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所见所闻

无处不在的手性现象

点击数:116952013-12-25 09:14:54 来源: 武汉励合化学新材料有限公司,专注手性化合物的研究与生产

新闻摘要:当您在自我欣赏着自己的左右手时,您是否由衷地感叹上帝赋予人类如此绝伦的对称之美。但是,您能使自已的左右手重合吗?不可能!这就是手性。手性所描述的事物多姿多彩。大至星系旋臂、行星自转、大气气旋,小到矿物晶体、有机分子、弱相互作用的宇称不守恒。从无生命的物体,到生命现象,都有手性的倩影。

当您在自我欣赏着自己的左右手时,您是否由衷地感叹上帝赋予人类如此绝伦的对称之美。但是,您能使自已的左右手重合吗?不可能!这就是手性。手性所描述的事物多姿多彩。大至星系旋臂、行星自转、大气气旋,小到矿物晶体、有机分子、弱相互作用的宇称不守恒。从无生命的物体,到生命现象,都有手性的倩影。

在植物学中,手性是一个重要形态特征,左右对称的形态及攀缓和缠绕植物的茎蔓旋向,都涉及手性。植物的手性很明显,存在着奇奇怪怪的左撇子。

植物的叶、花、果实、根和茎可生长成左旋或右旋。如同右撇子人的右手发育更强壮有力一样,右撇子植物的右边叶子生长更强壮,左边则差一些。

植物对自己的撇劲还真够倔犟。当你把右旋的喇叭花蔓强行左旋缠绕,它会自动恢复右旋。不少植物所结豆荚成熟爆裂后豆荚皮呈螺旋形,同样有左旋,有右旋。

攀缓的蛇,有的左旋运动,有的右旋运动。蜗牛多是右撇子,左旋的十分稀少。 海螺却是右撇子世家,出现左旋螺壳概率是百万分之一。能收集到左旋螺壳,则为稀世珍品。

蟹钳左右是不对称的,一边大,一边小,绝大多数左边的蟹钳大。

龙虾的两只钳子通常也不对称,“左撇子”龙虾的左钳子大些,更有力,“右撇子”龙虾的右钳子大些,更强劲。

微生物中的许多细菌是螺旋状的,同样有左旋右旋之分。手性作为生物的一种基本性质,对生物的生存具有重要的意义。巴斯德说:“生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的,生命受不对称作用支配。”生物表现的手性特征是生物的整体特征,必然受制于生物内部的微观结构。探索生物左撇子现象的奥秘,也许是揭开生命之谜的钥匙。

DNA螺旋的解旋与复制,演奏着世界上最美妙的生命乐章。

在粒子世界中,微观粒子的自旋也有左旋和右旋之分。 神奇的超导现象正是由于电子与振动晶格的相互作用,使具有相反方向自旋和角动量的电子结成“超导态”而产生的,是电子“左撇子”和“右撇子”合作的造化,成就了超导现象。即使是最基本的物理学定律,也有不循规蹈矩的左撇子。在物理学的守恒定律中有一条宇称守恒定律,宇称相当于手性,这好象一台钟放在镜子前,它的指针沿顺时针方向旋转,镜象中时钟的指针则沿反时针方向旋转,但两个钟的快慢是完全一致的。这就是说,物理规律是左右对称的,即宇称是守恒的。

一个电子和一个反电子区别在于同质反性(质量相同,电性一正一反),自旋和角动量方向也相反。其它基本粒子也是一样,并由这些反粒子组成反物质。如果把我们现实物质世界当作右撇子世界的话,那就存在一个与之镜象对称的左撇子物质世界。反物质可不可能在“宇宙”的量级上与物质世界对称?如果真是这样,宇宙在真空中产生,一半是我们的宇宙,另一半是反物质的宇宙,二者构成一个统一的宇宙。

 对称和不对称是自然的属性之一,物质在存在形态上和其运动的方式上都有“左撇子”和“右撇子”。手性是对称性的一种,对称有各种形式。一朵黄瓜花有五个花瓣,每旋转五分之一圈即重合一次,这叫做旋转对称性。陀螺旋动,藤蔓攀缓,气象旋风都是旋转。然而我们的左右手,无论是旋转、平移,还是放大缩小,都无法重合。只有在镜子中,你右手的镜象才能和左手重合,所以手性对称性也叫镜像反射对称性。

“手性”同样存在于微观世界之中。

当一个分子镜像不能与这个分子本身重合时,这个分子就是一个手性分子。手性分子的研究在生命科学、制药以及材料科学中起着重要的作用。分子往往要通过分子之间的相互作用来实现其功能。要求分子本身必须具有手性或者非手性,这就成为在分子层次上研究手性的科学探索。天然氨基酸,乳酸都存在手性。

在化学中,手性分子的识别是通过其光学特征进行的。不同手性的分子具有不同的光学活性。能使平面偏振光按顺时针方向旋转的对映体称右旋体,记作(+)或者D,反之称作左旋体,记作(—)或者L。当等量的对映体分子混合在一起时,不再引起平面偏振光的旋转,液体无旋光性,称外消旋体,记作(±)或者DL。

 手性分子的性质有时差不多,有时差别极大,对人而言甚至一种有利,一种有害。化学式为C17H20O的努特卡酮两种对映体的柚香竟然相差750倍之多。有一种叫“反应停”的合成药物,是两种对映体的混合物。上个世纪欧洲曾给妊娠妇女服用“反应停”来镇痛和止咳,结果不少妇女生下许多怪胎。有的无头,有的缺胳膊少腿,甚至手长在肩膀上。这种药的右旋体的确有镇静作用,而左旋体却有强烈的致畸作用。这次左撇子之祸可惹大了,一下造出了一万两千多个畸形儿!沉痛的教训教育了人们,要仔细分析药物的左撇子和右撇子。

对人的嗅觉起作用的受体也是由手性分子构成的,手性匹配才能产生可感受到的嗅觉。一些昆虫激素也有手性选择性,某种手性激素只能吸引雄性,其对应体则只能吸引雌性。在药品当中,药品名称相同但手性构型不同时,药性也不同。如四米唑的左旋体是驱蠕虫药,而右旋体是抗抑郁药;甲状腺素钠的左旋体是甲状腺激素,而右旋体是降血脂良药。药物的疗效也在于生物器官受体本身的分子结构的旋向与药物分子的旋向相匹配。如今手性药物的开发与合日益被人类所看重。2001诺贝尔化学奖就是奖给手性合成的化学家。利用手性技术将药物中不起作用甚至有毒副作用的成分剔除,生产出具有单一旋向的纯手性药物,在治疗疾病时疗效更高,疗程更短。药物分子中的左撇子和右撇子这次可要分家了。现在这种纯左撇子或右撇子的手性药物的销售额已占全球药物销售额的三分之一,在最畅销的500种药物中占了一半以上,并还在不断增长。

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