Chiralität von chemischen Verbindungen

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Jeder erinnert sich noch aus der Schule: Stoffe bestehen aus Molekülen, Moleküle aus Atomen. Wenn die Zusammensetzung gleich ist, ist auch der Stoff gleich. Aber die Dinge sind komplizierter: Von zwei Molekülen mit der gleichen Formel kann eines ein notwendiges Medikament und das andere ein gefährliches Gift sein.

Heute werden wir untersuchen, warum ein Spiegelbild eines Moleküls anders funktioniert, warum Astronauten täglich Amphetamin verschrieben wird, wie "Spiegel"-Versionen von Ketamin es zu einem Antidepressivum oder einem Schlafmittel machen und was die "Contergan-Tragödie" ist.

Hast du jemals, wenn du in den Spiegel schaust, darüber nachgedacht, was passieren würde, wenn du real bist und du aus dem Spiegel kombiniert und verglichen würdest? Es sieht so aus, als ob ihr beide gleich wärt - zwei Arme, zwei Beine... aber horizontal gespiegelt. Zum Beispiel würde das Muttermal auf dem linken Oberschenkel deines echten Ichs auf den rechten Oberschenkel deines Spiegel-Ichs wandern.

Die Situation ist hypothetisch, aber sie klingt wie die Beschreibung einer Art von schlechtem Trip. Aber in der Welt der Chemie ist die oben beschriebene Fantasie alltäglich und hat eine ziemlich wichtige Bedeutung für die Eigenschaften chemischer Verbindungen.

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Was sind "Spiegel"-Stoffe?
"Spiegel" -Stoffe werden als optische Isomere bezeichnet. Der Begriff ist übrigens nicht der erfolgreichste, da er nur die Drehung der Polarisation des Lichts beschreibt, wenn es durch Lösungen verschiedener optischer Isomere desselben Stoffes läuft. Ein weiter verbreiteter Begriff ist Enantiomere. Dieses Konzept lässt sich am besten durch ein Bild veranschaulichen.

In der Chemie nimmt eine Verbindung nur eine Konfiguration an, die energetisch vorteilhafte, die durch die Wechselwirkung der Elektronenhüllen der Atome verursacht wird. In diesem Fall ist die dreiflächige Pyramide (Tetraeder) eine solche vorteilhafte Konfiguration der gegenseitigen Anordnung der mit dem zentralen Kohlenstoffatom verbundenen Atome. Und die Anordnung seiner "Ecken" kann entweder wie auf der linken oder wie auf der rechten Seite sein, und diese "Spiegelungen" können nicht kombiniert werden, egal wie man sie verdreht.

Übrigensdenken Chemiker nicht viel darüber nach und nennen optische Isomere so - linksdrehende (L-Isomere) und rechtsdrehende (D-Isomere).

Es mag wie ein weiteres Durcheinander der Physik oder Chemie und ihrer dreistöckigen Gleichungen erscheinen, aber ganz und gar nicht: Durch ein Wunder (eigentlich Thermodynamik) stellt sich heraus, dass wir alle aus Aminosäuren mit einer L-Konformation und Kohlenhydraten mit einer D-Konformation bestehen!
Siehe Anhang VoA0C6kGDy.jpeg
Natürlich gibt es Ausnahmen von dieser Regel: D-Aminosäuren kommen in der Natur vor, aber es sind nur wenige, sie haben sehr spezifische Eigenschaften (z.B.,

In Millers berühmtem Experiment, das die Bedingungen der alten Erde und die so genannte Abiogenese - die Bildung organischer Verbindungen aus anorganischen Stoffen - nachstellte, wurde ein gleichmäßiges Gemisch aus L- und D-Aminosäuren erzeugt.

Es gibt mehrere Hypothesen, die das Überwiegen der L-Formen erklären (z. B. dass die Strahlung der "jungen" Sonne teilweise polarisiert und von D-Aminosäuren absorbiert wurde, die daraufhin zerstört wurden), aber bisher ist man bei der Erklärung, warum die frühen Protoorganismen dennoch L-Aminosäuren für die Selbstreproduktion "wählten", kaum vorangekommen.

