Kemiallisten yhdisteiden kiraalisuus

Brain

Expert Pharmacologist
Joined
Jul 6, 2021
Messages
240
Reaction score
270
Points
63
Ds94Tl0Cej


Kaikki koulusta muistavat: aineet koostuvat molekyyleistä, molekyylit koostuvat atomeista. Jos koostumus on sama, aine on sama. Asiat ovat kuitenkin monimutkaisempia: kahdesta molekyylistä, joilla on sama kaava, toinen voi olla tarpeellinen lääke ja toinen vaarallinen myrkky.

Tänään tutkimme, miksi molekyylin peilikuvana oleva molekyyli toimii eri tavalla, miksi astronauteille määrätään päivittäin amfetamiinia, miten ketamiinin "peiliversiot" tekevät siitä masennuslääkkeen tai unilääkkeen ja mikä on "Conpikaturma".

Oletko koskaan peiliin katsoessasi miettinyt, mitä tapahtuisi, jos sinut yhdistettäisiin ja vertailtaisiin peilistä tulevaa ja todellista sinua? Näyttäisi siltä, että olisitte molemmat samanlaisia - kaksi kättä, kaksi jalkaa... mutta heijastettuna vaakasuoraan. Esimerkiksi luomi oikean peilikuvasi vasemmassa reidessä siirtyisi peilikuvasi oikeaan reiteen.

Tilanne on hypoteettinen, mutta se kuulostaa kuvaukselta jostain pahasta tripistä. Kemian maailmassa edellä kuvattu mielikuvitus on kuitenkin arkipäivää, ja sillä on samalla varsin tärkeä merkitys kemiallisten yhdisteiden ominaisuuksien kannalta
.

U9elXpSDZk


Mitä ovat "peili "aineet?
"Peili" -aineita kutsutaan optisiksi isomeereiksi. Termi ei muuten ole kaikkein onnistunein, sillä se kuvaa vain valon polarisaation kiertymistä, kun se kulkee saman aineen eri optisten isomeerien liuosten läpi. Laajemmin käytetty termi on enantiomeerit .Tätä käsitettä havainnollistaa parhaiten kuva.

Kemiassa yhdisteellä on vain yksi konfiguraatio, energeettisesti edullinen, joka johtuu atomien elektronikuorien vuorovaikutuksesta. Tässä tapauksessa kolmiopyramidi (tetraedri) on tällainen edullinen konfiguraatio keskeiseen hiiliatomiin liittyvien atomien keskinäisestä järjestelystä. Ja sen "kulmien" järjestys voi olla joko kuin vasemmalla kädellä tai kuin oikealla kädellä, eikä näitä "heijastuksia" voi yhdistää, vaikka kuinka vääntelisi niitä.

Kemistit eivät muuten ajattele asiaa kovinkaan paljon ja kutsuvat optisia isomeerejä näin - vasemmalle kääntyviksi (L-isomeerit) ja oikealle kääntyviksi (D-isomeerit).

Tämä saattaa tuntua taas yhdeltä fysiikan tai kemian ja niiden kolmikerroksisten yhtälöiden sekamelskalta, mutta ei suinkaan: jostain ihmeestä (itse asiassa termodynamiikasta) käy ilmi, että me kaikki koostumme aminohapoista, joilla on L-muodostuma, ja hiilihydraateista, joilla on D-muodostuma!
View attachment VoA0C6kGDy.jpeg
Tähän sääntöön on tietysti poikkeuksia: D-aminohappoja esiintyy luonnossa, mutta niitä on vähän, niillä on hyvin erityisiä ominaisuuksia (esim, aineenvaihdunnan säätely joissakin bakteereissa), eikä niitä ole proteiineissa.

Millerin kuuluisassa kokeessa, jossa jäljiteltiin muinaisen maapallon olosuhteita ja niin sanottua abioogeneesivaihetta - orgaanisten yhdisteiden muodostumista epäorgaanisista aineista - tuloksena oli yhtä suuri määrä L- ja D-aminohappoja.

