Сюрпризы грамицидина

Все знают, что в названии «витамин С» буква «С» читается как русская «ц», и только малограмотный человек может сказать «витамин эс». Видимо, по аналогии название некогда распространенного антибиотика грамицидина С также произносят «грамицидин це». Однако это неверно: буква «С» в этом названии должна произноситься как «эс». История появления этого лекарственного средства, а также других антибиотиков интересна и драматична. Когда говорят «антибиотик», чаще всего вспоминают пенициллин. Его открытие в середине ХХ в. знаменовало собой новую эпоху в борьбе с болезнетворными микроорганизмами. Пенициллин и другие антибиотики спасли от неминуемой смерти миллионы людей. Однако мало кто знает, что история антибиотиков по сути намного древнее. Еще в Библии было описано применение грибов и плесени для обработки инфицированных ран. В начале 70‑х гг. XIX в. врач и публицист Вячеслав Авксентьевич Манасеин (1841–1901) и дерматолог Алексей Герасимович Полотебнов (1838–1908) установили антибактериальные и лечебные свой ства зеленой плесени. В частности, Манасеин в 1871 г. опубликовал в «Военно‑медицинском журнале» статью «Об отношении бактерий к зеленому кистевику Penicillum glaucum». Российские медики применяли плесень для лечения гнойных ран и хронических язв. Но несовершенство химических методов не позволило в то время выделить из плесени действующее начало.

В 1928 г. шотландский бактериолог и биохимик Александр Флеминг (он приобрел известность еще в 1922 г. благодаря открытию фермента лизоцима) заметил, что оставленная им на несколько дней культура стафилококковых бактерий покрылась плесенью.

Однако вместо того, чтобы просто выбросить испорченный препарат, Флеминг начал внимательно его разглядывать: он заметил, что вокруг каждого пятнышка плесени располагаются чистые области, где культура бактерий исчезла. Он понял, что в этих областях присутствует какое‑то вещество, выделяемое плесневыми грибами, которое обладает сильным антибактериальным действием. Так Флеминг открыл пенициллин. Это название происходит от рода грибов Penicillum (их около 250 видов). Флеминг использовал активный раствор пенициллина для лечения ран. Но выделить действующее начало в чистом виде ему тогда не удалось: антибиотик быстро терял свои свойства при любых попытках его выделения и очистки.

Задача была решена лишь десятилетие спустя английским биохимиком Эрнстом Борисом Чейном, немцем по происхождению, эмигрировавшем из Германии в 1933 г. Он применил необычную для того времени методику сублимационной сушки: водный раствор препарата был заморожен до –40 °С, и при этой температуре из него был в вакууме испарен лед. Полученные таким способом кристаллы пенициллина оказались стойкими и сохраняли свое действие в течение длительного времени. Исследовал терапевтические свойства очищенного пенициллина и впервые применил его с лечебной целью английский патолог австралийского происхождения Х. У. Флори. К 1940 г. была создана реальная возможность для массового использования пенициллина в качестве лекарства. Оказалось, что он губителен не только для стафилококков, но также для пневмококков, менингококков и многих других микробов. В США, которые в декабре 1941 г. вступили в войну с Японией, в исключительно короткие сроки были построены огромные предприятия по производству пенициллина для нужд армии. К 1945 г. была разработана технология, которая позволяла получать полтонны продукта в месяц. Несмотря на все усилия немецкой и японской разведок, им так и не удалось узнать секрет получения нового средства.

Справедливости ради следует сказать, что первым антибиотиком, выделенным в чистом виде, был не пенициллин, а тиротрицин, полученный в 1939 г. американским ученым Р. Дюбо из культуры спор почвенной аэробной палочки Bacillus brevis. Однако он оказался токсичным и не нашел практического применения.

Ученые, открывшие и выделившие пенициллин в чистом виде, приобрели всемирную известность: Флеминг и Флори были возведены в пэры Британии, стали членами научных обществ и академий разных стран, Флори был также награжден золотой медалью имени М. В. Ломоносова АН СССР. Флеминг же был выбран почетным вождем племени кайова в Северной Америке. В 1945 г. Флеминг, Чейн и Флори получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие пенициллина и его терапевтического эффекта при лечении разных инфекционных заболеваний» (официальная формулировка протокольного решения шведского Каролинского медико‑хирургического института, который присуждает премии в этой области).