In einem Punkt sindsich jedoch alle Wissenschaftler einig: Das Phänomen der "Homochiralität", d.h. die Verwendung von ausschließlich L- oder D-Aminosäuren, ist einer der Schlüsselpunkte für die Stabilität von Eiweißmolekülen.

Interessanterweise kann unser Körper D-Aminosäuren und L-Kohlenhydrate nicht verdauen.Diese nette Tatsache führte biochemische Wissenschaftler zu einem sehr sadistischen Gedankenexperiment, das als "Spiegelwelt"bekannt ist.

Stellen Sie sich vor, Sie befänden sich auf einem Planeten, der mit der Erde identisch ist, auf dem aber die Chiralität der Aminosäuren und Kohlenhydrate umgekehrt ist. Selbst bei einer Fülle leicht verdaulicher Nahrungsmittel würden Sie verhungern (und möglicherweise an Vergiftung sterben).

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Amphetamin-Brüder
Gehen wir ein wenig über den Tellerrand der Biochemie hinaus und schauen wir uns an, wie Chiralität unser tägliches Leben beeinflusst. Nehmen wir zum Beispiel ein so bekanntes Medikament wie Amphetamin. Es ist von der FDA (Food and Drugs Administration) zugelassen und wird unter dem Markennamen Adderall zur Behandlung von Narkolepsie verkauft.

Es hat zwei Enantiomere, L-Amphetamin (Levoamphetamin) und D-Amphetamin (Dextroamphetamin oder Dexedrin).

Bei klassischen Synthesetechniken entsteht ein so genanntes Racemat, ein Gemisch aus L- und D-Enantiomeren in etwa gleichen Anteilen. Es gibt auch "stereoselektive" Synthesemethoden, die es ermöglichen, eines der Enantiomere selektiv zu gewinnen.

Was die biologischen Eigenschaften von Levoamphetamin und Dexedrin betrifft, so sind die Unterschiede recht groß: Levoamphetamin hat Schwierigkeiten, dieBlut-Hirn-Schranke zu überwinden (ein System spezialisierter Zellen und Proteine, die chemische Substanzen, die in das Hirngewebe eindringen, "filtern") und hat hauptsächlich periphere Wirkungen - erhöhter Blutdruck, erhöhte Herzfrequenz.

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D-Enantiomer hat dagegen hauptsächlich ZNS-Wirkungen: Es ist mehr als viermal so wirksam bei der Dopaminfreisetzung wie das L-Isomer.
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Warum ist das so? Eine der Grundregeln der Biochemie besagt, dass ein Substrat zu einem Enzym passen muss wie ein Schlüssel zu einem Schloss.Diese Regel gilt auch für die Pharmakologie: Ein Wirkstoff muss eine strukturelle Affinität zu seinem Ziel haben.

Da die "Bindungsstelle" des Zielproteins nicht die Struktur des gesamten Moleküls erkennt, sondern nur die Anordnung einzelner Atome, und auf dieser Grundlage das Proteinmolekül entweder seine Arbeit einstellt oder aktiviert wird, kann ein kleiner Unterschied in der räumlichen Position von ein oder zwei Atomen eine große Rolle spielen.

Wenn man sich die Bulk-Struktur der verschiedenen Amphetamin-Enantiomere genau ansieht, erkennt man den Unterschied in der Position der Atome im Raum (blau ist das Stickstoffatom). Und das ist ein entscheidender Punkt bei der Bindung an Proteine, zum Beispiel an denselben Dopamintransporter (DAT).
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Wissenswertes: Dexedrin wurde in der Weltraummedizin und auf amerikanischen Astronautenflügen eingesetzt. Sie sehen, das Spiel mit Druck und Hämodynamik in der Schwerelosigkeit, mit aktiver Umverteilung von Körperflüssigkeiten, ist ziemlich gefährlich.Aber wir brauchen etwas, um die Astronauten bei Kräften zu halten, nicht wahr?