On olemassa useita hypoteeseja, jotka selittävät L-muotojen ylivaltaa (esimerkiksi se, että "nuoren" Auringon säteily oli osittain polarisoitunutta ja absorboivaa D-aminohappoja, jotka sen jälkeen tuhoutuivat), mutta tällä hetkellä ne eivät ole juurikaan edistyneet sen selittämisessä, miksi varhaiset alkueliöt "valitsivat" edelleen L-aminohapot itsetuotantoon.

Kaikki tutkijat ovat kuitenkin yhtä mieltä yhdestä asiasta: "homokiraliteetin" ilmiö, eli yksinomaan L- tai D-aminohappojen käyttö, on yksi proteiinimolekyylien vakauden avainkohdista.

Mielenkiintoista on, että elimistömme ei pysty sulattamaan D-aminohappoja eikä L-hiilihydraatteja.Tämä mukava tosiasia johti biokemian tutkijat hyvin sadistiseen henkiseen kokeeseen, joka tunnetaan nimellä "peilimaailma".

Kuvittele, että olet maapallon kanssa identtisellä planeetalla, mutta jossa aminohappojen ja hiilihydraattien kiraalisuus on päinvastoin. Kuolisit nälkään (ja mahdollisesti myrkytykseen), vaikka helposti sulavaa ruokaa olisi runsaasti
.

1VQGM4bX7Y


Amfetamiiniveljet
Mennäänpä hieman biokemian syvyyksien yläpuolelle ja tarkastellaan, miten kiraalisuus vaikuttaa jokapäiväiseen elämäämme. Otetaan esimerkiksi niinkin tunnettu huume kuin amfetamiini. FDA (Food and Drugs Administration) on hyväksynyt sen, ja sitä myydään Adderall-merkkisenä lääkkeenä narkolepsian hoitoon.

Sillä on kaksi enantiomeeria, L-amfetamiini (levoamfetamiini) ja D-amfetamiini (dekstroamfetamiini eli deksedriini).

Klassisen synteesin menetelmillä tuloksena on niin sanottu raseemaatti, L- ja D-enantiomeerien seos suunnilleen samassa suhteessa. On olemassa myös "stereoselektiivisiä" synteesimenetelmiä, joiden avulla voidaan saada selektiivisesti yksi enantiomeereistä.

Levoamfetamiinin ja deksedriinin biologisten ominaisuuksien erot ovat melko merkittäviä: levoamfetamiinilla on vaikeuksia läpäistä BBB:tä (veri-aivoeste, erikoistuneiden solujen ja proteiinien muodostama järjestelmä, joka "suodattaa" aivokudokseen pääsevät kemialliset aineet), ja sillä on lähinnä perifeerisiä vaikutuksia - kohonnut verenpaine, kohonnut sydämen syke.

D-enantiomeerillä taas on lähinnä keskushermostovaikutuksia: se vapauttaa dopamiinia yli neljä kertaa tehokkaammin kuin L-isomeeri
.
SOQ2gPqK9x

Miksi näin tapahtuu? Yksi biokemian perussäännöistä on, että substraatin on sovittava entsyymiin kuin avain lukkoon.Sama sääntö pätee myös farmakologiassa: lääkeaineella on oltava rakenteellinen affiniteetti kohteeseensa.

Koska kohdeproteiinin "sitoutumiskohta" ei tunnista koko molekyylin rakennetta, vaan ainoastaan yksittäisten atomien sijoittelun, ja tämän perusteella proteiinimolekyyli joko lopettaa toimintansa tai aktivoituu, pienellä erolla yhden tai kahden atomin avaruudellisessa sijainnissa voi olla valtava merkitys.

Jos tarkastelet tarkkaan eri amfetamiinienantiomeerien bulkkirakennetta, näet eron atomien sijainnissa avaruudessa (sininen on typpiatomi). Ja tämä on avainkohta sitoutumisessa proteiineihin, esimerkiksi samaan dopamiinin kuljettajaan (DAT).
57GJ8khoAi

Hauska fakta: Dexedriiniä käytettiin avaruuslääketieteessä ja amerikkalaisten astronauttien lennoilla. Katsos, paineella ja hemodynamiikalla leikkiminen painottomuudessa, jossa kehon nesteet jakautuvat aktiivisesti uudelleen, on varsin vaarallista.Mutta eikö astronautitkin tarvita jotain, jotta he pysyvät kunnossa?
.

