為什麼很多藥物要有特定的手性？

| 作者：馮大誠

科學網新聞6月26日頭條的一個標題是《中國科大制出分離「神器」 可高效分辨「真假悟空」》，光看標題，一頭霧水。點進去一看，才知道是報道了該校一課題組「開發出高度穩定的手性分離膜」，以高效分離手性不同的分子。這應當是一個非常好的工作。如果標題上寫明了分離手性分子，像我這樣對具體怎麼分離不大感興趣的人，就不一定會點進去看了，看來「標題黨」還是有點用處的。

看完報道，心裡想，如果一個不是學化學的人，對於什麼是手性分子、為什麼許多藥物分子必須有特定的手性這些問題也不一定會有多少了解，而科學發展到今天，分子的手性問題應當是每一個老百姓都知道的常識。所以決定順便寫幾句，希望讓更多的人能夠初步了解一點這方面的知識。

大家都知道，一種物質會有什麼性質，首先決定於它的組成，如水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成、甲烷分子由一個碳原子和四個氫原子組成等等。但是，有時候光看組成成分還不行，還要看這些原子之間是怎麼連接的。例如，乙醇（酒精）和二甲醚的組成都是C2H6O，但是由於這些原子連接的方式不同（如下圖），

所以使得乙醇和二甲醚的性質彼此相差很大。二甲醚在常溫下是氣體，聞多了會被麻醉，這些都與酒精完全不同。

那麼，如果兩種物質的組成成分相同，原子之間的連接方式也相同，是不是它們的性質就完全相同了呢？也不一定。

舉一個例子，我們都知道牛奶放時間長了要變酸，那是牛奶中的乳糖氧化了，變成了乳酸，我們喝的酸奶里就有乳酸。乳酸的結構經過化學家測定，是

也就是說，乳酸分子的中間是一個碳原子C，與這個C原子相連接的有4個基團，它們分別是氫原子H、羥基OH、甲基CH3和羧基COOH。

人們又發現，在動物（包括我們人類）的肌肉中，也有乳酸。經過測定，它與酸奶中的乳酸一樣的成分、原子的連接方式也一樣，但是，兩種乳酸卻有不同的熔點。酸奶中得到的的乳酸熔點只有十七八攝氏度，而肌肉中提取的乳酸的熔點則要高一些，有五十多攝氏度，如果不大很純的話，熔點會下降得很厲害。

這是什麼原因呢？我們需要看一看這個分子的立體結構。上面說過，乳酸是一個中心碳原子上連接著4個不同的基團。要注意，這4個基團並不都在一個平面上，它們分別位於以C原子為中心的四面體的四個角上。打一個比方，這是一個蛋黃粽子形的，C原子是粽子中間的蛋黃，那4個基團在粽子的4個角上。

但是，四個基團的擺法卻有兩種，如上圖左右兩邊所示，這就是乳酸的兩個不同的構型。從肌肉中提取的乳酸，被證明是左邊的構型，而酸奶里的乳酸則是兩個構形的混合物，左右兩個構型各佔一半。我們用普通化學合成方法製備得到的乳酸也是兩個構型各佔一半的混合物。

同時我們也注意到，由於這是一個正四面體，可以翻來覆去掉個兒，但是無論怎麼掉，擺法只有這兩種。而這兩種構型是對映的，如果上圖中間的黑線代表一面鏡子，那麼如果一邊是實物，另一面就是它在鏡子裡面的像。

這樣的關係，正如我們的左右兩手。請伸出你的雙手看一下，雙手的結構組成都是一樣的，但是無論怎麼樣掉個兒，左手都成不了右手。而左右兩手也正好各自成為對方在鏡子裡面的像，或者說，它們是對映的。