Hier sehen Sie die Zusammensetzung der Astronautenapotheke - wie Sie in denSpalten"Verstaut/Verwendet"sehen können, mischten die Mondforscher gerne Dexedrin mit Scopolamin.

Diese Mischung soll bei Übelkeit äußerst wirksam sein.
Es gabauch eine Vorschrift, wonach die Astronauten beim Abstieg aus der Umlaufbahn 10 mg Dexedrin einnehmen mussten.
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Ein sicheres Beruhigungsmittel mit Nuancen
In der Geschichte und Pharmakologie der Verwendung verschiedener Enantiomere gab es neben der lustigen Eroberung des Mondes durch Amphetamin auch einige sehr dunkle Seiten, wie z. B. Contergan.

Es ist bekannt, dass Frauen während der Schwangerschaft aufgrund eines großen "Hormonsturms", der sich in Form von Schlaflosigkeit, Übelkeit, Unruhe und seltsamen Geschmacksvorlieben wie dem Verlangen nach einem Marmeladen-Schinken-Sandwich um 1 Uhr morgens äußert, "bedingt zurechnungsfähig" werden. Ende der 1950er Jahre wandten sich die Ärzte dem immer beliebter werdenden Contergan zu, einem sicheren Beruhigungsmittel ohne schwerwiegende Nebenwirkungen.

Ja, es linderte Angstzustände und seltsame Verhaltensanomalien, aber der Clou ist, dass es zuvor noch nie in der Schwangerschaft eingesetzt worden war, nicht einmal bei Ratten.

Nur zwei bis drei Jahre nach seiner Einführung in die Praxis wurden die Ärzte von der Geburt einer großen Zahl von Kindern mit allen möglichen Missbildungen überrascht: Einige hatten keine Beine, andere keine Arme, und wieder andere wurden (buchstäblich) ohne Gehirn geboren. Sie begannen, die Geschichte der verschreibungspflichtigen Medikamente in der Schwangerschaft nachzuschlagen und stießen auf Thalidomid.

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Natürlich wurde die Verwendung dieses Medikaments sofort gestoppt, und es begann eine mehrjährige Untersuchung darüber, wie es überhaupt auf dem Markt zugelassen werden konnte. Ich will den Leser nicht mit den Wechselfällen der Versuche langweilen, sondern zur Sache kommen.

Die Synthese, die nicht stereoselektiv war, ergab zwei Enantiomere, D- und L-. Das eine war ein wirklich gutes und geeignetes Beruhigungsmittel ohne Nebenwirkungen, das andere ein Teratogen, d. h. es verursachte angeborene Missbildungen.

Das Wesen der toxischen Wirkung von Thalidomid (dem bösen Bruder des Enantiomers) bestand darin, dass es wie Senfgas in die DNA eingebaut wurde. Dies ist zwar nur einer der vielen Mechanismen der toxischen Wirkung, die entdeckt wurden, aber in einer Situation, in der sich eine Masse von sich ständig teilenden und sprunghaft wachsenden Zellen befindet, ist dies der entscheidende Faktor.
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Die Reihe von tragischen Ereignissen und Behinderungen, die durch dieses Medikament verursacht wurden, wird als Contergan-Tragödie bezeichnet.Interessant ist, dass die Herstellerfirma mit den Zahlungen an die Opfer keineswegs in Konkurs gegangen ist; außerdem geht es Grünenthal immer noch gut und floriert mit der Produktion des Opioid-Analgetikums Tramadol.

Und manchmal schöpft sie auch mickrige 50 Millionen Euro an verschiedene Organisationen von Menschen mit Behinderungen ab.

Außerdem hat unsere "geliebte" FDA natürlich mehrere zusätzliche obligatorische Teratogenitätstests eingeführt, für die vor der Contergan-Tragödie allein die Pharmaunternehmen verantwortlich waren.

