biológiai Homokiralitás: Az Élet egyik Legnagyobb Rejtélye
minden élőlény a Földön, cukorral mindig jobb kezes, illetve az aminosavak mindig balkezes. Mit jelent ez, és miért történik ez? Ez a bizarr jelenség királis molekulákat foglal magában, és “homochiralitásnak” nevezik.”
a királis molekulák azonos képletű molekulák, de kissé eltérő szerkezetűek. A kezed királis tárgy, mert nem alkalmazható a tükörképére; amikor bal kezét a jobb fölé helyezi, a hüvelykujja különböző irányokba mutat. A szerves molekulákban, amikor négy különböző csoport veszi körül a központi szenet, a molekulának két különböző királis formája lesz, az úgynevezett enantiomerek. Ez a két molekula egymás tükörképe, mivel a szén körüli csoportok különböző irányokba vannak orientálva, mint a jobb és a bal kéz. A kémiában ezeket a vegyületeket R és S enantiomereknek (vagy izomereknek) nevezzük. Amikor azonban az aminosavak vagy a cukrok királisak, a tudósok D és L izomereknek nevezik őket (a tudósok szörnyűek a dolgok következetes elnevezésében). D-jelentése “jobbkezes”, L – jelentése “Balkezes”.”
A D és L izomerek általában 50/50 arányban vannak jelen. A vegyészek ezt racém keveréknek nevezik. Természetesen azt várnánk, hogy mindkettő egyformán jelen legyen a testünkben, igaz? Hibás! Valójában minden életforma csak l-aminosavakat és D-cukrokat használ. Csak egy izomer jelenlétét nevezzük homochiralitásnak. A legkisebb baktériumoktól az elefántokig csak az L-aminosavak alkotják a fehérjéket, és csak a D-cukrok alkotják a poliszacharidokat. Más szavakkal, az összes fehérje jobbkezes, az összes poliszacharid pedig Balkezes*. Miért van ez? Ez egy rejtély, amely évek óta zavarba hozza a biológusokat. A fizikusok, vegyészek és evolúciós biológusok legnagyobb erőfeszítései ellenére még mindig nem tudjuk biztosan. Itt, vessünk egy pillantást néhány vezető jelenlegi elméletre.
*(meg kell jegyezni, hogy egyes L-cukrok metabolikus utakon is lebonthatók. A cukrok gyűrűket alkothatnak, a D-cukor pedig stabilabb gyűrűt képez, mint az L-cukor, de az L-cukrok továbbra is létezhetnek. A gyűrű stabilitása lehet a fő hozzájáruló a D-cukrok prevalenciájához. Az alábbiakban elsősorban az aminosavakra összpontosítunk, amelyek szigorúan betartják a biológiai rendszerek egyetlen királis képződését.)
enzimek és evolúció
itt van, amit tudunk: a sejtekben lévő enzimek csak az egyik izomert képesek metabolizálni, a másikat nem. Az enzimek katalizálják a reakciókat a molekulák lebontására és felépítésére azáltal, hogy nagyon specifikus módon kötődnek hozzájuk. A D-glükózt lebontó enzim nem képes lebontani az L-glükózt. Ha mindkét izomert használni és építeni akarjuk, akkor két enzimkészlettel kell rendelkeznünk. Ehhez több DNS-re, több élelemre és sokkal több energiára lenne szükség. Természetesen a sejtek a lehető leghatékonyabbak akarnak lenni, ezért egy extra enzimkészlet megadóztatása lenne.
de ha lennének ezek az extra enzimek, nem tudnánk kétszer annyi energiát kapni a környezetből? Használhatnánk az izomerek másik 50% – át, ha lenne enzimünk, hogy lebontsuk őket, ahelyett, hogy pazarolnánk őket. A válasz az evolúcióhoz és az élelmiszer-piramishoz kapcsolódik.
amikor a Korai élet fejlődött, egy szervezetnek olyan enzimjei lennének, amelyek szelektíven reagálnak egy izomerrel. Azoknak az organizmusoknak, amelyek megették ezt az első életformát, ugyanazokkal a szelektív enzimekkel kell rendelkezniük, hogy megemésztsék őket. Ha az összes étel csak D-cukrot tartalmaz, akkor te is! Tehát, ha az élelmiszerlánc alja csak L-aminosavakat használ, akkor a homochiralitás az élelmiszerlánc minden organizmusára kiterjed! Mivel az életnek először egy enzimkészletet kellett kifejlesztenie, végül elakadtunk ezzel a szelektivitással. Az evolúció szelektív nyomása arra kényszerítette az új organizmusokat, hogy ugyanazokat az aminosavakat és cukortípusokat használják, mint az előzőek.
tehát ha egy izomert kiválasztunk, az élet minden formája használni fogja. De miért L-aminosavak a D-aminosavak helyett, és miért D-cukrok az L-cukrok helyett? Ez az igazi rejtély. Az élet legelején valaminek ki kellett választania az egyiket a másik felett. Lehetséges, hogy az élet korai szakaszában egyes organizmusok egy enzimkészletet fejlesztettek ki, míg a különböző organizmusok a másikat. Lehet, hogy véletlenszerű esemény volt, amely megsemmisítette az enzimek egy sorát, de a tudósok nem elégedettek ezzel a válasszal. Kell, hogy legyen valami oka annak, hogy az L-aminosavak és a D-cukrok jobbak a túléléshez, mint társaik.
