4.12: Хиральность в природе

Хиральность — чрезвычайно интригующий, но важный аспект, управляющий биохимическими процессами и точностью живой природы. Его можно наблюдать повсюду, от структуры раковины улитки в макроскопическом мире до аминокислоты, мельчайшего строительного блока жизни. Большинство улиток во всем мире имеют раковины с правой спиралью из-за присущей их генам хиральности. Все аминокислоты, присутствующие в организме человека, существуют в энантиомерно чистом состоянии, за исключением глицина — единственной ахиральной аминокислоты. Хиральность аминокислот оказывает существенное влияние на симметрию и функцию встречающихся в природе белков и ферментов. Имея 268 хиральных центров, человеческий химотрипсин мог бы существовать в 2268 возможных конфигурациях, если бы каждая аминокислота принимала любую из энантиомерных форм. Однако роль хиральности определила, что единственный хиральный химотрипсин является селективным пищеварительным ферментом.

Другим важным аспектом каскада биохимических процессов является то, что большинство ферментов взаимодействуют только с одним из энантиомеров из-за их хиральности. Следовательно, возникает энантиоселективность, подобная механизму «замок и ключ», при котором только один энантиомер может вписаться в сайт связывания фермента. Это имеет важное значение в области разработки лекарств, где каждый энантиомер может вызывать различный эффект. Роль хиральности была раскрыта почти пять десятилетий назад, когда препарат талидомид был назначен для лечения утренней тошноты у беременных женщин. С тех пор свойства каждого энантиомера проверялись для каждого разработанного лекарства.

Самое интересное, что эта грань хиральности простирается от микрокосма до макрокосма. Когда Пастер обнаружил связь между оптической активностью и молекулярной хиральностью, это привело его к предположению, что даже силы природы хиральны. Сейчас это доказано во всей Вселенной на примере слабых взаимодействий между фундаментальными частицами, которые могут нарушать симметрию четности.

Вы когда-нибудь замечали узоры на панцире садовой улитки? По всей вероятности, оболочка будет правоспиральной. На самом деле, в Лондоне, когда была обнаружена левая спиральная улитка, она была настолько редкой, что была запущена всемирная кампания по поиску ее партнера.

Действительно, почти все улитки во всем мире имеют раковины, свернутые вправо, что является следствием внутренней хиральности их генов.

Как и улитки, большинство натуральных продуктов и биомолекул являются хиральными. Например, все аминокислоты, присутствующие в нашем организме, существуют в виде отдельных энантиомеров, за исключением единственной ахиральной аминокислоты – глицина.

Аминокислоты являются строительными блоками белков; таким образом, хиральность аминокислот оказывает значительное влияние на симметрию и функцию всех встречающихся в природе белков и ферментов.

Рассмотрим случай с химотрипсином, пищеварительным ферментом, обнаруженным в кишечнике многих животных. Химотрипсин человека, содержащий 268 аминокислот в последовательности, имеет 268 хиральных центров.

Если бы каждая из этих аминокислот могла существовать в любой из двух энантиомерных форм, химотрипсин человека имел бы²²⁶⁸ возможных конфигураций. К счастью, аминокислоты существуют в нашем организме в виде одиночных энантиомеров, и соответственно, химотрипсин присутствует только в одной хиральной конфигурации.

Из-за хиральности своей структуры большинство ферментов, таких как химотрипсин, специфически реагируют только с одним из двух энантиомеров молекулы. Эта энантиоселективность возникает из-за того, что только один из энантиомеров может поместиться в месте связывания фермента, что аналогично механизму замка и ключа.

Соответственно, энантиомеры молекулы лекарственного препарата могут вызывать различные биологические реакции в организме. Например, в то время как S-энантиомер препарата напроксена обладает противовоспалительными свойствами, R-энантиомер напроксена является токсином печени. Таким образом, напроксен продается в виде одного энантиомера.

Некоторые препараты, такие как ибупрофен, продаются в виде рацемических смесей. В этом случае, в то время как S-энантиомер является активным агентом, R-энантиомер неактивен и безвреден.