В нашей стране исследования пенициллина микробиологом Зинаидой Виссарионовной Ермольевой (в будущем – академика Академии медицинских наук) увенчались в 1942 г. выделением пенициллина из культуры Penicillum crustorum. После войны по разработанному Ермольевой методу было организовано производство пенициллина на заводах в разных городах страны. Ее заслуги были в 1943 г. отмечены Государственной премией. Ермольева первой получила также отечественный стрептомицин (в 1947 г.), интерферон, ряд других препаратов.

Детальное изучение пенициллина показало, что это не одно вещество, а группа близких по химическому строению соединений. Наиболее ценным оказался природный бензилпенициллин, который в течение многих лет широко применялся в медицинской практике. В 1958 г. химики научились «снимать» с него бензильную группу С6Н5СН2 и присоединять взамен ее другие органические группы. Некоторые из этих полусинтетических веществ, не имеющих аналогов среди природных соединений, обладали более высокой антимикробной активностью.

Бензилпенициллин

Успешное применение пенициллина и его производных способствовало поиску других антибиотиков в царстве грибов. Было, например, известно, что в одном грамме почвы содержатся миллионы бактерий, плесеней и иных микроорганизмов. Знали также, что туберкулезные палочки, попадая в почву, быстро погибают. Еще в 1932 г. отечественный микробиолог Н. А. Красильников обнаружил у некоторых обитающих в почве лучистых грибов – актиномицетов способность, подобно пенициллину, уничтожать микробов. Он впервые выделил актиномицеты в отдельный класс и в 1939 г. описал антибиотик актиномицетного происхождения. В годы войны в работу включился американский микробиолог З. А. Ваксман, который совершил в медицине открытие не меньшего значения, чем Флеминг. Однако, если Флемингу помог случай, открытие Ваксмана было совершенно закономерным. Зельман Абрахам Ваксман, преподаватель Национального сельскохозяйственного колледжа, родился в небольшом поселке в Украине и первоначальное образование получил в России. В 1910 г. он эмигрировал в США и с 1914 г. занимался изучением почвенных микроорганизмов, в частности актиномицетов. С 1938 г. начал систематические испытания различных актиномицетов на способность образовывать антимикробные вещества. Уже в 1940 г. Ваксман выделил антибиотик актиномицин, но он оказался слишком токсичным для человека. Ваксман продолжил поиск микроорганизмов, образующих антибиотики (он ввел в употребление и сам термин «антибиотик»; от греч. bios – «жизнь» и приставки anti – «противодействие»).

В 1943 г. он выделил из актиномицетов вида Streptomyces griseus новый антибиотик стрептомицин, который обладал широким спектром антимикробного действия. Он оказался весьма эффективным в отношении микобактерий туберкулеза, а также большинства грамотрицательных и некоторых грамположительных микроорганизмов. (Заметим, кстати, что термины «грамотрицательный» и «грамположительный» с единицей массы никак не связаны: они названы так по фамилии датского врача Ганса Христиана Грама, который в 1884 г. изобрел способ различать два вида микроорганизмов по способности только одного вида после специальной обработки окрашиваться красителем.) Стрептомицином лечили бруцеллез, чуму, другие тяжелые болезни, против которых до этого не существовало специфических средств терапии.

Особенно впечатляющим было действие стрептомицина на больных туберкулезным менингитом, который ранее в 100 % случаев заканчивался смертью больного в течение 20 дней. В нашей стране в 1946 г. с помощью стрептомицина впервые была вылечена от этой страшной болезни 9‑летняя девочка, причем антибиотик был доставлен самолетом из США. Выздоравливающую девочку в московской клинике посетил и Ваксман. И в этом нет ничего удивительного. Еще в период войны между союзниками – СССР, США и Великобританией – были налажены многосторонние связи по сотрудничеству в медицине. Так, в 1943 г. СССР посетил один из творцов пенициллина Флори с намерением помочь в выпуске антибиотика. Флори был сторонником безвозмездного обмена между союзниками достижениями в области медицины, хотя в правительственных кругах стран‑союзниц далеко не все разделяли эту точку зрения.

