają prawostronnie zwinięte muszle – co jest konsekwencją wewnętrznej chiralności ich genów.

Podobnie jak ślimaki, większość naturalnych produktów i biomolekuł jest chiralna. Na przykład wszystkie aminokwasy obecne w naszym ciele istnieją jako pojedyncze enancjomery, z wyjątkiem jedynego aminokwasu achiralnego, glicyny.

Aminokwasy są budulcem białek, w związku z czym chiralność aminokwasów ma znaczący wpływ na symetrię i funkcję wszystkich naturalnie występujących białek i enzymów.

Rozważmy przypadek chymotrypsyny, enzymu trawiennego znajdującego się w jelitach wielu zwierząt. Ludzka chymotrypsyna, z 268 aminokwasami w sekwencji, ma 268 centrów chiralnych.

Gdyby każdy z tych aminokwasów mógł istnieć w jednej z dwóch form enancjomerycznych, ludzka chymotrypsyna miałaby 2²⁶⁸ możliwych konfiguracji. Na szczęście aminokwasy występują w naszym organizmie jako pojedyncze enancjomery, a zatem chymotrypsyna występuje tylko w jednej konfiguracji chiralnej.

Ze względu na chiralność ich struktury, większość enzymów, takich jak chymotrypsyna, specyficznie reaguje tylko z jednym z dwóch enancjomerów cząsteczki. Ta enancjoselektywność powstaje, gdy tylko jeden z enancjomerów może zmieścić się w miejscu wiązania enzymu, analogicznie do mechanizmu zamka i klucza.

W związku z tym enancjomery cząsteczki leku mogą wywoływać różne reakcje biologiczne w organizmie. Na przykład, podczas gdy enancjomer S naproksenu ma właściwości przeciwzapalne, enancjomer R naproksenu jest toksyną wątrobową. Tak więc naproksen jest sprzedawany jako pojedynczy enancjomer.

Niektóre leki, takie jak ibuprofen, są sprzedawane jako mieszaniny racemiczne. Tutaj, podczas gdy enancjomer S jest czynnikiem aktywnym, enancjomer R jest nieaktywny i nieszkodliwy.