Biologisk Homokiralitet: En Av Livets Største Mysterier
div> jul 13, 2016 · 7 min lese
i hver livsform på jorden er sukker alltid høyrehendt, og aminosyrene er alltid venstrehendt. Hva betyr dette, og hvorfor skjer det? Dette bisarre fenomenet innebærer kirale molekyler og er kjent som » homochirality.»
Chirale molekyler er molekyler av samme formel, men med litt forskjellige strukturer. Din hånd er en chiral objekt fordi det ikke er superimposable på sin speilbilde; når du plasserer venstre hånd over høyre, tommelen vil peke i forskjellige retninger. I organiske molekyler, når fire forskjellige grupper omgir et sentralt karbon, vil molekylet ha to forskjellige kirale former kalt enantiomerer. Disse to molekylene er speilbilder av hverandre, da gruppene rundt karbonet er orientert i forskjellige retninger, som høyre og venstre hånd. I kjemi kalles disse forbindelsene R og s enantiomerer (eller isomerer). Men når aminosyrer eller sukker er chirale, kaller forskere dem d-og l-isomerer (forskere er forferdelige på å navngi ting konsekvent). D-betyr «høyrehendt» Og L-betyr » venstrehendt.»
d-og l-isomerer er normalt til stede i et 50/50-forhold. Kjemikere kaller dette en racemisk blanding. Naturligvis forventer du at de begge er like til stede i kroppene våre, ikke sant? Feil! Faktisk bruker alle livsformer Bare L-aminosyrer og D-sukker. Tilstedeværelsen av bare en isomer kalles homokiralitet. Fra de minste bakteriene til elefanter, Bare L-aminosyrer utgjør proteiner og bare d-sukker utgjør polysakkarider. Med andre ord, alle proteiner er høyrehendte og alle polysakkarider er venstrehendte*. Hvorfor er dette? Det er et mysterium som har forvirret biologer i årevis. Til tross for den beste innsatsen fra fysikere, kjemikere og evolusjonære biologer, vet vi fortsatt ikke sikkert. Her tar vi en titt på noen av de ledende nåværende teoriene.
*(det skal bemerkes at Noen l-sukker også kan brytes ned av metabolske veier. Sukker kan danne ringer, Og D-sukker danner en mer stabil ring Enn L-sukker, Men L-sukker kan fortsatt eksistere. Stabiliteten av ringen kan være den viktigste bidragsyteren til utbredelsen Av D-sukker. Nedenfor vil vi fokusere hovedsakelig på aminosyrer, som strengt holder seg til en enkelt chiral formasjon i biologiske systemer.)
Enzymer og Evolusjon
div >
Her er hva vi vet: enzymer i celler kan bare metabolisere en isomer, men ikke den andre. Enzymer katalyserer reaksjoner for å bryte ned og bygge molekyler ved å binde seg til dem på svært spesifikke måter. Et enzym som bryter Ned d-glukose vil ikke kunne bryte Ned L-glukose. Hvis vi ønsket å bruke og bygge begge isomerer, måtte vi ha to sett med enzymer. Dette ville kreve MER DNA, mer mat og mye mer energi. Naturligvis vil celler være så effektive som mulig, så å ha et ekstra sett med enzymer ville beskatte.Men hvis vi hadde de ekstra enzymene, kunne vi ikke også få dobbelt så mye energi fra miljøet? Vi kunne bruke de andre 50% av isomerer hvis vi hadde enzymer til å bryte dem ned i stedet for å kaste bort dem. Svaret har å gjøre med evolusjon og matpyramiden.Når tidlig liv utviklet seg, ville en organisme ha enzymer som selektivt reagerer med en isomer. Organismene som spiste denne første livsformen må ha de samme selektive enzymer for å fordøye dem. Hvis all maten din bare inneholder d-sukker, så vil du! Så hvis bunnen av næringskjeden bare bruker L-aminosyrer, vil homokiralitet spre seg til hver organisme i næringskjeden! Siden livet måtte utvikle et sett med enzymer først, endte vi opp med å bli sittende fast med den selektiviteten. Selektivt trykk fra evolusjonen tvang hver ny organisme til å bruke samme aminosyre og sukkertyper som de før den.
så når en isomer er plukket, vil enhver form for liv bruke den. Men hvorfor L-aminosyrer i stedet for d-aminosyrer, og hvorfor D-sukker i stedet For L-sukker? Dette er det virkelige mysteriet. Noe i begynnelsen av livet måtte velge den ene over den andre. Det er mulig at noen organismer i de tidlige stadiene av livet utviklet et sett med enzymer, mens forskjellige organismer hadde den andre. Det kunne ha vært en tilfeldig hendelse som utryddet en linje enzymer, men forskere er ikke fornøyd med dette svaret. Det må være noen grunn Til At L-aminosyrer Og D-sukker er bedre for overlevelse enn sine kolleger.