В 1952 г. Зельман Ваксман был удостоен Нобелевский премии «за открытие стрептомицина – первого антибиотика, эффективно действующего против туберкулеза». Однако в начале 50‑х гг. Ваксмана ждал тяжелый удар: его бывший студент и соавтор научных публикаций о стрептомицине Альберт Шац подал на него в суд с требованием «поделиться»; более того, Шац, вероятно, инициировал письмо, направленное в Нобелевский комитет вицепрезидентом Национального сельскохозяйственного колледжа Э. С. Рейнталером, в котором содержалась неслыханная просьба – пересмотреть решение о награждении. В ответном письме президент Нобелевского комитета Х. Бергстранд указал, что многочисленные американские ученые, которым было предложено представить кандидатуры на Нобелевскую премию, назвали Ваксмана и никто из них не назвал Шаца. Любопытно, что Бергстранд написал также о том, что в английском переводе шведского текста с положением о Нобелевских премиях допущена ошибка: если в работе, которая награждается премией, участвовало несколько лиц, то премия не «должна быть», а «может быть» присуждена им совместно…

Широкие исследования почвенных грибов с целью получения антибиотиков были начаты в годы войны и в Москве – в Институте малярии, в лаборатории, которой руководил биолог профессор Георгий Францевич Гаузе. Для лечения раненых необходимо было как можно скорее получить чудодейственный препарат. Жена Гаузе биохимик Мария Георгиевна Бражникова очень ярко описала атмосферу поисков, в которых сама участвовала как сотрудник лаборатории: «Все столы лаборатории были заставлены стеклянными плоскими тарелочками, так называемыми чашками Петри. На других столах были расставлены штативы с пробирками, наполненными землей. Пробы собирали повсюду – во дворах, огородах, на свалках, в лесах и полях Подмосковья. Карманы сотрудников были полны маленькими сверточками с землей. Землю приносили в лабораторию, пересыпали в пробирки и в каждую пробирку наливали немного воды, чтобы получилась земляная каша. В чашки Петри наливали питательную среду, содержащую мясной бульон и сахар. Каплю взвеси, содержащую тысячи опасных микробов (отдельно приготовленных стафилококков), помещали на поверхность застывшей питательной среды, а затем на ту же поверхность наносили каплю земляной каши из пробирки. Засеянные таким образом чашки выдерживали в термостате при определенной температуре. За это время на поверхности студня вырастали десятки различно окрашенных точек – желтые колонии стафилококков вперемешку с желтыми, красными, синими, белыми, прозрачными, круглыми, зубчатыми, бахромчатыми колониями почвенных микробов. Вокруг некоторых колоний почвенных микробов можно было ясно различить „зону пустыни“. Эти почвенные микробы ограждали себя, выпуская в окружающую среду какое‑то вещество, которое подавляло все живое».

В 1942 г. из культуры бактерий, обитающих на огородных почвах Подмосковья, был, наконец, выделен в кристаллическом виде первый оригинальный отечественный антибиотик, который назвали грамицидином С. Это название отражает действие антибиотика преимущественно на грамположительные бактерии, а caedo на латыни – «убивать» (этот же корень в словах «пестицид», «бактерицид», «стрептоцид», «геноцид» и др.). Буква же «С» в названии антибиотика означала «советский», чтобы отличить его от «просто» грамицидина, открытого ранее в США. А почвенные бактерии, синтезирующие антибиотик, получили название Bacillus brevis var. G.‑B.; последние буквы – признание заслуг Гаузе и Бражниковой. Анализы, проведенные отечественными биохимиками А. Н. Белозерским (будущим академиком, вице‑президентом Академии наук) и Т. С. Пасхиной, показали, что грамицидин С – белок. Для установления его строения требовалось очень серьезное химическое исследование. С этой целью в рамках тогдашнего сотрудничества союзников Минздрав СССР в 1944 г. передал образец нового антибиотика в дружественную Великобританию, в расположенный в Лондоне Листеровский медицинский институт. Там им занялся известный биохимик Ричард Синг.

Первые же опыты привели к неожиданному результату: любой белок – это соединенные последовательно с помощью пептидных связей NH–CO молекулы аминокислот. Поэтому с одного конца цепочки в белке должна быть аминогруппа NH2, а с другого – кислотная группа COOH. Так вот, аминогруппы в грамицидине С были, а вот кислотных групп не было! Единственное объяснение этого странного факта заключалось в том, что молекула грамицидина С не линейная, а циклическая, так что концевые группы NH2 и COOH соединяются друг с другом, замыкая кольцо. Присутствие же аминогрупп объяснить было просто, так как некоторые из аминокислот (аспарагин, глутамин, лизин и др.) имеют в молекуле по две аминогруппы.

