生物学的ホモキラリティ: 人生の最大の謎の一つ
地球上のすべての生命体では、糖は常に右利きであり、アミノ酸は常に左利きです。 これはどういう意味ですか、そしてなぜそれが起こるのですか？ この奇妙な現象は、キラル分子を含み、”ホモキラリティ”として知られています。”
キラル分子は、同じ式の分子であるが、わずかに異なる構造を有する。 左手を右手の上に置くと、親指は異なる方向を指します。 有機分子では、4つの異なる基が中心炭素を取り囲むとき、分子はエナンチオマーと呼ばれる2つの異なるキラル形態を有する。 これらの2つの分子は、炭素の周りの基が右手と左手のように異なる方向に配向しているため、お互いの鏡像です。 化学では、これらの化合物はRおよびS鏡像異性体（または異性体）と呼ばれます。 しかし、アミノ酸や糖がキラルである場合、科学者はそれらをD異性体とL異性体と呼びます（科学者は一貫して物事を命名するのがひどいです）。 D-は「右利き」を意味し、L-は「左利き」を意味します。0/50の比率で現在。 化学者はこれをラセミ混合物と呼んでいます。 当然のことながら、あなたはそれらが両方とも私たちの体に均等に存在することを期待しますよね？ 違う！ 実際、すべての生命体はL-アミノ酸とD-糖のみを使用しています。 唯一の異性体の存在はホモキラリティと呼ばれています。 最小の細菌からゾウまで、L-アミノ酸のみがタンパク質を構成し、D-糖のみが多糖類を構成します。 言い換えれば、すべてのタンパク質は右利きであり、すべての多糖類は左利き*である。 これはなぜですか？ それは何年もの間生物学者を困惑させてきた謎です。 物理学者、化学者、進化生物学者の最善の努力にもかかわらず、私たちはまだ確かに知りません。 ここでは、現在の主要な理論のいくつかを見てみましょう。
*（いくつかのL糖は代謝経路によっても分解することができることに留意すべきである。 糖は環を形成することができ、D糖はL糖よりも安定した環を形成するが、L糖は依然として存在する可能性がある。 環の安定性は、D-糖の有病率の主な原因である可能性があります。 以下では、主に生物学的系における単一のキラル形成に厳密に付着するアミノ酸に焦点を当てます。Div>
ここで私たちが知っていることは次のとおりです: 細胞内の酵素は、一方の異性体のみを代謝することができ、他方の異性体は代謝することができない。 酵素は、非常に特異的な方法でそれらに結合することによって分子を分解し、構築する反応を触媒する。 D-グルコースを分解する酵素は、L-グルコースを分解することができません。 両方の異性体を使用して構築したい場合は、2組の酵素が必要です。 これは、より多くのDNA、より多くの食品、およびより多くのエネルギーを必要とします。 当然のことながら、細胞は可能な限り効率的になりたいので、酵素の余分なセットを持つことは課税されるでしょう。しかし、これらの余分な酵素があれば、環境から2倍のエネルギーを得ることもできませんでしたか？
しかし、私たちはそれらの余分な酵素を持 我々はそれらを無駄にするのではなく、それらを分解する酵素を持っていた場合、我々は異性体の他の50％を使用することができます。 答えは進化と食糧ピラミッドに関係しています。初期の生命が進化していたとき、生物は一つの異性体と選択的に反応する酵素を持っていたでしょう。
この最初の生命体を食べた生物は、それらを消化するために同じ選択的酵素を持たなければならないでしょう。 あなたの食べ物のすべてが唯一のD-糖が含まれている場合は、そうあなたになります！ したがって、食物連鎖の底がL-アミノ酸のみを使用する場合、ホモキラリティは食物連鎖のすべての生物に広がります！ 生命は最初に一組の酵素を開発しなければならなかったので、私たちはその選択性に固執していました。 進化からの選択的な圧力は、それぞれの新しい生物に、それ以前のものと同じアミノ酸と糖の種類を使用させました。したがって、1つの異性体が選択されると、あらゆる形の生命体がそれを使用します。
