Werden Drogen auch in „linke und rechte Hände“ unterteilt? Das magische Geheimnis der Chiralität

Die international renommierte Fachzeitschrift „Journal of Nanoscience“ veröffentlichte kürzlich ein Online-Paper mit dem Titel „Interaction between Chiral Skyrmions and Chiral Flowers“ und weist darauf hin, dass die chiralen Eigenschaften von Wirkstoffen eine wichtige Rolle in der Dynamik der Wechselwirkung zwischen Wirkstoffen und chiralen Strukturen spielen. Die international renommierte Fachzeitschrift Nature veröffentlichte außerdem die 125 anspruchsvollsten wissenschaftlichen Probleme, darunter auch „Warum braucht Leben Chiralität“, was die Bedeutung der Chiralität verdeutlicht.

Was ist Chiralität?

Der Mensch hat zwei Schätze: Hände und Gehirn. Die Hand ist ein Teil des Körpers. Haben wir genug Verständnis dafür? Haben wir uns jemals eine so einfache Frage gestellt: Können sich unsere linke und unsere rechte Hand überlappen? Die Antwort ist nein. Unsere linke und rechte Hand stehen in der Beziehung von realem Gegenstand und Spiegelbild. Sie sehen gleich aus, dürfen sich jedoch nicht überlappen. Interessanterweise ist diese Eigenschaft der Hände auch bei anderen Substanzen in der Natur weit verbreitet. Daher bezeichnen wir die Eigenschaft, dass sich eine Substanz und ihr Spiegelbild nicht überlappen können, bildlich gesprochen als Chiralität oder Händigkeit.

Von mikroskopischen Molekülen bis zum makroskopischen Universum existiert Chiralität auf jeder Ebene der Materie. Einfach ausgedrückt werden Moleküle mit chiralen Eigenschaften als chirale Moleküle bezeichnet. Chirale Moleküle haben eine grundlegende Eigenschaft, nämlich optische Aktivität, während Moleküle ohne Chiralität als achirale Moleküle bezeichnet werden, die keine optische Aktivität aufweisen.

Wird ein Molekül durch die asymmetrische Anordnung seiner Atome oder Gruppen um einen bestimmten Punkt chiral, so bezeichnet man diesen Punkt als Chiralitätszentrum. Wenn wir beispielsweise die drei Wasserstoffatome im Methanmolekül durch Alkyl-, Hydroxyl- und Carboxylgruppen ersetzen, erhalten wir ein Milchsäuremolekül, das optische Aktivität aufweist. Dabei können wir das Kohlenstoffatom, an das vier verschiedene Gruppen gebunden sind, als asymmetrisches Kohlenstoffatom oder chirales Kohlenstoffatom bezeichnen.

Zwillingsbrüder: Enantiomere

Jedes chirale Molekül hat zwei unterschiedliche räumliche Konfigurationen, und diese beiden Moleküle mit unterschiedlichen räumlichen Konfigurationen sind Enantiomere voneinander. Enantiomere haben identische Atome und funktionelle Gruppen und unterscheiden sich nur in ihrer räumlichen Anordnung. Daher sind auch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften in achiralen Umgebungen grundsätzlich gleich, wie Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit usw. Hier vergleichen wir sehr ähnliche Enantiomere mit Zwillingsbrüdern. Enantiomere sind Spiegelbilder voneinander, können aber nicht übereinandergelegt werden.

Chirale Medikamente haben unterschiedliche Wirkungen

Es ist wichtig zu beachten, dass Enantiomere in einer chiralen Umgebung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In Organismen sind verschiedene Enzyme und Substrate chiral, sodass Enantiomere große Unterschiede in ihren physiologischen Wirkungen und pharmakologischen Aktivitäten aufweisen. In den 1960er Jahren wurden in ganz Europa zahlreiche missgebildete Babys mit abnormalen Händen und Füßen geboren. Untersuchungen ergaben, dass die Ursache darin lag, dass ihre Mütter während der Schwangerschaft ein chirales Medikament, Thalidomid, eingenommen hatten.

Wenn ein Paar Enantiomere in gleichen Mengen miteinander vermischt wird, entsteht eine Verbindung mit einer optischen Drehung von Null, die wir als Racemat bezeichnen. Thalidomid ist das Racemat des chiralen Arzneimittels Thalidomid. R-Thalidomid lindert Schwangerschaftsreaktionen, stoppt Erbrechen und wirkt sedierend, während S-Thalidomid eine starke Teratogenität aufweist. Daher kann das Medikament Thalidomid, das aus einer Mischung von R-Thalidomid und S-Thalidomid entsteht, zu Missbildungen des Fötus führen.

Im Bereich der Chemie haben chirale Moleküle viele wichtige Anwendungen, insbesondere im Bereich der Medizin. Arzneimittelmoleküle sind oft chiral. Die Enantiomere chiraler Arzneimittel können im Körper unterschiedliche Bioverfügbarkeit und Stoffwechselraten aufweisen, und die therapeutischen Wirkungen und die Toxizität von Arzneimitteln können aufgrund der unterschiedlichen chiralen Isomere erheblich variieren. Derzeit sind mehr als 50 % der auf dem Markt erhältlichen Medikamente chirale Medikamente.

Jüngste Fortschritte in der Chiralitätsforschung

Derzeit sind die internationalen Grenzen der Chiralitätsforschung hauptsächlich in folgende Aspekte unterteilt: Erstens die Synthese und Trenntechnologie chiraler Substanzen. Da chirale Arzneimittel unterschiedliche Wirksamkeit und Toxizität aufweisen, werden sehr hohe Anforderungen an die Arzneimittelsynthese und Trenntechnologie gestellt. Derzeit verlassen sich Forscher zur Lösung dieses Problems hauptsächlich auf die chirale Trenntechnologie und die asymmetrische Synthesetechnologie. Sowohl der Nobelpreis für Chemie 2001 als auch der Nobelpreis 2021 wurden auf dem Gebiet der chiralen asymmetrischen Synthese verliehen.

Zweitens inspiriert uns die Chiralität dazu, den Ursprung des Lebens auf der Erde und sogar im Universum neu zu entdecken. Warum braucht das Leben Chiralität? Der Wirkungsmechanismus chiraler Verbindungen in lebenden Organismen war schon immer ein heißes Thema für Forscher.

Als wichtige natürliche Eigenschaft hat die Chiralität in viele Bereiche wie die Chemie, die Biowissenschaften und die Materialwissenschaften Einzug gehalten und ihre Erforschung wird auch weiterhin intensiv vorangetrieben. Die Beherrschung einiger Grundkenntnisse zur Chiralität wird uns dabei helfen, chirale Arzneimittel im Alltag richtig zu verstehen und zu betrachten sowie chirale Phänomene in der Natur gründlich zu begreifen.

(Der erste Autor ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und der zweite Autor ist Masterstudent an der Northwest Normal University)