Biologische Homochiralität: Eines der größten Geheimnisse des Lebens
In jeder Lebensform auf der Erde sind Zucker immer Rechtshänder und die Aminosäuren immer Linkshänder. Was bedeutet das und warum passiert es? Dieses bizarre Phänomen betrifft chirale Moleküle und wird als „Homochiralität“ bezeichnet.“
Chirale Moleküle sind Moleküle derselben Formel, jedoch mit leicht unterschiedlichen Strukturen. Ihre Hand ist ein chirales Objekt, weil es nicht auf seinem Spiegelbild überlagerbar ist; Wenn Sie Ihre linke Hand über Ihre rechte legen, zeigen Ihre Daumen in verschiedene Richtungen. Wenn in organischen Molekülen vier verschiedene Gruppen einen zentralen Kohlenstoff umgeben, hat das Molekül zwei verschiedene chirale Formen, die als Enantiomere bezeichnet werden. Diese beiden Moleküle sind Spiegelbilder voneinander, da die Gruppen um den Kohlenstoff herum in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, wie rechte und linke Hände. In der Chemie werden diese Verbindungen als R- und S-Enantiomere (oder Isomere) bezeichnet. Wenn Aminosäuren oder Zucker jedoch chiral sind, nennen Wissenschaftler sie D- und L-Isomere (Wissenschaftler sind schrecklich darin, Dinge konsistent zu benennen). D- bedeutet „Rechtshänder“ und L- bedeutet „Linkshänder.“
Die D- und L-Isomere sind normalerweise im Verhältnis 50/50 vorhanden. Chemiker nennen dies eine racemische Mischung. Natürlich würden Sie erwarten, dass sie beide gleichermaßen in unserem Körper vorhanden sind, oder? Falsch! Tatsächlich verwenden alle Lebensformen nur L-Aminosäuren und D-Zucker. Die Anwesenheit von nur einem Isomer wird Homochiralität genannt. Von den kleinsten Bakterien bis zu Elefanten bilden nur L-Aminosäuren Proteine und nur D-Zucker Polysaccharide. Mit anderen Worten, alle Proteine sind Rechtshänder und alle Polysaccharide sind Linkshänder *. Warum ist das so? Es ist ein Rätsel, das Biologen seit Jahren verwirrt. Trotz der Bemühungen von Physikern, Chemikern und Evolutionsbiologen wissen wir es immer noch nicht genau. Hier werfen wir einen Blick auf einige der führenden aktuellen Theorien.
*(Es ist zu beachten, dass einige L-Zucker auch über Stoffwechselwege abgebaut werden können. Zucker können Ringe bilden, und der D-Zucker bildet einen stabileren Ring als der L-Zucker, aber L-Zucker kann immer noch existieren. Die Stabilität des Rings kann der Hauptfaktor für die Prävalenz von D-Zuckern sein. Im Folgenden konzentrieren wir uns hauptsächlich auf Aminosäuren, die in biologischen Systemen streng an einer einzigen chiralen Bildung haften.)
Enzyme und Evolution
ie Erde schuf eine „Ursuppe.“
Folgendes wissen wir: die Enzyme in Zellen können nur ein Isomer metabolisieren, aber nicht das andere. Enzyme katalysieren Reaktionen, um Moleküle abzubauen und aufzubauen, indem sie auf sehr spezifische Weise an sie binden. Ein Enzym, das D-Glucose abbaut, kann L-Glucose nicht abbauen. Wenn wir beide Isomere verwenden und aufbauen wollten, müssten wir zwei Sätze von Enzymen haben. Dies würde mehr DNA, mehr Nahrung und viel mehr Energie erfordern. Natürlich wollen Zellen so effizient wie möglich sein, also wäre es anstrengend, einen zusätzlichen Satz von Enzymen zu haben.
Aber wenn wir diese zusätzlichen Enzyme hätten, könnten wir dann nicht auch doppelt so viel Energie aus der Umwelt gewinnen? Wir könnten die anderen 50% der Isomere verwenden, wenn wir die Enzyme hätten, um sie abzubauen, anstatt sie zu verschwenden. Die Antwort hat mit der Evolution und der Ernährungspyramide zu tun.
Als sich das frühe Leben entwickelte, hatte ein Organismus Enzyme, die selektiv mit einem Isomer reagierten. Die Organismen, die diese erste Lebensform aßen, müssten die gleichen selektiven Enzyme haben, um sie zu verdauen. Wenn alle Ihre Lebensmittel nur D-Zucker enthalten, werden Sie es auch tun! Wenn also der Boden der Nahrungskette nur L-Aminosäuren verwendet, breitet sich die Homochiralität auf jeden Organismus in der Nahrungskette aus! Da das Leben zuerst einen Satz Enzyme entwickeln musste, blieben wir bei dieser Selektivität hängen. Der selektive Druck der Evolution zwang jeden neuen Organismus, die gleichen Aminosäuren und Zuckerarten wie zuvor zu verwenden.
Sobald also ein Isomer ausgewählt ist, wird jede Lebensform es verwenden. Aber warum L-Aminosäuren statt D-Aminosäuren und warum D-Zucker statt L-Zucker? Das ist das wahre Geheimnis. Etwas am Anfang des Lebens musste sich übereinander entscheiden. Es ist möglich, dass einige Organismen in den frühen Stadien des Lebens einen Satz von Enzymen entwickelten, während verschiedene Organismen den anderen hatten. Es könnte ein zufälliges Ereignis gewesen sein, das eine Reihe von Enzymen ausgelöscht hat, aber Wissenschaftler sind mit dieser Antwort nicht zufrieden. Es muss einen Grund dafür geben, dass L-Aminosäuren und D-Zucker überlebensfähiger sind als ihre Gegenstücke.