所謂「有機物」就是與生物（當然包括我們人類自己）有關的化合物，基本上都是碳元素的化合物。眾所周知，碳最主要的化合價是4價，也就是說，每一個碳原子與另外四個原子連接，碳原子居於四面體的中心，就像上面乳酸的情況一樣。如果與碳原子相連的4個基團都不相同（這樣的碳原子被稱為不對稱碳原子），那麼都會與乳酸一樣，有與我們的雙手類似的兩種不同構型。這樣的化合物，我們稱之為手性化合物。當然，容易證明，中心碳原子上連接的基團如果有兩個基團相同，就不會出現上面所說的兩種不同的手性（這樣的碳原子就不是不對稱碳原子）。

由於兩種對映的手性化合物的化學組成、結構都一樣，如果手性化合物與沒有手性的分子相互作用，發生化學反應，那麼，不同手性化合物之間的差別將很難分辨。只有與具有不對稱碳原子的化合物作用時，它們之間的差別才能夠分辨出來。打一個比方，左手或右手在拿某一個沒有手性的物體比如去拿一個乒乓球拍子時，並沒有什麼差別，但是，當它們去戴手套時，差別就出來了，左手只能戴左手套，右手只能戴右手套，不然就戴不合適。

是不是真的存在上面所說的兩種構型呢？現在我們已經可以用X射線衍射的原理「看到」原子的位置了。但是，對於手性分子的三維結構的設定卻是一百多年前化學家的猜想。那時候人們並沒有「看到過」原子和分子，更不知道原子的內部結構。但是，化學家根據物質的化學性質，猜測出這些分子的立體結構，他們把與上圖左側那樣的乳酸稱為D-乳酸，右側的稱為L-乳酸。

乳酸可以由甘油醛經過化學反應得到，乳酸與甘油醛結構相似。只是有兩個取代基不同。化學家把甘油醛作為出發點，把從D-甘油醛出發可以製備得到的化合物稱為是D構型的，而由L-甘油醛出發制的化合物稱為L構型的。而現代X射線衍射方法看到分子三維結構，證實了當初化學家的設想是正確的，所以如今在描述糖、氨基酸分子的手性時，仍然沿用這些「老的」符號。

作為生物最重要能源的糖類——例如葡萄糖等，都有多個不對稱碳原子，因而都是手性化合物。有意思的是，天然產物中的糖，基本上都是D-構型的，只存在極其個別的L-構型的糖。

我們身體的最重要的結構成分是蛋白質。蛋白質是由氨基酸組成的。而氨基酸中除了最簡單的甘氨酸之外，也都有不對稱碳原子，因而都是手性化合物。也很有趣的是，天然的氨基酸都是L-構型的。

這樣的事實也說明我們地球上的所有生物包括微生物、植物和動物，似乎都是由同一個「老祖宗」發展而來的。

藥物分子與人體組織的作用是很複雜的。有的是小分子之間的化學反應，有些是藥物小分子與蛋白質大分子之間的化學反應，有些則是藥物小分子與蛋白質大分子之間的靜電相互作用。這樣，由於人體組織的蛋白質上都有不對稱碳原子，所以許多能夠與人體組織起藥理作用的藥物分子往往必須持某一個特定的手性。

由於藥物分子一般都有毒副作用，如果該藥物是兩種手性分子的混合物（通常化學合成製備而得的產物都是如此），那麼就有一半分子沒有藥理作用，只有毒副作用。這是很糟糕的事情。所以，我們常常需要去除掉一半沒有藥理作用的那種手性化合物。我們在藥物名稱上有時會看到如「左旋某某葯」或「右旋某某葯」，那就是表明這種藥物是去除了沒有藥理作用的那一半手性化合物的了。

要去除沒有藥理作用的那一半手性化合物，不是一件容易的工作。原因也很簡單，就是不同手性化合物的物理性質都一樣，化學性質只有在與手性分子反應時才顯示出來。所以，本文開始提到的「科學網·新聞」上的文章把它們比喻成「真假悟空」也是有道理的。要能夠分辨並分離這些「真假悟空」雖然困難，但是意義重大。

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