Когда раствор грамицидина С нагрели в присутствии соляной кислоты, он распался на отдельные аминокислоты. Здесь ученых ждал второй сюрприз: грамицидин С оказался очень простым белком, так как содержал всего пять различных аминокислот (для сравнения – яичный альбумин, основной компонент яичного белка, содержит 20 разных аминокислот, а его молекулярная масса в десятки раз больше, чем у грамицидина). Среди аминокислот, найденных в грамицидине, была очень редко встречающаяся в природных белках аминокислота орнитин – 2,5‑аминопентановая кислота H2N(CH2)3CH(NH2)COOH. В орнитине две аминогруппы, одна из которых в белковой молекуле остается свободной. Орнитин – некодируемая аминокислота, для которой природа не предусмотрела своего «шифра» в генетическом коде. Она образуется (одновременно с мочевиной) в результате гидролиза кодируемой аминокислоты – аргинина, входящего в состав белка: HN=C(NH2)–NH–(CH2)3–CH(NH2)–COOH + H2O → H2N–(CH2)3–CH(NH2)–COOH + CO(NH2)2. Присутствие в природной белковой молекуле орнитина было третьим сюрпризом, который грамицидин преподнес ученым. Остальные четыре аминокислоты (пролин, валин, лейцин и фенилаланин) были самыми обычными составными частями природных белков.

Р. Синг нашел, что всех аминокислот в грамицидине С содержится поровну. Не представляло труда подсчитать минимальное значение молекулярной массы грамицидина С: она равна 117 (валин) + 131 (лейцин) + 165 (фенилаланин) + 132 (орнитин) + 115 (пролин) – 90 (пять молекул Н2О) = 660 – 90 = 570. (При образовании белковой молекулы из отдельных аминокислот происходит отщепление молекул воды; образование кольцевой цепочки из пяти молекул аминокислот сопровождается отщеплением пяти молекул воды.)

Последний сюрприз ждал ученых, когда они независимыми физическими методами определили, что молекулярная масса грамицидина С примерно вдвое больше рассчитанной по простейшей химической формуле. Объяснение оказалось простым – каждая аминокислота входит в молекулу грамицидина дважды, т. е. кольцевая молекула содержит не пять, а десять остатков аминокислот. Теперь надо было установить точное строение циклической молекулы, т. е. в каком порядке аминокислоты соединены друг с другом. Это трудоемкое исследование Синг провел в 1947 г. с группой коллег из английского города Лидса. Оказалось, что если грамицидин С не греть сильно с соляной кислотой (когда она распадается на отдельные аминокислоты), а проводить реакцию при температуре тела человека (37 °С), то она идет медленно, в течение многих недель, и при этом молекула постепенно расщепляется на отдельные фрагменты из двух или трех связанных друг с другом аминокислот. Эти фрагменты были разделены с помощью хроматографии на бумаге. Вот какие «кусочки» обнаружили в растворе: вал‑орн, орн‑лей, фен‑про, лей‑фен, вал‑орн‑лей, фен‑про‑вал, про‑вал‑орн (этими буквами сокращенно обозначают аминокислоты). Дальнейшая работа очень похожа на игру в домино: «кусочки» нужно правильно состыковать друг с другом, при этом должно получиться замкнутое кольцо. Легко проверить, что сделать это можно одним‑единственным способом; например, фенилаланин должен быть с одной стороны связан с лейцином, с другой – с пролином. В результате было окончательно выяснено строение этого необычного антибиотика:

Любопытно, что в анализах кристаллической структуры грамицидина С участвовала будущий британский премьер‑министр Маргарет Тэтчер, незадолго до того защитившая диссертацию по химии. Грамицидин С имел существенные преимущества перед американским «тезкой»: у него был более простой аминокислотный состав, более широкий спектр антибактериального действия и более высокая стойкость к внешним воздействиям. Еще во время войны обнаружили, что грамицидин С подавляет рост гноеродных микробов, убивая стрептококков, стафилококков, пневмококков, возбудителей анаэробной инфекции; его начали применять для лечения гнойных ран, ожогов, язв, фурункулов, воспалительных заболеваний уха и горла, а также при лечении пролежней, язв, остеомиелита, флегмон, карбункулов, фурункулов и т. п. Под торговым названием «Граммидин» грамицидин С и сейчас применяется в медицинской практике.

