Хиральность
Две молекулы могут выглядеть практически идентично, зато действуют они совершенно по-разному. Эта занимательная особенность в химии называется «хиральность»: существуют молекулы, у которых есть зеркальные двойники, то есть «левые» и «правые» версии. Вследствие этого у любого хирального вещества одна версия ведет себя ожидаемо, а вторая - вовсе нет.
Сомкните ладони как в молитве — молиться не требуется, это для того, чтоб вы вспомнили об асимметрии ваших рук. Левая рука — зеркальное отражение правой: вам, может, кажется, что они одинаковые, а они строго противоположны друг другу. Как бы вы ни пытались, нет такого положения, в котором они бы совпали друг с другом. Даже современная медицина, способная на чудеса трансплантации, не сможет поменять вам руки местами, и чтобы они при этом продолжили выполнять исходные функции.
Некоторые молекулы — как наши руки. У них есть зеркальные близнецы, и их никак не совместить друг с другом. Все атомы вроде бы расположены одинаково — с виду устроены эти молекулы неразличимо, но при этом одна — отражение другой. Техническое обозначение этих левых и правых версий — энантиомеры. Любое вещество, у которого существуют энантиомеры, — хиральное.
Разницу понимает любой левша, пытавшийся применить ножницы для правшей. Разница между двумя энантиомерами молекулы может проявляться в том, что один ведет себя ожидаемо, а второй... нет. Топлива, пестициды, лекарства и даже белки у вас в организме — хиральные молекулы.
Плохие и хорошие версии
Есть целое направление в химии, посвященное производству хиральных веществ, в состав которых входит только нужная версия. В конечном счете, цель коммерческого производства веществ — делать их столько, чтобы вышло выгодно. И поэтому, если реакция получения, скажем, нового лекарства дает на выходе смесь левых и правых молекул, а нужны только левые, реакцию нужно усовершенствовать.
Более половины всех современных лекарств — хиральные. И хотя многие производятся и продаются как смесь энантиомеров, один энантиомер в смеси все же действеннее как лекарство. Показательный пример — бета-блокаторы, применяемые при высоком давлении и сердечных болезнях. В некоторых случаях же, однако, «не тот» энантиомер может оказаться откровенно вредным.
Жутче примера «плохого» энантиомера, чем талидомид, не придумаешь: это лекарство, знаменитое своим воздействием на плод в утробе матери. Его поначалу прописывали как снотворное — еще в 1950-х, когда его только придумали, — но вскоре стали давать беременным женщинам от утренних недомоганий. Увы, один из энантиомеров этого вещества вызывал у эмбрионов развитие уродств. Считается, что более десяти тысяч детей родились с инвалидностью из-за талидомида. Судебные разбирательства между пострадавшими от этого лекарства и фармацевтическими компаниями идут и поныне.
Творим зеркальные отражения
Попытки синтезировать талидомид, содержащий только «хороший» вариант молекул, провалились, поскольку это вещество может менять свою конфигурацию внутри организма, и в результате получается смесь «плохих» с «хорошими». Некоторые вещества можно разделить на энантиомеры, можно и разработать реакции, в которых продукт — один конкретный энантиомер. В 2001 году двое американских химиков и один японский получили коллективную Нобелевскую премию за работу в хиральном катализе, который они применили для получения хиральных веществ, в том числе и лекарств. Премия частично досталась Уильям Ноулзу — за разработку реакций, производящих только «хорошую» версию лекарства под названием «допа», от болезни Паркинсона. Как и у талидомида, энантиомер допы ядовит.
В последние десятилетия властные органы, контролирующие вывод лекарств на рынок, все отчетливее понимают, какие беды может повлечь за собой «не тот» энантиомер. Производители лекарств когда-то творили препараты, содержавшие смесь левых и правых молекул, и считали менее эффективный (или неактивный) энантиомер просто балластом. Ныне пытаются создавать лекарства, содержащие только один из двух энантиомеров — полезный.
Живое односторонне
В природе, однако, все иначе. Создавая хиральные вещества в лаборатории, химики обычно получают примерно равные количества правых и левых энантиомеров. Но биологические молекулы в этом смысле предсказуемы. Что примечательно, аминокислоты, из которых состоят наши белки, все левые, а сахара — правые. Никто толком не знает, почему это так, но у исследователей, изучающих происхождение жизни на Земле, есть на сей счет разные теории.
«Алиса осмысляла макромир, увиденный сквозь зеркала, и ее внимание привлекла хиральность...» Донна Блэкмонд (р. 1958), британский химик, профессор
Некоторые ученые предполагают, что молекулы, попавшие на Землю с метеоритами, могли подтолкнуть зарождающуюся на планете жизнь в сторону «левых» или «правых» молекул. Метеориты, падавшие на Землю, несли на себе следы аминокислот, и потому, вероятно, некоторое преобладание «левых» молекул на метеоритах могло повлиять на образование органических соединений в древних морях, в те же времена, когда на Земле формировались вещества будущей жизни. Как бы то ни было, похоже, изначально «левых» и «правых» молекул было не поровну, и со временем этот перекос усилился. Понятно, что вернуться на миллионы лет и проверить эту теорию мы не можем, и потому нельзя утверждать, что наблюдаемые исключительно «левые» белки не могли возникнуть позже, когда жизнь уже развилась.
Хиральность в биологических веществах — не просто забавный факт. Он помогает понять действие синтетических хиральных соединений как лекарств. Лекарства взаимодействуют с биологическими молекулами у нас в организме. Чтобы лекарство помогало, оно должно организму «подходить». Представьте, что надеваете перчатку, — на левую руку налезет только левая.
Рацематы
Смесь из левых и правых молекул в равных количествах называется рацематом (рацемической смесью). Когда молекулы лекарства талидомида образуют смесь энантиомеров, это называется рацемизацией.
Как разобраться, хиральное ли вещество?
Две молекулы, составленные из одинаковых атомов, но по-разному организованные, называются изомерами. Но в хиральных веществах у обоих изомеров атомы скомпонованы одинаково. Такие молекулы идентичны практически во всем, кроме одного: они зеркальные отражения друг друга. Так можно ли по виду молекулы понять, хиральное это вещество или нет? Можно: у хиральной молекулы нет плоскости симметрии. Если провести воображаемую линию через центр молекулы и ее части по обе стороны совместятся, как у бумажной снежинки, например, - значит, молекула не хиральная.
Однако вспомним, что молекула - трехмерный объект, и поэтому прямую линию через ее центр не всякий раз проведешь. Более того, не по всякой молекуле, нарисованной на бумаге, можно сказать, хиральная она или нет. Для сложных молекул надо собирать трехмерные модели - например, из спичек и пластилина.