biologisk Homochiralitet: En af Livets Største Mysterier
I enhver form for liv på Jorden, sukker er altid højre hånd, og de aminosyrer, der er altid venstrehåndede. Hvad betyder det, og hvorfor sker det? Dette bisarre fænomen involverer chirale molekyler og er kendt som “homochiralitet.”
chirale molekyler er molekyler med samme formel, men med lidt forskellige strukturer. Din hånd er en chiral genstand, fordi den ikke kan overlejres på dens spejlbillede; når du placerer din venstre hånd over din højre, peger tommelfingrene i forskellige retninger. I organiske molekyler, når fire forskellige grupper omgiver et centralt kulstof, vil molekylet have to forskellige chirale former kaldet enantiomerer. Disse to molekyler er spejlbilleder af hinanden, da grupperne omkring kulstof er orienteret i forskellige retninger, som højre og venstre hånd. I kemi kaldes disse forbindelser R og S enantiomerer (eller isomerer). Men når aminosyrer eller sukkerarter er chirale, kalder forskere dem D og L isomerer (forskere er forfærdelige ved at navngive ting konsekvent). D-betyder ” højrehåndet “og L – betyder “venstrehåndet”.”
d-og L-isomerer er normalt til stede i et 50/50-forhold. Kemikere kalder dette en racemisk blanding. Naturligt, du forventer, at de begge er lige til stede i vores kroppe, højre? Forkert! Faktisk bruger alle livsformer kun L-aminosyrer og D-sukkerarter. Tilstedeværelsen af kun en isomer kaldes homochiralitet. Fra de mindste bakterier til elefanter udgør kun L-aminosyrer proteiner, og kun D-sukkerarter udgør polysaccharider. Med andre ord er alle proteiner højrehåndede, og alle polysaccharider er venstrehåndede*. Hvorfor er det? Det er et mysterium, der har forvirret biologer i årevis. På trods af den bedste indsats fra fysikere, kemikere og evolutionære biologer ved vi stadig ikke med sikkerhed. Her vil vi se på nogle af de førende aktuelle teorier.
*(det skal bemærkes, at nogle l-sukkerarter også kan nedbrydes af metaboliske veje. Sukker kan danne ringe, og D-sukkeret danner en mere stabil ring end L-sukkeret, men L-sukker kan stadig eksistere. Stabiliteten af ringen kan være den største bidragyder til forekomsten af D-sukkerarter. Nedenfor vil vi primært fokusere på aminosyrer, som strengt overholder en enkelt chiral dannelse i biologiske systemer.)
udvikling
>
Her er hvad vi ved: celler kan kun metabolisere en isomer, men ikke den anden. Reaktioner til at nedbryde og opbygge molekyler ved at binde til dem på meget specifikke måder. D-glucose vil ikke være i stand til at nedbryde L-glucose. Hvis vi ville bruge og bygge begge isomerer, skulle vi have to sæt. Dette ville kræve mere DNA, mere mad og meget mere energi. Celler ønsker naturligvis at være så effektive som muligt, så at have et ekstra sæt af stoffer ville være beskatning.
men hvis vi havde disse ekstra tegn, kunne vi ikke også få dobbelt så meget energi fra miljøet? Vi kunne bruge de andre 50% af isomerer, hvis vi havde dem til at nedbryde dem i stedet for at spilde dem. Svaret har at gøre med evolution og madpyramiden.når det tidlige liv udviklede sig, ville en organisme have symptomer, der selektivt reagerer med en isomer. De organismer, der spiste denne første livsform, skulle have de samme selektive stoffer for at fordøje dem. Hvis al din mad kun indeholder D-sukker, så vil du også! Så hvis bunden af fødekæden kun bruger L-aminosyrer, vil homochiralitet sprede sig til enhver organisme i fødekæden! Da livet først skulle udvikle et sæt tegn, vi endte med at sidde fast med den selektivitet. Selektivt tryk fra evolution tvang hver ny organisme til at bruge de samme aminosyrer og sukkertyper som dem før den.
så når en isomer er plukket, vil enhver form for liv bruge den. Men hvorfor L-aminosyrer i stedet for D-aminosyrer, og hvorfor D-sukker i stedet for L-sukker? Dette er det virkelige mysterium. Noget i begyndelsen af livet måtte vælge den ene over den anden. Det er muligt, at nogle organismer i de tidlige stadier af livet udviklede et sæt forskellige organismer, mens forskellige organismer havde det andet. Det kunne have været en tilfældig begivenhed, der udslettede en linje, men forskere er ikke tilfredse med dette svar. Der må være en eller anden grund til, at L-aminosyrer og D-sukkerarter er bedre for overlevelse end deres modstykker.