írja be a fizikát
a racém keverékek a két izomer 50/50 keverékei. De van okunk azt hinni, hogy a csillagrendszerünkben valójában egy kis energia előnyben részesíti az egyik izomert a másikkal szemben. Ennek a preferenciának a megértéséhez mélyen be kell utaznunk a Tejútba.
galaxisunknak királis spinje és mágneses orientációja van. Ez azt eredményezi, hogy a kozmikus por körkörösen polarizálja a fényt egy irányban. Alapvetően, mivel a fény egy 2 dimenziós hullám, egy spirálban terjed. A kozmikus por miatt ez a hélix előnyösen egy irányba forog.
Ez a körkörösen polarizált fény jobban lebontja a D-aminosavakat, mint az L-aminosavak, így az L-aminosavak stabilabbak. Ezt támasztják alá a meteorok és üstökösök vizsgálata. A kozmikus anyag, legalábbis a Tejútban, előnyben részesíti az L-aminosavakat a fény körkörös polarizációja miatt.
egy másik fizikai magyarázat az egyik izomer előnyben részesítésére a másikkal szemben az elektromos erő. A fizikát négy alapvető erő irányítja: a gravitáció, az elektromágnesesség, az erős nukleáris erő és az elektromos gyenge erő (más néven gyenge nukleáris erő). Az első három achirális: ugyanúgy hatnak az L-és D-izomerekre. Az elektromos gyenge erőt azonban a kiralitás befolyásolja. Az elektromos erő szabályozza az atomok és molekulák radioaktív bomlását. Ebben a bomlásban az univerzum paritása nem mindig marad meg. A béta bomlás során a kibocsátott elektronok egyfajta centrifugálást részesítenek előnyben. Az elektronok spinje ismét jobban lebontja a D-aminosavakat, mint az L-aminosavakat, aminek következtében a molekulák egyensúlya az L-izomer javára változik.
mind a polarizált fény, mind az elektrogyenge bomlás hozzájárul az egyik izomer enyhe preferenciájához a galaxisunkban. A dolgok nagy sémájában azonban ez az eltérés nem elég ahhoz, hogy megmagyarázza, miért használ minden életforma csak D-cukrokat és L-aminosavakat. Kell lennie valami másnak is. Ami elvezet minket…
Autokatalízis
amint a fizika enyhe éleket ad az egyik izomernek a másikkal szemben, van egy kémiai ok, amely felerősíti a különbséget. Az autokatalízis azt jelenti, hogy egy vegyi anyag jelenléte serkenti saját termelését. 1950 körül F. C. Frank azt javasolta, hogy a domináns izomerek aktiválhatják saját termelésüket, miközben elnyomják a másik izomer termelését.
a fenti ábra szemlélteti a lényeget. 3 L-izomerrel és 2 D-izomerrel történő indításkor az arány nagyon gyorsan felerősíthető, így az L-izomerek jelentősen meghaladják a D-izomereket. Az L-izomer stimulálja saját termelését, az L-izomer pedig a D-izomerhez is kötődik egy “kölcsönös antagonizmusnak” nevezett folyamatban.”Ez megakadályozza több D-izomer képződését, és az L-izomer gyorsan előnyös.
Ez csak egy hipotetikus keretrendszer volt annak magyarázatára, hogy miért csak L-aminosavak és D-cukrok vannak. De ez a koncepció támogatást nyert, amikor felfedezték a Soai reakciót. Ez az egyik demonstrációja annak, hogy bizonyos izomerek miként részesíthetők előnyben a másikkal szemben a biológiai folyamatokban. Bár nincs bizonyíték a mindenütt jelenlévő autokatlízisre, amely homochiralitást okoz, bizonyos esetekben minden bizonnyal az amplifikáció tényezője lehet.
egy működő modell
ma a biológiai homochiralitás legnépszerűbb elmélete tartalmazza ezeket a következtetéseket. Az olyan fizikai jelenségek, mint a polarizált fény és az elektromos gyenge erő, a D – és L-izomerek enyhe kiegyensúlyozatlanságát okozzák. Ezt a kis eltérést az autokatalízis egyenetlenebb egyensúlyhiánygá fokozza. Ezután, miután az élet létrejött, az Élelmiszerlánc és az enzimek specifikussága gyorsan kiválasztott egyetlen izomert. Így ma csak l-aminosavakat és D-cukrokat látunk.
Ez az elmélet még mindig van néhány lyuk. Soha nem lehet tökéletes magyarázat egy olyan eseményre, amely milliárd évvel ezelőtt kezdődött. De most van legalább egy lehetséges megoldás a biolgikus homochiralitás rejtélyére.
“a rejtély csodát teremt, és a csoda az ember megértési vágyának alapja.”—Neil Armstrong