Tässä on astronauttien ensiapupakkauksen koostumus - kuten "Stowed/Used"-sarakkeistanäkyy, kuun tutkimusmatkailijat sekoittivat mielellään deksedriiniä ja skopolamiinia.

Tämän seoksen kerrottiin olevan erittäin tehokas pahoinvoinnin hoidossa. Oli myös määräys, jonka mukaan astronauttien oli otettava 10 mg deksedriiniä laskeutuessaan kiertoradalta
.
BVYzi1qDvF

Turvallinen rauhoittava lääke, jossa on vivahteita
Erilaisten enantiomeerien käytön historiassa ja farmakologiassa on amfetamiinin hauskan kuunvalloituksen lisäksi ollut myös hyvin synkkiä sivuja, kuten talidomidi.

Naisten tiedetään muuttuvan "ehdollisesti terveiksi" raskauden aikana suuren "hormonimyrskyn" vuoksi, joka ilmenee unettomuutena, pahoinvointina, levottomuutena ja outoina makumieltymyksinä, kuten hillokinkkuvoileivän vaatimisena yhdeltä yöllä. 1950-luvun lopulla lääkärit kiinnittivät huomionsa yhä suositumpaan talidomidiin, turvalliseen rauhoittavaan lääkkeeseen, jolla ei ollut vakavia sivuvaikutuksia.

Kyllä, se lievitti ahdistusta ja outoja käyttäytymishäiriöitä, mutta tässä on juju - sitä ei ollut koskaan aiemmin käytetty raskauden aikana, ei edes rotilla.

Vain 2-3 vuotta sen käyttöönoton jälkeen lääkärit yllättyivät valtavasta määrästä lapsia, joilla oli kaikenlaisia epämuodostumia: joillakin ei ollut jalkoja, joillakin ei ollut käsiä, ja jotkut syntyivät ilman aivoja (kirjaimellisesti) lainkaan.He alkoivat tutkia reseptilääkkeiden historiaa raskauden aikana ja löysivät talidomidin
.

PnuRgtc8vs

Luonnollisesti sen käyttö lopetettiin välittömästi, ja aloitettiin monivuotinen tutkimus siitä, miten se oli ylipäätään päässyt markkinoille. En kyllästytä lukijaa oikeudenkäyntien käänteillä, vaan menen asiaan.

Synteesi, joka ei ollut stereoselektiivinen, tuotti kaksi enantiomeeria, D- ja L-. Toinen niistä oli todella hyvä ja sopiva rauhoittava lääke ilman sivuvaikutuksia, toinen oli teratogeeni eli synnynnäisiä epämuodostumia aiheuttava.

Talidomidin (enantiomeerin pahan veljen) myrkyllisen vaikutuksen ydin oli se, että se sinappikaasun tavoin sitoutui DNA:han. Vaikka tämä on vain yksi monista löydetyistä myrkyllisen vaikutuksen mekanismeista, tämä on ratkaisevaa tilanteessa, jossa jatkuvasti jakautuvien solujen massa kasvaa harppauksin.
HpgZMVw8Q2

Tämän lääkkeen aiheuttamien traagisten tapahtumien ja vammautumisten sarjaa on kutsuttu talidomiditragediaksi.Mielenkiintoisin asia on, että valmistajayritys ei mennyt lainkaan konkurssiin uhreille maksetuista korvauksista; lisäksi Grünenthal voi edelleen hyvin ja menestyy hyvin valmistamalla opioidipuudutuslääke tramadolia.

Ja toisinaan se myös kähmii vaivaiset 50 miljoonaa euroa erilaisille vammaisjärjestöille.

Lisäksi "rakas" FDA:mme on tietenkin ottanut käyttöön useita pakollisia lisätestejä teratogeenisyyteen, jotka ennen talidomiditragediaa olivat lääkeyritysten yksinomaisen vastuun alaisia.