В 1970‑х гг. из образцов некоторых почв были выделены новые виды актиномицетов, которые вырабатывали полиены – вещества, в которых чередуются несколько простых и двойных связей углерод‑углерод (полиены придают цвет, в частности, каротину). Некоторые полиены также обладают сильной бактерицидной активностью. Поскольку микроорганизмы вырабатывают устойчивость к антибиотикам, приходится постоянно изыскивать все новые и новые, а также модифицировать их или полностью синтезировать (так называемые полусинтетические и синтетические антибиотики). В настоящее время описано более 6000 только природных антибиотиков, однако широко применяется лишь сотая их часть. Кроме них описано еще 100 000 (!) полусинтетических антибиотиков, но совсем немногие из них обладают всем комплексом нужных свойств. При определении их эффективности учитывают не только антимикробную активность, но и скорость выработки устойчивости к ним микроорганизмов и ряд других факторов.

Большинство антибиотиков получают микробиологическим синтезом с использованием специально разработанных питательных сред. «Химиками» в них работают актиномицеты, плесневые грибы и бактерии. Природные антибиотики, в том числе бензилпенициллин, цефалоспорин, рифамицин, используют в основном для получения полусинтетических производных. Чисто синтетических антибиотиков немного. К ним принадлежит широко известный левомицетин. По своему строению антибиотики относятся к самым разным классам химических соединений: среди них можно найти аминосахара, антрахиноны, гликозиды, лактоны, феназины, пиперазины, хиноны, пиридины, терпеноиды… Так что не следует удивляться, что антибиотиков известно так много. В будущем для создания новых антибиотиков с заранее заданными свойствами будут использоваться в основном методы генной инженерии.

«Когда молекула смотрится в зеркало»

Так называлась статья, опубликованная в одном из американ ских химических журналов. На обложке журнала в качестве иллюстрации к этой статье был помещен необычный рисунок. В зеркало смотрится добродушно виляющий хвостом пес, на боку которого изображена химическая формула одного из лекарственных средств – пеницилламина. Отражение же этого пса в зеркале было нарисовано в виде страшного волка с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На его боку тоже была нарисована формула вещества, которая была просто зеркальным отображением первой. Действие и «правого», и «левого» пеницилламина на человека отличалось так же, как и эти два рисунка. Почему же фактически одно и то же вещество имеет такие разные качества? Объясняется это особым свойством некоторых веществ, которое тесно связано с их оптической активностью.

Поляризация света и оптическая активность

В начале XIX в. английский физик, астроном и врач Томас Юнг показал, что свет можно рассматривать как волну. Французский физик Огюстен Френель выяснил, что световые волны – поперечные: колебания в них происходят перпендикулярно направлению движения (как у волн на поверхности воды: волна бежит вперед, а пробка на воде колеблется вверх‑вниз). В обычном свете колебания напряженности электрического и магнитного полей происходят хаотично, во всех направлениях. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например кальцита (исландского шпата), свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Чтобы объяснить такое свойство, французский физик Этьен Луи Малюс предположил, что свет состоит из частиц с двумя полюсами – «северным» и «южным» и в свете, прошедшем через кристалл, все полюсы повернуты в одну сторону. Поэтому он назвал такой свет поляризованным. Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось. Глаз человека не может отличить обычный свет от поляризованного, но это легко сделать с помощью простейших оптических приборов – поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.

Выяснилось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 г. французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право– и левовращающими. Направление вращения легко определить с помощью простого прибора – поляриметра.

В 1815 г. другой французский физик, Жан Батист Био, и немецкий физик Томас Зеебек установили, что некоторые органические вещества (например, сахар или скипидар) также обладают этим свойством, причем не только в кристаллическом, но и в жидком, растворенном и даже газообразном состоянии. Так было доказано, что оптическая активность может быть связана не только с асимметрией кристаллов, но и с каким‑то неизвестным свойством самих молекул. Оказалось, что, как и в случае кристаллов, некоторые химические соединения могли существовать в виде как право‑, так и левовращающих разновидностей, причем самый тщательный химический анализ не мог обнаружить между ними никаких различий! Такие разновидности назвали оптическими изомерами. Существует и третий тип изомеров – оптически неактивные. Это обнаружил в 1830 г. шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус: виноградная кислота оптически неактивна, а винная кислота точно такого же состава обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта и не встречающаяся в природе «левая» винная кислота – антипод правовращающей.

