手性之谜：从药物分子到生命和宇宙

20 世纪 60 年代，一种名为“反应停”的药物曾掀起一场轩然大波。

反应停(Thalidomide，沙利度胺)，1953 年由瑞士CIBA 公司首次合成用于治疗癫痫病，另一家德国格兰泰公司发现“反应停”具有镇静作用，可减轻孕妇的恶心、呕吐症状，并且“不良反应少”。于是该药物在20世纪50年代作为孕妇用药在欧洲风靡一时。但 1960 年后，欧洲医生发现畸形婴儿的出生率明显上升，人们怀疑这些畸形胎儿可能与孕妇服用“反应停”相关。后来的研究发现，“反应停”是一种手性药物，里面暗藏着一对结构成镜像对称的“孪生兄弟”。这对“孪生兄弟”拥有完全相反的“两副面孔”，右旋体“哥哥”具有很好的镇静作用，而左旋体“弟弟”却具有强烈的致畸作用。孕妇吃下去的实际是左、右旋体的混合物，这才酿成了产下四肢短小如海豹的“海豹宝宝”的惨剧。到这一药物下架时，它已导致15000名畸形胎儿出生，这是药物发现史上的重大悲剧，也是药物制备史上的重要转折点。

“反应停事件”促使越来越多的科学家将目光投向了手性分子这类神秘的物质。如何才能避免“海豹宝宝”的惨剧再次上演?手性分子究竟有哪些不为人知的秘密?发现手性这一现象并非始于“反应停”而是起源于对偏振光的认识。

1808年，法国科学家马吕斯在观察晶体时，发现了光的偏振现象，即光的振动方向垂直于光的传播方向，而振动方向垂直于光传播方向的某一固定方向的光称之为偏振光。

1848 年，法国巴黎师范大学的年轻科学家巴斯德在研究葡萄酒酿造过程中产生的酒石酸的晶体时，发现在酒石酸盐晶体中有的晶面向左，有的晶面向右。他用镊子将两种晶体分开，发现这两种不同晶体的溶液，一个具有左旋光，另一个具有右旋光，而等量的混合物则无旋光。他发现物质的旋光性与分子内部结构有关，提出了对映异构体的概念。他认为这两种酒石酸盐晶体，就像手一样对称而不能相互重叠，从而引入了手性及手性分子的概念。

人们在研究对映异构体时，发现由左旋和右旋两种对映异构体的分子中，原子在空间的排列是不重合的实物和镜像关系，与左手和右手互为不能重合的实物和镜像关系类似，从而引入了手性及手性分子的概念。手性一词来源于希腊语“手”(Cheiro)。

所谓手性，是指物体和它的镜像不能重合的特征。所谓手性分子，顾名思义就是具有手性的分子，即构型与其镜像不能重合的分子。两个互为镜像而不能重合的立体异构体，称为对映异构体，简称对映体。对映体是具有相同分子式的化合物，由于原子在空间配置不同，从而产生同分异构现象。异构体都有旋光性，其中一个是左旋的，一个是右旋的，所以对映异构体又称为旋光异构体。

在自然界中，手性是普遍存在的一种现象。大到星云，小到常见的螺蛳壳和贝壳从双子叶植物的两片子叶，到缠绕的植物都是具有手性的。科学家还发现手性现象中绝大多数是右手螺旋，右手螺旋、左手螺旋的比例是20000∶1。

手性与生命的关系非常密切，手性体现在生命的产生和演变过程中，它是生命的本质属性。糖类是组成生命体的基本物质之一，也是手性化合物，自然界存在的糖、淀粉和纤维素中的糖单元都为右旋的(D-构型)。地球上的一切生物大分子的基元材料a-氨基酸，绝大多数为左旋的(L-构型)，而由氨基酸组成的蛋白质是右旋的。核苷酸是右旋的，DNA分子的双螺旋结构多数情况下也是右手的手性构型。与机体功能密切关联的甾体激素、生物碱、信息素等有机小分子绝大多数也都是手性化合物。正因为构成生命蛋白质的氨基酸是手性的，作为药物受体的蛋白质也是手性的，可想而知与之发生作用的药物分子也应具有与之相互对应的手性结构作用于生物体内的药物，其药效多与它们和体内靶分子间的手性相关。在用于治疗的药物中，有许多是手性药物。而手性药物的不同对映异构体，在生理过程中会显示出不同的药效。尤其是当手性药物的一种对映异构体对治疗有效，而另一种对映异构体表现为有害性质时，情况更为严重。

手性化合物最早是从天然有机体中提取和发现的，从天然资源中提取仍然是手性化合物的重要来源，例如糖、氨基酸、萜类、甾体、生物碱等。许多手性纯的药用有效成分是直接从植物中提取的。例如，2015年获得诺贝尔医学或生理学奖的中国科学家屠呦呦教授，她发现的能治疗疟疾的青蒿素就是手性分子，是从青蒿植物中提取的。

历经百年，科学家不断地对手性分子进行探索与研究，并在实践中愈发深刻地认识到手性分子在人类生存和发展过程中的重要作用。尤其是自1980年以来，在生命科学和材料科学领域不断发展进步的有力推动下，手性物质的基础研究和手性技术的开发与应用，逐渐成为当代化学研究的热点和前沿。

关于手性分子和手性技术仍有诸多不解之谜。各种化学计量的拆分及手性源合成仍然是手性化合物制造的主流手段，而看似高效的手性催化技术在具体实施时仍然困难重重。现有的研究手段多是采用筛选和碰运气，并未真正从理论上做到可预测。许多问题亟待人类去探究和解决。比如，能否在掌握疗效和毒副作用的基础上，对已知立体结构的手性药物进行开发，从而获得另一种新药?如何能够大幅提高手性物质的利用效率，从而避免浪费和污染?为何在天然状态下蛋白质几乎都是由左旋氨基酸构成，而糖类大多都是右旋的?生命为什么会青睐这种手性?手性现象是生物进化过程中的偶然性，还是另有不为人知的科学必然性?

整理自《探索化学化工未来世界：值得为之付出一生.2》，金涌主编，北京：清华大学出版社，2022年4月。

编辑排版 | 弢弢

审核 | 六朵 苍翼蝴蝶 陨石

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来源：科协频道

编辑：利有攸往