Есть ли жизнь в отражении⁠⁠

Доброго всем времени суток. Сегодня речь пойдёт о зеркальных отражениях в химии. В посте будут присутствовать картинки с формулами, но они тут только для иллюстрации, а для понимания поста они абсолютно не обязательны к осознанию, достаточно просто видеть изображение. Начну несколько издалека. В химии есть много отраслей, каждая занимается своими вопросами, если грубо, то их можно определить в три группы, органическая химия, неорганическая и физическая. Органическая химия занимается вопросами, которые, в той или иной степени, связаны с имеющейся у нас на планете жизнью (кстати, отдельно можно будет рассказать кое-что о возможностях химии в вопросах создания жизни из ничего, очень занимательный материал). Большинство молекул в этой отрасли имеют сложное строение, которое я попробую в двух словах передать. Каждая органическая молекула описывается двумя формулами: это брутто, которая перечисляет атомы и их количество в молекуле, и структурная, которая отражает их порядок. Таким образом брутто-формула может быть одинаковой у нескольких соединений, а структурная - нет. Хорошей иллюстрацией будут глюкоза и фруктоза:

В обеих молекулах по 6 атомов углерода, 6 кислорода и 12 водорода. Однако меняя только порядок атомов и связи между ними, мы можем получать другие молекулы с иными свойствами, сохраняя, при этом, брутто-состав. Это явление называется изомерией. Так как я не догадался задержаться на работе и нарисовать нормальную иллюстрацию, то придётся нам обходиться картинками из интернета.

Теперь мы знаем больше. Однако, если с перестановкой атомов всё более или менее понятно, то есть кое-что ещё: оптическая изомерия. Это самое ужасное и, одновременно, самое прекрасное, что можно встретить в химии. А дело в том, что практически все жизненные процессы в той или иной мере завязаны на эту тему, при этом искусственное её воссоздание - тот ещё ад.

Снова мастерски воспользовавшись кривыми руками и пеинтом, я хочу предоставить вашему вниманию понятие хиральности (нет, я не опечатался и да, в 10 классе я тоже хихикал). Коротко это можно определить так: если у молекулы нет симметрии (на схемах это выражается тем, что у одного углерода будет 4 разных соседа), то её зеркальное отображение будет являться её энантиомером, то есть оптическим изомером. Эти две молекулы будут обладать практически идентичными химическими свойствами, несколько различными физическими и очень разными биологическими. Понятие хиральности взялось благодаря рукам (тут замешан греческий язык), которые тоже зеркальны друг другу. На самом деле, каждый такой несимметричный углерод в молекуле будет создавать два варианта оптических изомеров, и, в итоге, у одной биомолекулы их может быть больше десятка, тем более интересно, что организм умеет создавать их выборочно. Дабы не углубляться в вопрос слишком сильно, то примем условность, что существует всего два варианта: зеркальные "левый" и "правый"; и за основу возьмём буквы L и D с картинки. Начнём мы наше изучение с сахаров, они же углеводы.

Есть интересный нюанс: жизнь на нашей планете, преимущественно, работает с "правыми" сахарами, они создаются при фотосинтезе, их используют наши клетки для получения энергии. Однако искусственно мы можем изготовить и "левые" варианты (точнее смеси, но об этом позже). Природа настолько избирательна, что если вы приметесь жевать "левый" сахар, то выходить он будет абсолютно нетронутый (с точки зрения химии). Этот факт является очень полезным, потому что такую глюкозу, к примеру, можно выдавать диабетикам, чтобы им было сладенько, при этом не било по почкам, как некоторые дешёвые сахарозаменители и не напрягало печень и её инсулин. Однако оно и дороже будет существенно.

Перейдём от сахаров к белкам (не путать с белками). А белки состоят из аминокислот, которые тоже имеют оптические изомеры. К счастью - только на одном атоме углерода, что упрощает их синтез, к несчастью - аминокислот в белке от нескольких десятков до нескольких сотен, что не добавляет простоты к работе. Но мы не об этом, а о том, что природа и тут избирательна и хочет видеть, преимущественно "левые" аминокислоты. Для всех живых организмов такая однобокость очень полезна, ведь не каждый организм умеет производить все аминокислоты, которые нужны ему для жизни, а тут схрумкал, переварил и готов запас кирпичиков. А заодно это и удобство для химиков, потому что некоторые аминокислоты можно использовать для синтеза очень полезных молекул, которые тоже нужны только в виде одного энантиомера.

Как вы видите - у природы всё поставлено на поток. Однако не всё так просто в мире синтеза, ведь нам нужно и лекарства делать и заменители (как тот, для диабетиков), и многое другое. Поэтому вводной частью мы закончили и переходим к трудностям и важностям.

Химии необходимо приспосабливаться под нужды биологии, поэтому нам нужно уметь создавать вещества тоже в виде единого энантиомера, а это непростая задача. Существует всего два подхода, разделение - сварить смесь и пытаться что-то с этим сделать, или энантиоселективный синтез - изначально синтезировать в виде единого изомера.

Что такое энантиоселективный синтез, и какие трудности он вызывает, я знаю не понаслышке. Мое текущее исследование лежит в этой области, плюс у нас с коллегами есть ежемесячное развлечение в виде изобретения метода синтеза для какой-нибудь особо крупной и сложной биомолекулы, да и у самих коллег свои проекты тоже лежат в этой области.

Как я уже говорил выше, свойства у энантиомеров могут быть различные, причём сильно. Это могут быть безразличные варианты, вроде "левых" сахаров, которые можно использовать в хорошем деле. А могут быть и посланники прямиком из ада. Как легко понять, смесь энантиомеров будет иметь свойства их обоих. И вот вам специальный гость передачи:

Этого парня зовут талидомид. Связь, обозначенная пунктиром и черным конусом - различие. Они отражают то, что один из фрагментов молекулы находится над другим, слева большой фрагмент "над" маленьким, а справа - наоборот, маленький "над" большим. Это парень, по большому счёту, стал самой главной проблемой и одной из причин для разработки синтезов индивидуальных изомеров. Дело в том, что один из них - прекрасное успокоительное, лекарство от проказы, да ещё и некоторые виды рака лечит до кучи. Казалось бы, мечта, но вот второй изомер оказался тератогеном, то есть вызывает неконтролируемые деформации плода. Иллюстраций не будет, а то придётся ставить тег "Жесть". Возможно, что это один из наиболее ярких примеров в истории, почему очень важно учитывать хиральность при синтезах биологически активных молекул. К сожалению, в случае с самим талидомидом, чуду не было суждено случиться, потому что структура его молекулы такова, что даже если сделать только один изомер, то в организме от частично перейдёт во второй. Хотя больные проказой согласятся, что бездетность и жизнь лучше чем та же бездетность (а то вы думали, что прокажённые много возможностей и сил имеют думать о потомстве) и мучительная смерть.

Как вы видите, исследования в данной области очень важны, хоть этот материал и не самый подходящий для научно-популярной тематики, зато он имеет высокую ценность. На этом я, пожалуй, закончу свой рассказ. Всего вам доброго и до встречи в следующих постах.