Открытие Пастера

Оптическую активность кристаллов физики связывали с их асимметричностью; полностью симметричные кристаллы, например кубические кристаллы поваренной соли, оптически неактивны. Причина же оптической активности молекул долгое время оставалась совершенно загадочной. Первое открытие, проливавшее свет на это явление, сделал в 1848 г. никому тогда не известный Луи Пастер. Еще в студенческие годы Пастер заинтересовался химией и кристаллографией, работая под руководством физика Ж. Б. Био и видного французского химика Жана Батиста Дюма. После окончания Высшей нормальной школы в Париже молодой (ему было всего 26 лет) Пастер работал лаборантом у Антуана Балара, уже известного химика, который за 22 года до этого прославился открытием нового элемента – брома. Своему ассистенту он дал тему по кристаллографии, не предполагая, что это приведет к выдающемуся открытию.

В ходе исследования Пастер получил кислую натриевую соль оптически неактивной виноградной кислоты – НООС–СН(ОН)– –СН(ОН)–СООNа, насытил раствор аммиаком и медленным выпариванием воды получил красивые призматические кристаллы натриево‑аммониевой соли – NН4ООС–СН(ОН)–СН(ОН)–СООNа. Кристаллы эти оказались асимметричными, одни из них были как бы зеркальным отражением других: у половины кристаллов одна характерная грань находилась справа, а у других – слева. Вооружившись увеличительным стеклом и пинцетом, Пастер разделил кристаллы на две кучки. Их растворы, как и следовало ожидать, обладали противоположным оптическим вращением. Пастер на этом не остановился. Из каждого раствора он выделил исходную кислоту, которая, как мы помним, была неактивной. Каково же было его удивление, когда оказалось, что один раствор – это известная правовращающая винная кислота, а другой – такая же кислота, но вращающая влево! То есть из оптически неактивной виноградной кислоты Пастер получил две оптически активные кислоты, причем все три кислоты имели одинаковый состав.

Воспоминания очевидцев свидетельствуют о невероятном нервном возбуждении молодого ученого, охватившем его в эту минуту; поняв, что′ он только что наблюдал, Пастер выбежал из лаборатории и, встретив лаборанта физического кабинета, бросился к нему и, обняв, воскликнул: «Я только что сделал великое открытие!». А заключалось оно в том, что давно известная неактивная виноградная кислота – это просто смесь равных количеств также известной «правой» винной кислоты и ранее не известной «левой». Именно поэтому смесь не обладает оптической активностью. Для такой смеси двух изомерных соединений, вращающих плоскость поляризации света в разные стороны, стали применять название «рацемат» (от лат. racemus – «виноград»; acidum racemicum – «виноградная кислота»), а два антипода получили название энантиомеров (от греч. enantios – «противоположный»). Пастер ввел для них обозначения L– и D‑изомеров (от лат. laevus – «левый» и dexter – «правый»). В 1956 г. были введены обозначения S (от лат. sinister – «левый») и R (от лат. rectus – «правый»). Однако по традиции широко используются и старые обозначения (например, для сахаров и аминокислот). Следует отметить, что эти буквы указывают лишь на строение молекулы (правое или левое расположение определенных химических групп) и не обязательно совпадают с направлением оптического вращения; последнее обозначают знаками плюс и минус, например, D(–)‑фруктоза, D(+)‑глюкоза.

Помимо «пинцетного» Пастер открыл еще два метода разделения рацемата на два антипода. Биохимический метод основан на избирательной способности некоторых микроорганизмов усваивать только один из изомеров. Например, грибковая плесень Penicillum glaucum, растущая на разбавленных растворах виноградной кислоты или ее солей, «поедает» только правый изомер, оставляя левый без изменения.

Третий способ разделения рацематов был чисто химический. Но для него требовалось заранее иметь оптически активное вещество, которое при взаимодействии с рацемической смесью «выбирало» бы из нее только один энантиомер. Например, оптически активное основание при взаимодействии с виноградной кислотой давало оптически активную соль, из которой можно было выделить один из энантиомеров винной кислоты.