Ketamiini: hallusinogeeni, masennuslääke vai rauhoittava aine?

Tämän lisäksi on monia muita tapauksia, joissa yhden tai kahden atomin sijainti molekyylissä on ollut ratkaiseva, kuten sitalopraamin ja esitalopraamin (L-isomeeri) synteesissä.

Toinen eroaa ensimmäisestä siinä, että sillä on suurempi affiniteetti (selektiivisyys) serotoniinikuljettajalle, joka pumppaa serotoniinia takaisin hermosoluun vapautumisen jälkeen. Kun siirtäjä estetään, serotoniinin viipymä synaptisten solujen välissä pitenee, ja lääkkeen masennuslääkkeen vaikutus lisääntyy vastaavasti.

Muista lupaavista masennuslääkkeistä voidaan mainita ketamiini, jota on aiemmin käytetty yksinomaan yleisanestesiaan. Sitä esiintyy myös kahtena optisena isomeerinä - arketamiinina (R-ketamiini) ja esketamiinina (S-ketamiini).

Lääkärit ja farmakologit eivät pitkään aikaan kiinnittäneet huomiota rasemaatin ja monokäyttöisen yksilöllisen muodon välisiin eroihin, mutta nyt kun ainetta tutkitaan aktiivisesti masennuslääkkeenä ja erilaisten ahdistuneisuushäiriöiden hoidossa, näihin eroihin on kiinnitetty enemmän huomiota.

Arketamiini on yli neljä kertaa vähemmän aktiivinen kuin esketamiini NMDA-reseptoreiden suhteen, joiden salpaaminen aiheuttaa keijuhallusinaatiot
.
DJhBpPFjQ3

R-isomeerillä on puolestaan kaksi ainutlaatuista ominaisuutta: AMPA-reseptorien (reseptorit, joita glutamaatti tavallisesti aktivoi ja jotka osallistuvat niin sanotun pitkäaikaispotentiaalin muodostumiseen - yksi muistiprosessin biologisista perusteista) aktivoituminen ja vain arketamiinille ominaisen ainutlaatuisen aineenvaihduntatuotteen - (2R,6R)-HNK:n- muodostuminen.

Tämä aineenvaihduntatuote, jota kutsutaan nimellä hydroksinoroketamiini tai tarkemmin sanottuna sen R-steroisomeeri, on kohtalaisen voimakas psykostimulantti ja hyvä masennuslääke.
8BV9QSACDm

Sen kaksoisveli, esketamiini, on myös mainitsemisen arvoinen. Se on voimakkaampi NMDA-antagonisti ja dopamiinin takaisinoton estäjä. Jos kuitenkin luulet, että tämä on hyvä asia, olet väärässä. Kun tätä välittäjäainetta on paljon, ihminen alkaa lievästi sanottuna tuntea olevansa irti todellisuudesta.

Esimerkki tällaisesta tilasta on alkoholistien delirium - tämä patologinen tila muistuttaa mekanismiltaan osittain puhtaan esketamiinin antamisen vaikutuksia.

Jos potilaalle kuitenkin ruiskutetaan hyvin paljon esketamiinia, hän vaipuu hyvin lievään
(toleranssin kannalta) anestesiaan, josta poistumisen jälkeen henkilö on lähes täysin vapaa postnarkoottisesta kiihtymyksestä, jota havaitaan melko usein käytettäessä "klassista" raseemista ketamiinia.

DOg9CmUN7z


Ja tämä on vain pieni murto-osa kaikista mahdollisista esimerkeistä lääkkeiden optisten isomeerien biologisen aktiivisuuden eroista.

Parhaillaan on meneillään monia kliinisiä tutkimuksia, joiden pitäisi paljastaa nämä kliinisesti merkittävimmät aktiivisuuserot sellaisissa aineissa, joita on aiemmin käytetty vain raseemisina seoksina.

Ja nämä erot voivat olla voimakkuudeltaan mitättömiä (potilaalle ei tapahdu mitään vaarallista, jos hän käyttää sitalopraamia esitalopraamin sijasta) tai hyvin merkittäviä, kuten talidomidin tapauksessa.
 
Top