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

молекул, тем не менее очевидно, что в некотором смысле они зеркальны по отношению друг к другу. Еще более очевидным это становится, если использовать компьютерную графику, показывающую атомы в трех измерениях, как два типа аминокислоты валин на рис. 6.1, или с использованием замечательных старомодных моделей из шариков и спичек на рис. 6.2. Главное – как ни пытайся, но молекулы L-валина или L-аланина (слева) нельзя повернуть таким образом, чтобы они выглядели в точности как молекулы D-валина и D-аланина (справа). Таким образом, аминокислоты существуют в двух формах, левой (L) и правой (D), точно так же, как и обнаруженные Пастером две формы винной кислоты (см. главу 1), одна поворачивает поляризованный свет влево, другая – вправо. Два разных типа аминокислот называются стереоизомерами или энантиомерами, о них говорят, что они хиральны [174].

Термин «хиральность» для описания объектов, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, ввел физик сэр Уильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, по имени которого названа абсолютная температурная шкала (градусы Кельвина). 16 мая 1883 года он читал лекцию о кристаллах в Студенческом научном клубе Оксфордского университета. Лекции Кельвина отнюдь не славились легкостью, и эта не стала исключением. За несколько дней до этого в Королевском институте он поинтересовался у лорда Олверстона, как тот нашел другую его лекцию, показалась ли она ему интересной. «Несомненно, показалась бы, мой дорогой лорд Кельвин, если бы мы ее поняли», – отвечал Олверстон. В напечатанном виде Оксфордская лекция насчитывала 41 страницу. К 35-й странице Кельвин стал опасаться, что аудитория сникает и что он только испытывает ее терпение – а ведь он еще не сказал и половины из того, что планировал. Он преодолел еще пять страниц и затем, несмотря на свое желание представить несчастным студентам «более подробный» рассказ о геометрии хиральности, заключил: «…но с сожалением я умолкаю». Кельвин дал определение хиральности лишь в примечании к печатной версии лекции, и если в ее ходе он не прибегал к сноскам, что бывает нелегко воспринять даже опытным ученым, то, скорее всего, студенты даже и не понимали толком, о чем речь, – ведь прежде этого слова не было в английском языке, и оно использовалось впервые. «Я называю любую геометрическую фигуру, или группу точек, хиральной, и говорю, что она обладает хиральностью, если ее образ в плоском зеркале… не может быть совмещен с самим собой». Таким образом, наши правая и левая рука – хиральные объекты, поскольку правая рука в зеркале не может полностью совместиться с собой. Это верно и в отношении аминокислот, как мы видим на рис. 6.1. и 6.2[175].

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.

Фармацевтические компании, однако, заинтересованы в производстве чистых стереоизомеров лекарств, отчасти потому, что контролирующим фармацевтику службам прекрасно известно, что один стереоизомер может обладать терапевтическим эффектом, а другой – вызывать нежелательные побочные эффекты. Например, бупивакаин, вариант лигнокаина (лидокаина, широко применяемого в качестве обезболивающего в стоматологии), но более длительного действия, вводится внутривенно перед операцией, чтобы обеспечить местное обезболивание