Работа Пастера, доказывающая возможность «расщепления» оптически неактивного соединения на антиподы – энантиомеры, первоначально вызвала у многих химиков недоверие. Даже сам Био не поверил своему ассистенту, пока собственноручно не повторил его опыт не убедился в правоте Пастера. Эта и последующие работы Пастера приковали к себе пристальное внимание химиков. Вскоре Жозеф Ле Бель с помощью третьего пастеровского метода расщепил несколько спиртов на оптически активные антиподы. Иоганн Вислиценус установил, что существует две молочные кислоты: оптически неактивная, образующаяся в скисшем молоке (ее назвали молочной кислотой брожения), и правовращающая, которая появляется в работающей мышце (она получила название мясомолочной кислоты).

Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Якоб Вант Гофф. Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть правыми и левыми, являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример был такой. Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, четыре химические связи направлены от него под равными углами к вершинам тетраэдра. Если все атомы или группы атомов, находящиеся в вершинах тетраэдра и связанные с центральным атомом углерода, будут разными, то возможны две разные структуры, которые не совмещаются друг с другом вращением в пространстве. Если же хотя бы два атома из четырех будут одинаковыми, молекулы будут полностью идентичными (это легко проверить с помощью модели из четырех спичек и цветного пластилина). Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных (от греч. heir – «рука»).

Если в веществе поровну правых и левых молекул, оно будет оптически неактивным. Это и есть рацемат. Именно такие вещества получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах при участии несимметричных агентов (например, ферментов) образуются несимметричные соединения. Конечно, тут же возник вопрос о том, как же появились на Земле первые оптически активные химические соединения, например та же природная правовращающая винная кислота или «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что ответа на них нет и поныне. Например, никто не знает, почему почти все природные аминокислоты, из которых построены белки, относятся к L‑ряду (S‑конфигурация), а их антиподы только изредка встречаются у некоторых антибиотиков.

Теория Вант Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Об этом может свидетельствовать отзыв на его статью выдающегося немецкого химика‑экспериментатора Адольфа Кольбе, именем которого названы несколько органических реакций. В язвительной до неприличия статье, опубликованной в мае 1877 г., он писал: «Побежденная пятьдесят лет тому назад, натурфилософия снова выпущена псевдоестествоиспытателями из чулана, предназначенного для хранения отбросов человеческого ума. Нарядив эту кокотку в модные одежды и покрыв лицо ее белилами и румянами, они хотят провести ее в порядочное общество, в котором для нее нет места. Кому эти опасения покажутся преувеличенными, пусть прочтет недавно вышедшие фантастические сочинения Вант Гоффа о расположении атомов в пространстве… Некоему доктору Вант Гоффу, занимающему должность в Утрехтском ветеринарном училище, очевидно, не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат из ветеринарного училища) и поведать в своей „Химии в пространстве“ о том, как представляются ему, взобравшемуся благодаря смелому полету на химический Парнас, атомы, расположенные во Вселенной».

К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 г. стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.

Хиральные лекарства

Химики часто относятся к энантиомерам, как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Это стало очевидным после трагической истории с талидомидом – лекарственным средством, которое широко назначалось в 1960‑х гг. беременным женщинам как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его ужасное побочное тератогенное действие (от греч. teratos – «чудовище» и genes – «рождающийся»): на свет стало появляться все больше младенцев с врожденными уродствами, в том числе без рук и ног. Лишь в конце 1980‑х гг. выяснилась, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида – его правовращающая форма. К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, и продававшийся талидомид был неразделенной рацемической смесью обоих антиподов.

В настоящее время многие лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений (углеводов, аминокислот, терпенов, молочной и винной кислот и др.) и прямым синтезом. Последний также требует хиральных исходных веществ, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают оба энантиомера в равных пропорциях – рацемат. Разделять рацематы или прямо синтезировать лишь один оптически активный энантиомер сложно, и это одна из причин очень высокой стоимости некоторых лекарств. Неудивительно, что из многих сотен синтетических хиральных лекарственных препаратов, выпускаемых во всем мире, примерно лишь десятая часть являются оптически чистыми. В то же время из сотен препаратов, полученных из природного сырья, таковых почти 99 %.

