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《Science》125个最具挑战性的科学问题:为什么生命需要“手性”?

2022-03-28
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何为“手性”?


双手是我们身体上再熟悉不过的部分,但是你足够了解吗?伸出我们的双手,仔细观察,你发现了什么?


可能很多人会回答:双手一模一样。是的,一样,但是又不一样。


左手和右手互为镜像,也就是左手照镜子的话,出现的影像跟右手完全一样,反之亦然,但是我们永远无法将双手重合,也就是说双手并不对称。


这,就是手性,chirality。


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互为镜像,却无法重合的双手


手性是自然界的本质属性,大到宇宙星云,小到路边植物,都能发现手性物质的踪迹。


根据不同的命名规则(命名规则较为复杂,本文不做详解)可以分为L构型和D构型或者R构型和S构型,用来区别左手性(左旋)或者右手性(右旋),而这两种构型不同的物质互为对映异构体。当把相同量的对映异构体混在一起,就成了外消旋体。


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自然界中的手性现象



“手性”从何而来?


一直以来都有科学家在研究手性的起源,并且提出了诸多假设,主流说法有两种:生命学说非生命学说


--- 假设:生命学说和非生命学说

生命学说认为手性源于生命,不对称分子必须且完全是通过生物体内有立体选择性的酶促反应产生的,没有生命体,手性物质也就无从谈起。


而非生命学说则认为手性分子产生于生命起源之前由于“手性性质的力”作用于消旋或具有潜在手性的有机底物时,通过绝对的不对称合成或降解过程产生手性分子。


--- 实验的角度

直到1953年英国化学家F. C. Frank提出了不对称自催化的概念,科学家们才真正开始从实验的角度去探索手性的起源。该理论认为:生成的手性产物也是该反应的手性催化剂使得这一对映体进行自我增殖。


1995年,日本化学家Kenso Soai 在《Nature》杂志上报道了一个令人震惊的反应:在嘧啶-3-醛与异丙基锌反应生成产物醇的过程中,如果加入少量低手性值的产物,生成的产物的两种对映异构体将出现明显的不对称过量,甚至远高于加入的产物的手性值。这也就是后来著名的 Soai 反应


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Soai 反应


这一发现,无疑对生物分子手性起源提供了非常有力的凭证,不仅对于有机合成反应具有重要意义,对整个科学界都有着极其深远的影响。



为何需要“手性”?


蛋白质和核酸是构成生命体极其重要的有机分子,而这些有机分子绝大多数都是手性的,并且几乎都以单一的构型存在。


比如在人体所需的18种氨基酸中,除了甲硫氨酸和甘氨酸没有手性外,其余的氨基酸均为L型。而核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)中的核糖则全部为D型。蛋白质和DNA的螺旋构象都是右旋的,更有意思的是,海螺的螺纹和缠绕的植物都是右旋的。


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互为镜像的丙氨酸分子


由于手性的存在,使得同一结构的分子出现了不同的构型,在医药方面,两种不同构型的药物通常表现出不同的药效。


--- 沙利度胺灾难

历史上非常有名的“沙利度胺(Thalidomide)灾难”就是由于两种构型不同的药物作用不同而导致的悲剧,也是现代医学史上最大的灾难。


1960年左右,许多国家都出现了大量四肢畸形的婴儿(以下图片可能引起不适),有学者进行了流行病学调查后发现,新生儿畸形的发生率与药物沙利度胺(商品名为“反应停”)的销售量呈一定的相关性。


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沙利度胺致残的婴儿


沙利度胺是1953年Ciba(瑞士诺华制药的前身)药厂首先合成,后由联邦德国药厂格兰泰Grünenthal投放欧洲市场,不久后进入日本。


主要用于抑制孕妇害喜等妊娠反应,被宣称为“没有任何副作用的抗妊娠反应药物”,在不到一年的时间里风靡欧洲、日本、非洲、澳洲和拉丁美洲。


这次事件造成了极其严重的后果,仅在欧洲大陆就有两千多名婴儿死亡,一万多名婴儿严重残疾,还有无数胎儿流产和轻微致残。


直到2012年,格兰泰公司CEO才在一个致残婴儿雕像揭幕仪式上,正式向公众道歉,整整迟到了半个世纪之久。


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“生病的孩子”铜像



手性化合物引起重视


尽管科学家一直在研究沙利度胺的致畸原理,时隔近60年后,才真正解开这个谜团。


原来,沙利度胺有两种光学异构体,其中R构型是安全无害的镇静剂,而S构型则有致畸性,在孕初期的三个月会对胎儿的四肢发育产生影响,造成出生的婴儿四肢短小形如海豹。


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沙利度胺的两个光学异构体


这次事件之后,手性化合物引起了全世界的高度重视2010年版《中华人民共和国药典》中记录的手性药物就有约 440 种,其中有明确手性构型要求的有 319 种,占全部手性药物的 72.5%。


在2019年世界畅销的前 20 种药物中,手性药物就有 14 种目前正在开发的药物中超过 2/3 的药物是手性药物,而这些药物中可能只有左旋或者右旋的药才具有治疗作用,而另一半却可能具有副作用,如下表所示。


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部分手性药物及其作用


除了手性药物,手性农药及手性材料都被逐渐合成,开始在相关领域造福人类,根据2020年德国慕尼黑工业大学的相关研究,在不久的将来,手性物质将会在食品科学方面发挥重要的作用。



参考资料:

  1. 大学化学, 2019, 34(9): 1-12

  2. 《中国学科发展战略·手性物质化学》ISBN 978-7-03-064301-8

  3. J. Agric. Food Chem., 2020, 68, 10265–10274

  4. J. Agric. Food Chem., 2020, 68, 10265–10274, DOI: 10.1021/acs.jafc.0c01512

  5. https://zh.wikipedia.org/wiki/



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