为什么药物也要分左右

提起手性分子，也许很多人感到很陌生，实际上它和我们的生活关系密切。左氧氟沙星滴眼液、左旋氨氯地平片、右兰索拉唑胶囊……稍加留心你就会发现，不少药物名字有“左右”之分，这些药物就是由特定手性的分子构成的。那么为什么药物也要分左右呢？

双手互成镜像

大家都知道，一种物质有什么性质，首先决定于它的组成，如：水分子由1个氧原子和2个氢原子组成，甲烷分子由1个碳原子和4个氢原子组成，等等。但是，有时候只看组分还不行，还要看原子之间是怎么连接的。例如：乙醇(酒精)和二甲醚的组成都是C2H6O，但是如图1所示，这些原子连接的方式不同，所以乙醇和二甲醚的性质相差很大。二甲醚在常温下是气体，闻多了会被麻醉，这些都与酒精完全不同。

那么，如果两种物质的组成成分相同，原子之间的连接方式也相同，它们的性质是不是就完全相同呢？也不一定。

举一个例子。我们知道牛奶放的时间长了会变酸，那是因为牛奶中的乳糖氧化了，变成了乳酸，我们喝的酸奶里就有乳酸。经过化学家测定，乳酸的结构如图2所示。也就是说，乳酸分子的中间是1个碳原子(C)，与这个碳原子相连的有4个基团，它们分别是氢原子(H)、羟基(OH)、甲基(CH3)和羧基(COOH)。

人们又发现，动物(包括人类)的肌肉中也有乳酸。经过测定，它与酸奶中乳酸的成分一样、原子的连接方式也一样，但是，两种乳酸的熔点不同。酸奶中得到的乳酸的熔点只有十七八摄氏度;而肌肉中提取的乳酸的熔点则要高一些，有50多摄氏度，如果纯度不高的话，熔点会下降得很厉害。

这是什么原因呢?我们需要看一看乳酸分子的立体结构。前面说过，乳酸是1个中心碳原子上连接着4个不同的基团。要注意，这4个基团并不在一个平面上，它们分别位于以碳原子为中心的四面体的4个角上。打一个比方，乳酸是一个蛋黄粽子形的分子，碳原子是粽子中间的蛋黄，那4个基团在粽子的4个角上。

但是，4个基团的摆法有两种，如图3所示，这就是乳酸的两种不同的构型。从肌肉中提取的乳酸，被证明是左边的构型;而酸奶里的乳酸则是两种构型的混合物，左右两种构型各占一半。用普通化学合成方法制备得到的乳酸也是两种构型各占一半的混合物。

同时我们也注意到，这是一个正四面体，可以翻来覆去掉个儿，但是无论怎么掉，摆法只有这两种。而这两种构型是对映的，如果图3中间的黑线代表一面镜子，那么如果一边是实物，另一面就是它在镜子里面的像。

这样的关系，正如我们的左右两手。请伸出你的双手看一下，双手的结构组成都是一样的，但是无论怎么样掉个儿，左手都成不了右手。而左右两手也正好各自成为对方在镜子里面的像，或者说，它们是对映的。

手套不能戴错

所谓“有机物”(也就是与生物有关的化合物)，基本上都是碳元素的化合物。众所周知，碳最主要的化合价是4价。也就是说，每1个碳原子与另外4个原子连接，碳原子居于四面体的中心，就像上面乳酸的情况一样。如果与碳原子相连的4个基团都不相同(这样的碳原子被称为不对称碳原子)，那么这样的化合物都会与乳酸一样，有与我们的双手类似的两种不同构型。这样的化合物，我们称之为手性化合物。当然，容易证明，中心碳原子上连接的基团如果有2个基团相同(这样的碳原子就不是不对称碳原子)，就不会出现两种不同的手性。

两种对映的手性化合物的化学组成、结构都一样，如果手性化合物与没有手性的分子相互作用，发生化学反应，那么，不同手性化合物之间的差别很难分辨。只有与具有不对称碳原子的化合物作用时，不同手性化合物之间的差别才能够分辨出来。打一个比方：左手或右手在拿某一个没有手性的物体(比如一只乒乓球拍)时，并没有什么差别;但是戴手套时，差别就出来了，左手只能戴左手套，右手只能戴右手套，不然就不合适。

是不是真的存在上面所说的两种构型呢?现在化学家可以用X射线衍射的原理“看”到原子的位置。但是，手性分子的三维结构是100多年前化学家的猜想。那时候人们并没有“看”到过原子和分子，更不知道原子的内部结构。但是，化学家根据物质的化学性质，推测出这些分子的立体结构，他们把图3右侧那样的乳酸称为D-乳酸，左侧的称为L-乳酸。

乳酸可以由甘油醛经过化学反应得到。乳酸与甘油醛结构相似，只是有两个取代基不同。化学家以甘油醛作为出发点，把从D-甘油醛制备得到的化合物称为D构型的，而由L-甘油醛制备的化合物称为L构型的。现代X射线衍射方法“看”到的分子三维结构，证实了当初化学家的设想是正确的，所以如今在描述糖、氨基酸分子的手性时，仍然沿用这些“老的”符号。

“左右”关乎药效

作为生物最重要能源的糖类(例如葡萄糖等)，都有多个不对称碳原子，因而都是手性化合物。有意思的是，天然产物中的糖，基本上都是D构型的，只存在极个别的L构型的糖。

我们身体最重要的结构成分是蛋白质。蛋白质是由氨基酸组成的，而氨基酸中除了最简单的甘氨酸之外，都有不对称碳原子，因而都是手性化合物。同样有趣的是，天然的氨基酸都是L-构型的。

这样的事实也说明，地球上的所有生物包括微生物、植物和动物，似乎都是由同一个“老祖宗”发展而来的。

药物分子与人体组织的作用是很复杂的。有些是小分子之间的化学反应，有些是药物小分子与蛋白质大分子之间的化学反应，有些则是药物小分子与蛋白质大分子之间的静电相互作用。由于人体组织的蛋白质上都有不对称碳原子，所以许多能够对人体组织起药理作用的药物分子往往必须有某一个特定的手性。

药物分子一般都有毒副作用，如果某药物是两种手性分子的混合物(通常化学合成制备而得的产物都是如此)，那么就有一半分子没有药理作用而只有毒副作用。这是很糟糕的事情。所以，在制药过程中常常需要去除没有药理作用的那一半手性化合物。我们在药物包装上有时会看到如“左旋某某药”或“右旋某某药”等名称，那就是表明这种药物去除了没有药理作用的那一半手性化合物。

要去除没有药理作用的那一半手性化合物，不是一件容易的工作。原因很简单，就是不同手性化合物的物理性质都一样，化学性质只有在与手性分子反应时才显示出来。所以，有人将制药过程中得到的不同手性的同分异构体比喻成“真假悟空”。要分辨并分离这些“真假悟空”虽然困难，但是意义重大。

文/冯大诚

本文来自《科学画报》