Необходимость в оптически чистых энантиомерах объясняется тем, часто только один из них обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, S(–)‑тироксин (левотроид) – это природный гормон щитовидной железы Т4. А правовращающий R(+)‑тироксин (декстроид) понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия‑палиндромы («перевертыши»), например Darvon и Novrad.

Разное биологическое действие правых и левых изомеров проявляется не только среди лекарственных средств, но также во всех случаях, когда хиральное соединение взаимодействует с живыми организмами. Яркий пример – аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий – горький. Другой пример. Карвон – вещество с очень сильным ароматом (человеческий нос способен почувствовать его при содержании в воздухе всего 17 миллионных долей миллиграмма в литре). Карвон выделяют из тмина, в масле которого его содержится около 60 %. Однако точно такое же соединение с тем же строением молекул находится в масле кудрявой мяты – там его содержание достигает 70 %. Каждый согласится с тем, что запахи мяты и тмина вовсе не одинаковы. Оказалось, что на самом деле карвонов два – правый и левый.

Чем же объясняется различное биологическое действие энантиомеров? Человек, как большинство живых организмов, – существо хиральное. Асимметрично и его тело, и молекулы биологически активных веществ, из которых оно состоит. Например, различие в запахе двух антиподов показывает, что клетки‑рецепторы в носу, ответственные за восприятие запаха, также содержат хиральные молекулы. Молекулы хиральных лекарств, взаимодействуя с определенными хиральными центрами организма, например ферментами, могут действовать по‑разному, в зависимости от того, каким именно энантиомером является лекарство. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке открыть замок зеркальным аналогом правильного ключа или пожать правой рукой левую руку своего гостя. Если лекарство – рацемат, то один из энантиомеров может в лучшем случае оказаться неактивным, в худшем – вызвать совершенно нежелательный эффект. Вот несколько примеров.

Наиболее тщательно действие энантиомеров было изучено на примере антикоагулянта варфарина (антикоагулянты препятствуют свертыванию крови). Варфарин очень близок по строению к другому лекарственному средству – фепромарону, отличаясь на него на одну группу СН2. Действие обоих веществ основано на блокировании витамина К. Было показано, что S(–)‑изомер варфарина почти в 5 раз активнее, чем его R(+)‑антипод, и во столько же раз быстрее выводится из организма. Но самым интересным оказалось взаимодействие варфарина с другими хиральными лекарствами. Так, противовоспалительное средство бутадион блокирует метаболизм S‑варфарина, но ускоряет метаболизм его R формы, способствуя выводу вещества из организма.

Еще сильнее различаются свойства энантиомеров некоторых антиаритмических средств. Так, S(–)‑анаприлин действует в 100 раз сильнее, чем R(+)‑форма! В случае верапамила оба энантиомера обладают сходным эффектом, однако его R(+)‑форма обладает значительно менее сильным побочным кардиодепрессивным (снижающим сердечную деятельность) действием.

Применяющийся для наркоза кетамин может у 50 % пациентов вызвать побочные эффекты в виде возбуждения, бреда и т. п., причем это присуще в основном только R(–)‑изомеру, а также рацемату.

Подобные примеры можно продолжить. Разрабатываются новые способы получения оптически чистых изомеров. Так, изве стная химическая фирма Merck разработала способ производства препарата метилдофа, понижающего артериальное давление. В раствор, содержащий оба изомера, вводят затравку – небольшой кристаллик нужного энантиомера, и он вызывает кристаллизацию только идентичного ему изомера. Но, оказывается, экономически не всегда имеет смысл синтезировать чистые изомеры. Например, для широко применяющегося анальгетика ибупрофена под действием ферментов в организме возможна изомеризация терапевтически неактивной R(–)‑формы в активный S(+)‑изомер, поэтому в данном случае можно использовать значительно более дешевый рацемат.

Вернемся теперь к формуле, изображенной на собаке и волке. Пеницилламин (3,3‑диметилцистеин HS–C(CH3)2–CH(NH2)– –COOH) – довольно простое производное аминокислоты цистеина HS–CH2–CH(NH2)–COOH. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно обладает способностью давать прочные комплексы с ионами этих металлов; образующиеся комплексы удаляются почками. Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, в ряде других случаев. При этом применяют только S ‑форму препарата, так как R‑изомер токсичен и может привести к слепоте.

Дата добавления: 2014-11-25