Enter Physics
Racemische Gemische sind 50/50-Gemische der beiden Isomeren. Aber es gibt Grund zu der Annahme, dass es in unserem Sternensystem tatsächlich eine leichte Energiepräferenz für ein Isomer gegenüber dem anderen gibt. Um diese Präferenz zu verstehen, müssen wir tief in die Milchstraße reisen.Unsere Galaxie hat einen chiralen Spin und eine magnetische Orientierung. Dies bewirkt, dass kosmischer Staub das Licht zirkular in eine Richtung polarisiert. Da Licht eine 2-dimensionale Welle ist, breitet es sich grundsätzlich in einer Helix aus. Der kosmische Staub bewirkt, dass sich diese Helix bevorzugt in eine Richtung dreht.
Dieses zirkular polarisierte Licht baut D-Aminosäuren stärker ab als L-Aminosäuren, sodass L-Aminosäuren stabiler sind. Dies wird durch Studien von Meteoren und Kometen unterstützt. Kosmische Materie, zumindest in der Milchstraße, hat aufgrund der zirkularen Polarisation des Lichts eine Vorliebe für L-Aminosäuren.
Eine weitere physikalische Erklärung für die Bevorzugung eines Isomeren gegenüber dem anderen hat mit der elektroschwachen Kraft zu tun. Es gibt vier grundlegende Kräfte, die die Physik bestimmen: Gravitation, Elektromagnetismus, starke Kernkraft und die elektroschwache Kraft (auch bekannt als schwache Kernkraft). Die ersten drei sind achiral: Sie beeinflussen L- und D-Isomere auf die gleiche Weise. Die elektroschwache Kraft wird jedoch von der Chiralität beeinflusst. Die elektroschwache Kraft regelt den radioaktiven Zerfall von Atomen und Molekülen. In diesem Zerfall bleibt die Parität des Universums nicht immer erhalten. Während des Beta-Zerfalls begünstigen emittierte Elektronen eine Art von Spin. Der Spin der Elektronen baut D-Aminosäuren wieder stärker ab als L-Aminosäuren, wodurch sich das Gleichgewicht der Moleküle zugunsten des L-Isomers verschiebt.
Sowohl polarisiertes Licht als auch elektroschwacher Zerfall tragen zu einer leichten Präferenz eines Isomers gegenüber dem anderen in unserer Galaxie. Im Großen und Ganzen reicht diese Diskrepanz jedoch nicht aus, um zu erklären, warum JEDE Lebensform nur D-Zucker und L-Aminosäuren verwendet. Es muss etwas mehr sein. Das führt uns zu…
Autokatalyse
Sobald die Physik einem Isomer einen leichten Vorteil gegenüber dem anderen gibt, gibt es einen chemischen Grund, der den Unterschied verstärkt. Autokatalyse bedeutet, dass die Anwesenheit einer Chemikalie ihre eigene Produktion stimuliert. Um 1950 schlug F.C. Frank vor, dass die dominanten Isomere ihre eigene Produktion aktivieren können, während sie die Produktion des anderen Isomers unterdrücken.
Die obige Grafik veranschaulicht den Punkt. Wenn man mit 3 L-Isomeren und 2 D-Isomeren beginnt, kann das Verhältnis sehr schnell verstärkt werden, so dass die L-Isomere die D-Isomere stark überwiegen. Das L-Isomer stimuliert seine eigene Produktion, und das L-Isomer bindet auch an das D-Isomer in einem Prozess, der als „gegenseitiger Antagonismus“ bezeichnet wird.“ Dies verhindert die Bildung von mehr D-Isomeren, und das L-Isomer wird schnell begünstigt.
Dies war nur ein hypothetischer Rahmen, um zu erklären, warum wir nur L-Aminosäuren und D-Zucker haben. Aber dieses Konzept gewann Unterstützung, als die Soai-Reaktion entdeckt wurde. Dies ist eine Demonstration, wie bestimmte Isomere in biologischen Prozessen gegenüber anderen bevorzugt werden können. Obwohl es keine Hinweise auf eine ubiquitäre Autokatlyse gibt, die Homochiralität verursacht, kann dies in einigen Fällen sicherlich ein Faktor für die Amplifikation sein.
Ein Arbeitsmodell
Die heute populärste Theorie zur biologischen Homochiralität enthält all diese Schlussfolgerungen. Physikalische Phänomene wie polarisiertes Licht und elektroschwache Kraft erzeugen ein leichtes Ungleichgewicht von D- und L-Isomeren. Diese kleine Diskrepanz wird durch Autokatalyse zu einem ungleichmäßigeren Ungleichgewicht verstärkt. Dann, sobald das Leben gebildet wurde, wurde ein einzelnes Isomer zur Bestimmung durch die Nahrungskette und die Spezifität von Enzymen ausgewählt. So sehen wir heute nur noch L-Aminosäuren und D-Zucker.
Diese Theorie hat noch einige Lücken. Es gibt vielleicht nie eine perfekte Erklärung für ein Ereignis, das vor Milliarden von Jahren begann. Aber wir haben jetzt zumindest eine mögliche Lösung für das Geheimnis der biolgischen Homochiralität.
„Geheimnis schafft Wunder, und Wunder ist die Grundlage des Wunsches des Menschen zu verstehen.“ — Neil Armstrong