Skriv Inn Fysikk
Racemiske blandinger er 50/50 blandinger av de to isomerer. Men det er grunn til å tro at i vårt stjernesystem er det faktisk en liten energi preferanse for en isomer over den andre. For å forstå denne preferansen må vi reise dypt inn I Melkeveien.
vår galakse har et kiralt spinn og en magnetisk orientering. Dette fører til at kosmisk støv sirkulært polariserer lys i en retning. I utgangspunktet, fordi lys er en 2-dimensjonal bølge, vil den forplante seg i en helix. Det kosmiske støvet får denne helixen til å rotere fortrinnsvis i en retning.
Polarisert lys. Den motsatte polariseringen spinner i den andre retningen.
dette sirkulært polariserte lyset nedbryter D-aminosyrer mer Enn L-aminosyrer, Så L-aminosyrer er mer stabile. Dette støttes av studier av meteorer og kometer. Kosmisk materie, i Hvert Fall I Melkeveien, har en preferanse For L-aminosyrer på grunn av sirkulær polarisasjon av lys.
En annen fysisk forklaring på preferansen til en isomer over den andre har å gjøre med den elektrosvake kraften. Det er fire grunnleggende krefter som styrer fysikk: gravitation, elektromagnetisme, sterk atomkraft og electroweak force (aka svak atomkraft). De tre første er achirale: de påvirker L-og D-isomerer på samme måte. Den elektrosvake kraften påvirkes imidlertid av kiralitet. Den elektrosvake kraften styrer radioaktivt henfall av atomer og molekyler. I dette forfallet er universets paritet ikke alltid bevart. Under beta forfall, emitterte elektroner favorisere en type spinn. Spinnet av elektronene nedbryter Igjen D-aminosyrer mer Enn L-aminosyrer, noe som gjør at balansen mellom molekyler skifter til Fordel For L-isomeren.
både polarisert lys og elektrosvak forfall bidrar til en liten preferanse av en isomer over den andre i vår galakse. Men i den store ordningen av ting er denne uoverensstemmelsen ikke nok til å forklare HVORFOR HVER livsform bruker bare D-sukker og L-aminosyrer. Det må være noe mer. Som fører oss til …
Autokatalyse
når fysikk gir en liten kant til en isomer over den andre, er det en kjemisk grunn som forsterker forskjellen. Autokatalyse betyr at tilstedeværelsen av et kjemikalie stimulerer egen produksjon. Rundt 1950 foreslo F. C. Frank at de dominerende isomerene kan aktivere sin egen produksjon mens de undertrykker produksjonen av den andre isomeren.
Fra»Opprinnelsen Til Biologisk Homokiralitet»av donna blackmond
grafikken ovenfor illustrerer poenget. Når du starter med 3 L-isomerer og 2 D-isomerer, forholdet kan være svært raskt forsterkes slik At L-isomerer sterkt tallmessig D-isomerer. L-isomeren stimulerer sin egen produksjon, Og L-isomeren binder også Til D-isomeren i en prosess som kalles » gjensidig antagonisme.»Dette forhindrer dannelsen Av Flere D-isomerer, Og L-isomeren blir raskt favorisert.Dette var bare et hypotetisk rammeverk for å forklare hvorfor Vi bare har L-aminosyrer og D-sukker. Men dette konseptet fikk støtte da Soai-Reaksjonen ble oppdaget. Dette er en demonstrasjon av hvordan visse isomerer kan favoriseres over en annen i biologiske prosesser. Selv om det ikke er noe bevis for allestedsnærværende autokatlyse som forårsaker homokiralitet, kan det sikkert være en faktor for forsterkning i noen tilfeller.
En Arbeidsmodell
I Dag inneholder den mest populære teorien for biologisk homokiralitet alle disse konklusjonene. Fysiske fenomener som polarisert lys og elektrosvak kraft skaper en liten ubalanse Mellom D-og L-isomerer. Denne lille uoverensstemmelsen forsterkes til en mer ujevn ubalanse ved autokatalyse. Så, når livet ble dannet, ble en enkelt isomer valgt for raskt av næringskjeden og spesifisiteten av enzymer. Dermed ser vi i dag Bare L-aminosyrer Og d-sukker.
denne teorien har fortsatt noen hull. Det kan aldri være en perfekt forklaring på en hendelse som begynte milliarder av år siden. Men vi har nå minst en potensiell løsning for mysteriet om biolgisk homokiralitet.
» Mystery skaper undring, og undring er grunnlaget for menneskets ønske om å forstå.»— Neil Armstrong