Enter Physics
racemiske blandinger er 50/50 blandinger af de to isomerer. Men der er grund til at tro, at der i vores stjernesystem faktisk er en lille energipræference for den ene isomer frem for den anden. For at forstå denne præference er vi nødt til at rejse dybt ind i Mælkevejen.
vores galakse har en chiral spin og en magnetisk orientering. Dette får kosmisk støv til cirkulært at polarisere lys i en retning. Dybest set, fordi lys er en 2-dimensionel bølge, vil den formere sig i en spiral. Det kosmiske støv får denne spiral til at rotere fortrinsvis i en retning.
polariseret lys. Den modsatte polarisering drejer i den anden retning.
dette cirkulært polariserede lys nedbryder D-aminosyrer mere end L-aminosyrer, så L-aminosyrer er mere stabile. Dette understøttes af undersøgelser af meteorer og kometer. Kosmisk stof, i det mindste i Mælkevejen, har en præference for L-aminosyrer på grund af den cirkulære polarisering af lys.
en anden fysisk forklaring på præference for en isomer frem for den anden har at gøre med elektrosvagkraften. Der er fire grundlæggende kræfter, der styrer fysik: gravitation, elektromagnetisme, stærk atomkraft og elektrosvag kraft (aka svag atomkraft). De første tre er achiral: de påvirker L – og D-isomerer på samme måde. Den elektrosvage kraft påvirkes imidlertid af chiralitet. Den elektrosvage kraft styrer det radioaktive henfald af atomer og molekyler. I dette forfald bevares universets paritet ikke altid. Under beta-henfald favoriserer udsendte elektroner en type spin. Elektronernes spin nedbryder igen D-aminosyrer mere end L-aminosyrer, hvilket får molekylernes balance til at skifte til fordel for L-isomeren.
både polariseret lys og elektrosvag forfald bidrager til en lille præference af en isomer frem for den anden i vores galakse. Men i den store ordning af ting er denne uoverensstemmelse ikke nok til at forklare, hvorfor hver livsform kun bruger D-sukker og L-aminosyrer. Der må være noget mere. Hvilket fører os til …
Autokatalyse
Når fysik giver en lille kant til en isomer over den anden, er der en kemisk grund, der forstærker forskellen. Autokatalyse betyder, at tilstedeværelsen af et kemikalie stimulerer sin egen produktion. Omkring 1950 foreslog F. C. Frank, at de dominerende isomerer kan aktivere deres egen produktion, mens de undertrykker produktionen af den anden isomer.
ovenstående grafik illustrerer punktet. Når man starter med 3 L-isomerer og 2 D-isomerer, kan forholdet forstærkes meget hurtigt, så L-isomerer overstiger i høj grad D-isomerer. L-isomeren stimulerer sin egen produktion, og L-isomeren binder også til D-isomeren i en proces kaldet “gensidig antagonisme.”Dette forhindrer dannelsen af flere D-isomerer, og L-isomeren foretrækkes hurtigt.
dette var bare en hypotetisk ramme for at forklare, hvorfor vi kun har L-aminosyrer og D-sukkerarter. Men dette koncept fik støtte, da Soai-reaktionen blev opdaget. Dette er en demonstration af, hvordan visse isomerer kan favoriseres frem for en anden i biologiske processer. Selvom der ikke er noget bevis for allestedsnærværende autokatlyse, der forårsager homochiralitet, kan det bestemt være en faktor for forstærkning i nogle tilfælde.
en arbejdsmodel
I Dag inkluderer den mest populære teori for biologisk homochiralitet alle disse konklusioner. Fysiske fænomener som polariseret lys og elektrosvag kraft skaber en lille ubalance mellem D-og L-isomerer. Denne lille uoverensstemmelse forstærkes til en mere ujævn ubalance ved autokatalyse. Derefter, når livet blev dannet, blev en enkelt isomer hurtigt udvalgt af fødekæden og specificiteten af ensymer. Således ser vi i dag kun L-aminosyrer og D-sukkerarter.
denne teori har stadig nogle huller. Der er måske aldrig en perfekt forklaring på en begivenhed, der begyndte for milliarder af år siden. Men vi har nu i det mindste en potentiel løsning på mysteriet om biolgisk homokiralitet.
“mysterium skaber undring, og undring er grundlaget for menneskets ønske om at forstå.”—Neil Armstrong