しかし、なぜD-アミノ酸の代わりにL-アミノ酸、そしてなぜD-糖の代わりにL-糖？ これは本当の謎です。 人生の初めに何かが他のものよりも一つを選択しなければなりませんでした。 生命の初期段階では、いくつかの生物が酵素の1つのセットを開発し、異なる生物が他のものを持っていた可能性があります。 それは酵素の1行を一掃したランダムな出来事だったかもしれませんが、科学者たちはこの答えに満足していません。 L-アミノ酸とD-糖が同等のものよりも生存に優れているという何らかの理由がなければなりません。
物理学を入力してください
ラセミ混合物は、2つの異性体の50/50の混合物です。 しかし、私たちの星系では、実際には一方の異性体が他方の異性体よりもわずかなエネルギー選好があると信じる理由があります。 この好みを理解するために、私たちは天の川に深く旅しなければなりません。
私たちの銀河はカイラルスピンと磁気配向を持っています。 これにより、宇宙塵は光を一方向に円偏光させます。 基本的には、光は2次元の波であるため、ヘリックス内を伝播します。 宇宙の塵は、この螺旋を一方向に優先的に回転させます。
この円偏光は、L-アミノ酸よりもD-アミノ酸を分解するので、L-アミノ酸はより安定しています。 これは、流星や彗星の研究によって支持されています。 宇宙物質は、少なくとも天の川では、光の円偏光のためにL-アミノ酸を好みます。一方の異性体が他方の異性体よりも優先する別の物理的説明は、電弱力に関係している。
物理学を支配する4つの基本的な力があります：重力、電磁気学、強い核力、および電弱力（別名弱い核力）。 最初の3つはachiralです:それらはL-およびD-異性体に同じように影響を与えます。 しかし，電弱力はキラリティの影響を受ける。 電弱力は原子や分子の放射性崩壊を支配します。 この崩壊では、宇宙のパリティは常に保存されるとは限りません。 ベータ崩壊の間、放出された電子はスピンの一つのタイプを好む。 電子のスピンは再びL-アミノ酸よりもD-アミノ酸を分解し、分子のバランスをL-異性体に有利にシフトさせる。p>
偏光と電弱減衰の両方が寄与します私たちの銀河の他の異性体よりも一つの異性体のわずかな好みに。 しかし、物事の壮大な計画では、この不一致は、なぜすべての生命体がD-糖とL-アミノ酸のみを使用するのかを説明するのに十分ではありません。 もっと何かがあるはずだ これは私たちを導く…
自己触媒
物理学が一方の異性体に他方の異性体にわずかなエッジを与えると、その違いを増幅する化学的理由があ 自己触媒は、化学物質の存在がそれ自身の生産を刺激することを意味する。 1950年頃、F.C.フランクは、他の異性体の産生を抑制しながら、支配的な異性体が独自の産生を活性化できることを示唆した。Div>
上記の図は、ポイントを示しています。 3つのL-異性体および2つのD-異性体から始めるとき、比率は非常にすぐに増幅することができます従ってL-異性体はD-異性体を非常に上回ります。 L-異性体はそれ自身の産生を刺激し、L-異性体は「相互拮抗作用」と呼ばれるプロセスでD-異性体にも結合する。「これにより、より多くのＤ−異性体の形成が妨げられ、Ｌ−異性体が急速に好まれる。これは、なぜL-アミノ酸とD-糖しか持っていないのかを説明するための仮説的な枠組みにすぎませんでした。
しかし、この概念は、相愛反応が発見されたときに支持を得た。 これは、生物学的プロセスにおいて特定の異性体が他の異性体よりもどのように好まれるかの1つの実証である。 ホモキラリティを引き起こすユビキタス自己触媒の証拠はないが、それは確かにいくつかの例では増幅のための要因であり得る。今日、生物学的ホモキラリティの最も一般的な理論には、これらの結論がすべて含まれています。
作業モデル
今日、生物学的ホモキラリティの最も一般的な理論は、これらの結論のすべてを含んでいます。 偏光や電弱力などの物理現象は、D-異性体とL-異性体のわずかな不均衡を生じさせます。 この小さな不一致は、自己触媒によってより不均一な不均衡に増幅される。 その後、生命が形成されると、食物連鎖と酵素の特異性によって迅速に単一の異性体が選択された。 したがって、今日、我々はL-アミノ酸とD-糖のみを見る。この理論にはまだいくつかの穴があります。
何十億年も前に始まった出来事のための完璧な説明は決してないかもしれません。 しかし、私たちは今、少なくとも生物学的ホモキラリティの謎の潜在的な解決策を持っています。
“謎は不思議を創造し、不思議は人間の理解したいという欲求の基礎です。”-ニール*アームストロング