Ketamin: Halluzinogen, Antidepressivum oder Beruhigungsmittel?

Darüber hinaus gibt es viele andere Fälle, in denen die Lage von ein oder zwei Atomen in einem Molekül entscheidend war, wie bei der Synthese von Citalopram und Escitalopram (L-Isomer).

Das zweite unterscheidet sich vom ersten durch seine größere Affinität (Selektivität) für den Serotonin-Transporter, der Serotonin nach der Freisetzung in das Neuron zurückpumpt. Wird der Transporter blockiert, erhöht sich die Verweildauer des Serotonins im intersynaptischen Raum, und die antidepressive Wirkung des Medikaments nimmt entsprechend zu.

Zu den anderen vielversprechenden Antidepressiva gehört Ketamin, das bisher ausschließlich für die Allgemeinanästhesie verwendet wurde. Es existiert auch in zwei optischen Isomeren - Arketamin (R-Ketamin) und Esketamin (S-Ketamin).

Lange Zeit schenkten Ärzte und Pharmakologen den Unterschieden zwischen dem Razemat und den einzelnen Monoformen keine Beachtung, doch jetzt, da die Substanz aktiv als Antidepressivum und für die Behandlung verschiedener Arten von Angststörungen untersucht wird, werden diese Unterschiede stärker beachtet.

Arketamin ist in Bezug auf die NMDA-Rezeptoren, deren Blockade die Ursache für die Feenhalluzinationen ist, mehr als viermal weniger aktiv als Esketamin.
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Das R-Isomer wiederum hat zwei einzigartige Eigenschaften: die Aktivierung von AMPA-Rezeptoren (Rezeptoren, die normalerweise durch Glutamat aktiviert werden und an der Bildung der so genannten Langzeitpotentialität - einer der biologischen Grundlagen des Gedächtnisprozesses-beteiligt sind) und die Bildung eines einzigartigen Metaboliten, der nur für Arketamin charakteristisch ist - (2R,6R)-HNK.

Dieser Metabolit, der einfach Hydroxynoroquethamin genannt wird, oder genauer gesagt, sein R-Stereoisomer, ist ein mäßig starkes Psychostimulans und ein gutes Antidepressivum.
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Sein Zwillingsbruder, Esketamin, ist ebenfalls erwähnenswert. Es ist ein noch stärkerer NMDA-Antagonist und Dopamin-Wiederaufnahmehemmer. Wenn Sie jedoch glauben, dass dies eine gute Sache ist, liegen Sie falsch. Bei einer großen Menge dieses Neurotransmitters beginnt man sich, gelinde gesagt, nicht mehr in der Realität zurechtzufinden.

Ein Beispiel für einen solchen Zustand wäre das Alkoholdelirium - dieser pathologische Zustand ähnelt in seinem Mechanismus teilweise den Auswirkungen einer reinen Esketamingabe.

Wird
dem Patienten jedoch sehr viel Esketamin gespritzt, fällt er in eine sehr milde (in Bezug auf die Toleranz) Anästhesie, nach deren Beendigung die Person fast völlig frei von postnarkotischer Erregung ist, die bei der Verwendung von "klassischem" racemischem Ketamin recht häufig zu beobachten ist.

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Und dies ist nur ein kleiner Teil aller möglichen Beispiele für Unterschiede in der biologischen Aktivität optischer Isomere von Arzneimitteln.

Derzeit laufen zahlreiche klinische Studien, die diese klinisch bedeutsamen Unterschiede in der Aktivität von Substanzen, die bisher nur als racemische Mischungen verwendet wurden, aufzeigen sollen.

Und diese Unterschiede können in ihrer Stärke vernachlässigbar sein (dem Patienten wird nichts Gefährliches passieren, wenn er Citalopram statt Escitalopram verwendet) oder sehr wichtig sein, wie im Fall von Thalidomid.
 
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