Ключи от зазеркалья: как химики ищут среди отражений будущее фармакологии

В молекуле кислорода два атома, а в молекуле воды — три. Неорганические вещества вообще довольно просты. Об органических соединениях этого не скажешь. Даже в сравнительно простой молекуле глюкозы 24 атома. Самые сложные молекулы, известные науке — биологические. Так, в молекуле человеческой ДНК десятки миллиардов атомов.

Химические свойства вещества зависят не только от того, из каких атомов состоит молекула, но и от взаимного расположения этих атомов. Другими словами, от пространственной структуры молекулы. Вещества, отличающиеся не составом, а только расположением атомов в молекуле, называются изомерами.

Очень интересная разновидность изомеров — зеркальные. Чтобы объяснить, что это такое, начнем с очевидного наблюдения. Некоторые фигуры совпадают со своим зеркальным отражением, а другие — нет. Например, отражение шара — точно такой же шар. А вот отражение левой руки — правая. Правая и левая рука очень похожи, но не одинаковы. Правую перчатку невозможно нормально надеть на левую руку: придется либо надевать задом наперед, либо совать мизинец на место большого пальца. Свойство фигуры не совпадать со своим зеркальным отражением называется хиральностью, от древнегреческого χειρ — «рука». 

Молекулу очень условно можно представить себе как фигуру из точек-атомов, соединенных линиями — химическими связями. Если эта фигура хиральна, то у молекулы как минимум две разновидности, или изомера — «левый» и «правый».

В зеркале живого

Неживая природа не очень-то вдается в эти тонкости. Даже если молекулы вещества делятся на «правые» и «левые», в большинстве химических реакций те и другие образуются в равных количествах. Жизнь — совсем другое дело. Клетка признает только «левые» белки и «правые» сахара. Их зеркальные отражения попросту не могут выполнять свои функции. Это свойство жизни называется хиральной чистотой. 

Хиральная чистота — давняя головная боль для науки о происхождении живого. Каким образом «неживая» химия, не признающая различия между левым и правым, породила в высшей степени избирательную биохимию? 

Правда, право и лево различают некоторые физические процессы. Это, например, поляризация света и радиоактивный бета-распад. Теоретически они могли бы создать небольшой избыток «левых» молекул по сравнению с «правыми», или наоборот. Другие процессы, вроде упаривания растворов, могут усилить эту слабую неравномерность. И все же пока никто не сложил результаты разрозненных экспериментов в единый сценарий, правдоподобный в условиях древней Земли.

Интересно, что зеркальные разновидности аминокислот в некоторых метеоритах встречаются в соотношении 60/40. Приходится либо считать эти аминокислоты продуктом внеземной жизни, что маловероятно, либо признать, что и в неживой природе встречается довольно действенная сортировка на «левых» и «правых».

Злой двойник

Пока одни ученые бьются над загадкой происхождения жизни, другие решают куда более насущные вопросы. Поскольку биомолекулы отличают левых от правых лучше самых искушенных политологов, фармакологии приходится соответствовать. В конце концов, чтобы лекарство подействовало, оно должно вступить в некую биохимическую реакцию.

Есть много примеров, когда «зеркальные» изомеры одного вещества имеют разный биологический эффект. К примеру, «правый» лимонен пахнет апельсином, а «левый» – лимоном.

Различия между зеркальными двойниками могут быть и куда серьезнее. Самый трагический пример — препарат талидомид. Он появился на рынке в конце 1950-х в качестве снотворного, успокоительного и средства от тошноты для беременных. По случайности в лаборатории был проверен только один из «зеркальных» изомеров препарата. Второй же изомер, как выяснилось — увы, слишком поздно — приводил к грубейшим нарушениям развития плода. Промышленный продукт состоял из равномерной смеси двух изомеров — так бывает почти всегда, если только специально не добиваться хиральной чистоты. Несколько лет популярности «лучшего средства от утренней тошноты» привели к рождению около 10 000 младенцев с тяжелой инвалидностью, 40% которых не прожили и года.

Право выбора

Итак, при изготовлении лекарств и пищевых добавок жизненно необходимо различать их «зеркальные» разновидности. Часто оказывается, что синтезировать нужно только одну из них.

Неудивительно, что асимметрический синтез — бурно развивающаяся область химии. Для многих веществ «ключи от зазеркалья» уже найдены, но другие упорно не даются ученым. Особенно трудно оказалось справиться с алифатическими углеводородами. Разберемся, что означает это неудобоваримое словосочетание. 

Углеводороды — это, как нетрудно догадаться, соединения углерода и водорода. Атомы углерода образуют каркас, к которому по бокам крепятся атомы водорода. Углеводороды — основной компонент угля, нефти, газа и всего, что из них делается, от бензина до полиэтилена. Углеводороды важны не только сами по себе, но и как сырье для синтеза других веществ. Ведь углеродный каркас — основа любой органической молекулы, а атом водорода легко заместить на какой-нибудь другой атом или группу атомов. Некоторые специалисты даже говорят, что органическая химия — это химия углеводородов и того, что можно из них получить.

Алифатическими называются углеводороды, в составе которых нет бензольного кольца. Подобное кольцо — шестиугольник из особым образом соединенных атомов углерода. Эта весьма распространенная «архитектурная деталь» существенно облегчает асимметрический синтез. С другой стороны, у большинства углеводородов ее нет, и с ними тоже нужно что-то делать.

Авторы новой статьи в Nature нашли решение. В качестве катализатора они использовали органическое вещество с зубодробительным названием имидодифосфоримидат. Его молекула хиральна, то есть имеет несовместимые зеркальные разновидности. С помощью этого катализатора химики превратили нехиральные молекулы алкенилциклоалканов в хиральные молекулы циклоалкенов. При этом ученые добились высокой степени хиральной чистоты.

Специалисты ставили себе целью продемонстрировать новый метод, а не получить конкретный полезный продукт. В принципе, с помощью этой методики можно синтезировать множество хирально чистых соединений, как идентичных натуральным, так и совершенно новых. 

Конечно, новое исследование не решает всех проблем асимметрического синтеза. Однако оно добавляет в арсенал химиков новый мощный метод. Его можно использовать при производстве лекарств и других продуктов, для которых важна хиральная чистота.