Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира

Многие соединения углерода хиральны, но далеко не все, например спирт CH₃-CH₂-OH, в котором к одному атому углерода прикреплены два атома водорода, а к другому – три. Это отчасти отвечает на взрослый вариант вопроса Алисы, которым задался Уистен Оден. Квант, вдовец и правша, работающий в транспортной конторе близ нью-йоркской Баттери, смотрит на свое отражение в зеркале за перегородкой и спрашивает: «И что за вкус / у того пойла, что ты поднимаешь левой рукой?» Несомненно, зеркальный алкоголь так же пьянит, как и обычный, потому что молекула спирта не хиральна. Иное дело – вкус спиртного. Многие биологические молекулы – стереоизомеры, и свойства их левой и правой формы очень различны. Хороший пример – молекула карвона, D-стереоизомер которой пахнет мятой, а L-стереоизомер – тмином. Подобным же образом один стереоизомер α-фелландрена пахнет эвкалиптом, а другой – фенхелем. Во многих книгах упоминается также молекула лимонена, в одной хиральной форме пахнущая апельсином, в другой – лимоном. Красивая идея, стоит лишь заменить апельсины и лимоны из детской считалочки на изомеры и хирали. Жаль, что это не работает: разница в запахах связана с примесями, попавшими в L- и D-формы в ходе синтеза. И апельсины, и лимоны содержат D-лимонен, в чистом виде обладающий общим цитрусовым ароматом. L-лимонен содержится в масле перечной мяты и в чистом виде пахнет хвоей. В общем, D- и L-изомеры пахнут по-разному, потому что наше обоняние определяет трехмерную форму молекул, которые подходят к рецепторам обонятельной мембраны, словно ключ к замку. Если у двух молекул разная трехмерная конфигурация и они включают разные рецепторы, то и пахнут они по-разному. Поскольку трехмерная конфигурация стереоизомеров отличается, они часто пахнут по-разному. И вкус спиртного в Зазеркалье был бы иным[176].

Рис. 6.1. Трехмерная организация атомов в аминокислотах D-валин и L-валин

Рис. 6.2. Модели молекул из шариков и спичек, которыми пользовался Ричард Фейнман, объясняя разницу между L-аланином (слева) и D-аланином (справа). В оригинале нет аннотаций. Несмотря на то что модели молекул симметричны, сама фотография не симметрична из-за асимметричности освещения

Эти различия проявляются не только в запахах. Гормоны, например вырабатываемый щитовидной железой тироксин, поступают в кровь, с тем чтобы воздействовать на отдаленные клетки. Как правило, гормоны связываются с оболочкой клеток или, иногда, проникают внутрь клетки. Рецепторы клеток, как и рецепторы в носу, определяют трехмерную форму молекул и, как правило, распознают лишь один из хиральных вариантов молекулы. Это словно дверной замок, ключ к которому, как правило, хирален, а значит, зеркально сделанным ключом дверь не откроешь. Что касается гормона тироксина, то естественный его вариант – L-форма, а в D-форме он неактивен. Больным, страдающим микседемой – недостатком тироксина, необходимо давать L-тироксин, поскольку D-тироксин не эффективен[177].

Хиральны гормоны и другие природные химические вещества, а также и многие привычные нам лекарства, причем один стереоизомер бывает эффективнее другого. Таков, например салбутанол, применяемый при купировании острых астматических приступов. Хотя, как правило, эффективен только один стереоизомер хирального лекарства, в прошлом и этот, и другие хиральные препараты предлагались фармацевтами в виде рацемической смеси D- и L-форм, поскольку большинство лекарств синтезировались химически. Именно с этим столкнулся Пастер в 1840-х годах, обнаружив, что в полученной химическим путем винной кислоте D- и L-формы присутствуют в равной пропорции, образуя так называемый рацемат, тогда как винная кислота, выделяемая микроорганизмами в ходе созревания вина, состоит исключительно из D-изомеров винной кислоты. Поэтому пациенты вместо чистого лекарства получали два стереохимически разных вещества, в основном потому, что в прошлом было сложно разработать технологию, позволяющую получить только один стереоизомер лекарства.