藥物也分“左右手”？神奇的手性之謎

國(guó)際著名期刊《納米學(xué)報(bào)》最新在線發(fā)表題為《手性斯格明子與手性花相互作用》的論文，指出活性物質(zhì)的手性性質(zhì)在活性物質(zhì)與手性結(jié)構(gòu)相互作用的動(dòng)力學(xué)中起著重要作用。國(guó)際著名期刊《自然》雜志也公布了125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，“為什么生命需要手性”這一問(wèn)題位列其中，足見(jiàn)手性的重要性。

手性是什么

人有兩件寶，雙手和大腦。手是身體的一部分，我們對(duì)它是否有足夠的了解，是否考慮過(guò)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：我們的左手和右手能重合嗎？答案是否定的。我們的左手與右手互為實(shí)物與鏡像的關(guān)系，外形一致，但是無(wú)法重合。有趣的是，在自然界的其他物質(zhì)中，手的這種特征也廣泛存在。因此，我們形象地將某種物質(zhì)與它的鏡像無(wú)法重合的特征稱為手性征或手性。

從微觀的分子到宏觀的宇宙，手性存在于每一個(gè)物質(zhì)層次。簡(jiǎn)單地說(shuō)，具有手性特征的分子被稱為手性分子。手性分子有一個(gè)最基本的性質(zhì)，那就是旋光性，而不具有手性的分子稱為非手性分子，非手性分子無(wú)旋光性。

如果一個(gè)分子由于它的原子或基團(tuán)圍繞著某一點(diǎn)的非對(duì)稱排列而產(chǎn)生手性，那么我們就將這個(gè)點(diǎn)稱為手性中心，比如，將甲烷分子中的三個(gè)氫原子分別替換為烷基、羥基和羧基，就得到了一個(gè)表現(xiàn)出旋光性的乳酸分子。在這里，我們可以將4個(gè)不同基團(tuán)相連的碳原子稱為不對(duì)稱碳原子或手性碳原子。

孿生兄弟：對(duì)映異構(gòu)體

每個(gè)手性分子都具有兩種不同的空間構(gòu)型，這兩種具有不同空間構(gòu)型的分子互為對(duì)映異構(gòu)體。對(duì)映異構(gòu)體的原子和官能團(tuán)都是一致的，僅在空間排列上有差異。因此，它們?cè)诜鞘中原h(huán)境中的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)基本上也是相同的，例如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等。我們?cè)谶@里將高度相似的對(duì)映異構(gòu)體比喻為孿生兄弟。對(duì)映異構(gòu)體之間互為實(shí)物與鏡像，但是不能重合。

手性藥物療效大不同

需要注意的是，對(duì)映異構(gòu)體在手性環(huán)境中所表現(xiàn)出的性質(zhì)是不同的。在生物體內(nèi)，各種酶和底物都具有手性，因此對(duì)映異構(gòu)體在生理作用和藥理活性方面表現(xiàn)出很大的差異。在20世紀(jì)60年代，歐洲各地出生了大量手腳異常的畸形嬰兒，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是母親在懷孕期間服用了一種手性藥物——反應(yīng)停。

如果將一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體等量地混合在一起，就可以獲得一種旋光度為零的組成物，我們稱之為外消旋體。反應(yīng)停就是手性藥物沙立度胺的外消旋體。R—沙利度胺具有緩解妊娠反應(yīng)、止吐和鎮(zhèn)靜等作用，而S—沙利度胺具有強(qiáng)烈的致畸性。因此，R—沙利度胺和S—沙利度胺混合后形成的藥物反應(yīng)停，會(huì)使嬰兒畸形。

在化學(xué)領(lǐng)域，手性分子具有許多重要的應(yīng)用，特別是在藥物領(lǐng)域。藥物分子通常是手性的。手性藥物的對(duì)映異構(gòu)體在生物體內(nèi)的生物利用度和代謝速率可能會(huì)不同，藥物的治療效果和毒性可能會(huì)因手性異構(gòu)體的不同而產(chǎn)生顯著的差異。目前市售超過(guò)50%的藥物是手性藥物。

手性相關(guān)研究的最新進(jìn)展

當(dāng)前，關(guān)于手性研究的國(guó)際前沿主要分為這幾方面：首先是手性物質(zhì)的合成和分離技術(shù)。由于手性藥物的藥效和毒性不同，因此對(duì)于藥物的合成和分離技術(shù)有著很高的要求。目前，研究人員主要依靠手性分離技術(shù)和不對(duì)稱合成技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。2001年和2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)均出在手性不對(duì)稱合成領(lǐng)域。

其次，手性啟發(fā)了我們對(duì)地球生命，甚至宇宙起源的重新認(rèn)識(shí)。生命為什么需要手性？手性化合物在生命體中的作用機(jī)理一直是研究人員追逐的熱點(diǎn)問(wèn)題。

作為一項(xiàng)重要的自然屬性，手性已滲透到化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，其研究也在不斷深入發(fā)展。掌握手性的一些基本知識(shí)，有助于我們?cè)谏钪姓_認(rèn)識(shí)和看待手性藥品，深入理解自然界中的手性現(xiàn)象。

（第一作者系西北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，第二作者系西北師范大學(xué)碩士研究生）