Встречаем лауреатов Нобелевской премии по химии. Анри Б. Каган (Франция) и Кэнсо Соаи (Япония) получили награду за исследование химической асимметрии и механизмов, позволяющих одной из зеркальных форм молекул получать преимущество над другой. В чем значение этого открытия, чем еще известны лауреаты и какие исследования в этой области ведутся в Академгородке – читайте в нашем очередном «нобелевском» материале.
«Достаточно давно известно, что многие молекулы, особенно в органической химии, существуют как минимум в двух формах, которые еще называют энантиомерами. Они имеют одинаковый состав, но разное пространственное расположение фрагментов, точнее – зеркальное. Поскольку атом углерода связан с четырьмя разными группами, их можно расположить двумя способами, которые относятся друг к другу как левая рука к правой. И, соответственно, особенно ярко это проявляется в биологических процессах, зачастую одна форм молекулы обладает существенно большей физиологической, биологической активностью, чем ее «зеркальный» аналог», – рассказал директор Института химической биологии и фундаментальной медицины им. Д. Г. Кнорре СО РАН, д.х.н. Владимир Васильевич Коваль.
Само это явление известно довольно давно, его химическую природу еще в XIX веке описал великий российских химик Александр Михайлович Бутлеров. Но знать явление и уметь им управлять – вещи несколько разные.
Синтезируя органические вещества, химики зачастую получают смесь двух энантиомеров, причем в разных пропорциях. По итогам одного и того же процесса, используя одни и те же реактивы и оборудование в одном опыте можно получить 80% «правого» варианта, в другом, поставленном тем же человеком в тот же день, – 70% «левого».
И эта разница имеет значение: живые организмы обычно предпочитают один энантиомер. Например, аминокислоты в белках живых организмов почти исключительно представлены L-формами, а нуклеиновые кислоты содержат D-сахара. Это свойство называют гомохиральностью, и без него жизнь в нынешнем невозможна: белок из случайной смеси L- и D-аминокислот не свернется в правильную структуру.
Получение нужного варианта энантиомера является важнейшей задачей в фармакологии: один из них станет лекарством, а другой не будет иметь никакого эффекта, тем самым мешая установить точную дозировку, а в худшем случае — станет ядом, как это было с печально известным талидомидом.
И способ решить эту задачу – получить энантиомеры нужного варианта (это называют гомохиральностью) решил один из нобелевских лауреатов этого года. Анри Б. Каган разработал способы синтеза чистых энантиомеров путем асимметрического катализа, когда при добавлении к исходному веществу оптически активного катализатора в малом количестве на выходе получается преимущественно один зеркальный изомер. При этом ученый показал, что некоторые реакции даже при использовании катализаторов с низкой энантиомерной чистотой приводят к нужному результату.
Еще в середине прошлого века британский физик Фредерик Чарльз Фрэнк показал на бумаге: чтобы гомохиральность родилась сама, нужно совпадение трех условий –автокатализа, энантиоселективности и взаимное подавления, тогда нужная форма будет мешать производству своего зеркального двойника. Первые два условия химикам были знакомы, «рецепт» обеспечения третьего не находился еще сорок лет, удалось это сделать как раз группе Кагана.
Следующий шаг сделал Соаи в 1995 году. Он показал, что химическую асимметрию можно не только усилить, но и сделать самоподдерживающейся: в автокаталитической реакции образующийся продукт помогает получать новые молекулы того же энантиомера. Так возникла возможность химически усиливать первоначально ничтожное нарушение симметрии и в пределе получать практически только одну зеркальную форму вещества.
На основе этих результатов Соай выдвинул гипотезу, что благодаря этому эффекту и возникла жизнь. По его версии, в какой момент случайно возникла асимметрия в пользу левого, и она на основании открытого Каганом эффекта постепенно вдвигалась влево, в итоге и сформировав «левостороннюю ориентацию наших белков.
Правда, не все ученые с ним согласились. «Реакция Соаи не объясняет происхождение биологической гомохиральности: диизопропилцинк бурно реагирует с водой, а жизнь зародилась в воде. Модель Фрэнка — лишь один из сценариев события, случившегося миллиарды лет назад. Это снятие запрета, а не ответ на вопрос: химическая система в принципе способна породить асимметрию из симметрии и усилить ее до предела, и для этого не нужно ни космического излучения, ни вмешательства извне — достаточно правильно устроенной кинетики», - пишет издание «Биомолекула».
Впрочем, значения исследований Кагана и Соаи это совсем не умаляет. Как уже говорилось, получение сырья, состоящего преимущественно из одного типа энантиомеров, необходимо фарминдустрии. Умение управлять этим процессом открывает возможность новых решений в синтезе лекарственных препаратов, которые имели бы куда меньше побочных эффектов и не оказывали бы столь негативного воздействия на человеческий организм.
Не случайно, с этим эффектом связана работа целого ряда исследовательских групп в институтах Новосибирского научного центра.
«Большей частью, это работы сотрудников Института органической химии имени Ворожцова. Но и мы эти эффекты изучаем тоже, потому что очень многие биологические молекулы имеют своего «двойника». И, соответственно, они хоть и абсолютно одинаковые по составу, но при этом различные. И большинство ферментов, белков, которые связываются либо процессируют в биологические молекулы, способны делать это только с одним из субстратов, одной из двух дочерних молекул. Соответственно, необходимо это учитывать в наших исследованиях», - подчеркнул Коваль.
Сергей Исаев
Изображение: Nobelprize.org
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии