Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша - Ларс Орстрём

Рисунок 46. Две необходимые мозгу молекулы и одна, не выполняющая никакой функции. Молекула D-3,4-дигидроксифенилаланина неактивна и является зеркальным отражением молекулы L-допа. Жирные черные линии означают, что эти связи направлены за пределы плоскости бумаги, на которой изображены молекулы, в сторону читателя.

Эта молекула называется L-3,4-дигидроксифенилаланин, или коротко L-допа[289]. Если вы посмотрите на рисунки и вспомните, о чем мы только что говорили, то поймете, что у этой молекулы, казалось бы, гораздо меньше шансов пройти через гематоэнцефалический барьер, поскольку в ней есть не только гидроксильные группы, но еще и заряженный аминокислотный конец – а все, что заряжено, любит воду. Работает это следующим образом: L-допа путешествует в качестве попутчика, прицепляясь к белку, который буквально предназначен для того, чтобы распознавать и прятать этот заряженный конец; то есть чтобы избежать воды, молекула садится в такси, которое перевозит ее через границу.

Следующая проблема – левостороннее движение. Когда молекулы садятся в белковое такси, движение может быть только левосторонним, и молекулы L-допы отлично помещаются на сиденье слева от водителя. Ничего страшного – но лишь в том случае, если в нашем лекарстве присутствует только L-допа. Она известна также как Леводопа, где «лево» заменяет L (от латинского laevus – «левая сторона»), поскольку раствор этого соединения поворачивает поляризованный свет против часовой стрелки. Когда это вещество синтезируют в лаборатории, проблема заключается в том, что обычно в итоге получается смесь L-допы и ее зеркального отражения – D-допы, показанной на рисунке 47.

Представьте себе, что большая плоская часть молекулы L-допы, торчащая слева, – это огромных размеров гипс на вашей левой ноге и ступне и вам требуется такси, чтобы пересечь границу. Когда вы сидите на переднем сиденье машины, у двери обычно больше места, а ближе к сиденью водителя его становится меньше. Следовательно, вам будет удобнее в машине с правым рулем, едущей по левой стороне дороги.

Рисунок 47. L-допа и D-допа – зеркальные молекулы, отличающиеся, как левая и правая руки. Для лечения болезни Паркинсона подходит только левша.

Рисунок 48. Автомобили для правостороннего и левостороннего движения тоже являются зеркальными отражениями друг друга; химики назвали бы их энантиомерами.

Для настоящих молекул D-допы этот эффект выражен еще сильнее: они даже не смогут сесть в машину, а если бы и сели, то фермент, который отсекает карбоксильный конец в L-допе и преобразует его в необходимый дофамин, не признал бы D-допу.

Итак, очевидно, что нам нужна только L-допа, которую мы будем давать пациентам с болезнью Паркинсона. Однако на деле это оказывается сложнее, чем на словах. Такие молекулы, у которых есть зеркальные варианты, не являющиеся при этом идентичными (совсем как левая и правая руки), называются оптически активными, или, если выражаться более точно, хиральными[290]; долгое время их можно было получить только из биологических источников. Каждый раз, когда химики пытались добиться этого в лаборатории, в круглой лабораторной колбе появлялись молекулы и левого, и правого вращения; этим фактом ловко воспользовались в качестве сюжетного хода Дороти Сэйерс и Роберт Юстас в романе «Следственные документы», опубликованном в 1930 году[291].

Однако с 30-х годов мы проделали большую работу, и сегодня химики регулярно получают в лаборатории любой из зеркальных вариантов (или энантиомеров, как мы предпочитаем их называть) большого числа молекул. Это по-прежнему сложная и дорогостоящая задача, особенно для массового производства, поэтому многие из моих друзей, занимающихся органической химией, посвящают свою исследовательскую карьеру тому, чтобы найти новые улучшенные методы ее решения.

К счастью для больных болезнью Паркинсона, проблему с L-допой еще в богатом на важные события 1968 году решил Уильям Ноулз, химик-технолог в американской химической компании Monsanto. Уже тогда было ясно, что эта молекула будет пользоваться большим спросом, гораздо более высоким, чем тот, который в состоянии удовлетворить природные источники, и в 1974 году началось ее промышленное производство. Это произошло через 14 лет после того, как Арвид Карлссон из Университета Гётеборга впервые предложил L-допу в качестве лекарства от болезни Паркинсона.

Я не стану вдаваться в детали работы этих двух джентльменов – она в достаточной мере описана в других источниках, в частности на сайте Фонда Нобеля, так как оба они стали лауреатами Нобелевской премии за исследования L-допы: Карлссон получил премию в 2000 году за достижения в области физиологии или медицины, а Ноулз в 2001 году был награжден премией по химии. Однако важнейшей частью промышленного способа производства L-допы является катализ с использованием ценного металла родия, а поскольку катализ – центральная концепция современной химии, этот процесс заслуживает дальнейшего рассмотрения.

К настоящему моменту у вас есть хотя бы туманное представление о катализаторах – веществах, которые заставляют химическую реакцию идти гораздо быстрее, не расходуясь при этом в процессе; однако вы, возможно, не осознаете фундаментальной важности, которую это понятие будет иметь для нас в будущем. Если химическая реакция протекает недостаточно быстро, то что нам делать в отсутствие подходящего катализатора? Мы задаем ей взбучку, чаще всего при помощи тепла, и если делать это круглосуточно, то затраты на энергию будут очень высоки. Другая проблема – то, что мы называем выходом реакции и побочными продуктами. Хороший катализатор превращает большее количество реагентов в полезный продукт и производит меньше отходов. Не менее важно и то, что в этом случае будет меньше проблем с отделением полезных веществ от нежелательных молекул, так как в большинстве промышленных химических процессов эта задача требует существенных энергозатрат.