biologisk Homochiralitet: Ett av livets största mysterier

Sebastian Wellford

följ

Jul 13, 2016 · 7 min läs

i varje livsform på jorden är socker alltid högerhänt och aminosyrorna är alltid vänsterhänta. Vad betyder detta och varför händer det? Detta bisarra fenomen involverar kirala molekyler och är känt som ”homochirality.”

kirala molekyler är molekyler med samma formel, men med något olika strukturer. Din hand är ett kiralt föremål eftersom det inte är överlagbart på sin spegelbild; när du placerar din vänstra hand över höger, kommer tummen att peka i olika riktningar. I organiska molekyler, när fyra olika grupper omger ett centralt kol, kommer molekylen att ha två olika kirala former som kallas enantiomerer. Dessa två molekyler är spegelbilder av varandra, eftersom grupperna runt kolet är orienterade i olika riktningar, som höger och vänster händer. I kemi kallas dessa föreningar R – och S-enantiomerer (eller isomerer). Men när aminosyror eller sockerarter är kirala, kallar forskare dem D-och L-isomerer (forskare är hemska för att namnge saker konsekvent). D-betyder ” högerhänt ”och L – betyder” vänsterhänt.”

d-och l-isomererna är normalt närvarande i ett 50/50-förhållande. Kemister kallar detta en racemisk blandning. Naturligtvis kan du förvänta dig att de båda är lika närvarande i våra kroppar, eller hur? Fel! Faktum är att alla livsformer bara använder L-aminosyror och d-sockerarter. Närvaron av endast en isomer kallas homochiralitet. Från de minsta bakterierna till elefanter utgör endast L-aminosyror proteiner och endast D-socker utgör polysackarider. Med andra ord är alla proteiner högerhänta och alla polysackarider är vänsterhänta*. Varför är det här? Det är ett mysterium som har förvirrat biologer i flera år. Trots de bästa ansträngningarna från fysiker, kemister och evolutionära biologer vet vi fortfarande inte säkert. Här tar vi en titt på några av de ledande aktuella teorierna.

*(det bör noteras att vissa L-sockerarter också kan brytas ner genom metaboliska vägar. Socker kan bilda ringar, och D-sockret bildar en stabilare ring än L-sockret, men L-socker kan fortfarande existera. Stabiliteten hos ringen kan vara den främsta bidragsgivaren till förekomsten av D-sockerarter. Nedan kommer vi att fokusera främst på aminosyror, som strikt följer en enda kiralbildning i biologiska system.)

enzymer och Evolution

div >

Här är vad vi vet: enzymerna i celler kan bara metabolisera en isomer, men inte den andra. Enzymer katalyserar reaktioner för att bryta ner och bygga molekyler genom att binda till dem på mycket specifika sätt. Ett enzym som bryter ner D-glukos kommer inte att kunna bryta ner L-glukos. Om vi ville använda och bygga båda isomererna skulle vi behöva ha två uppsättningar enzymer. Detta skulle kräva mer DNA, mer mat och mycket mer energi. Naturligtvis vill celler vara så effektiva som möjligt, så att ha en extra uppsättning enzymer skulle beskatta.

men om vi hade de extra enzymerna, kunde vi inte också få dubbelt så mycket energi från miljön? Vi kunde använda de andra 50% av isomererna om vi hade enzymerna att bryta ner dem istället för att slösa bort dem. Svaret har att göra med evolution och matpyramiden.

när Tidigt liv utvecklades skulle en organism ha enzymer som selektivt reagerar med en isomer. De organismer som åt denna första livsform måste ha samma selektiva enzymer för att smälta dem. Om all din mat bara innehåller D-socker, så kommer du! Så om botten av livsmedelskedjan bara använder L-aminosyror, kommer homochirality att spridas till varje organism i livsmedelskedjan! Eftersom livet var tvungen att utveckla en uppsättning enzymer först, slutade vi att fastna med den selektiviteten. Selektivt tryck från evolutionen tvingade varje ny organism att använda samma aminosyra-och sockertyper som de före den.

så när en isomer plockas, kommer varje form av liv att använda den. Men varför L-aminosyror istället för D-aminosyror, och varför D-socker istället för L-socker? Detta är det verkliga mysteriet. Något i början av livet var tvungen att välja det ena över det andra. Det är möjligt att vissa organismer i de tidiga stadierna av livet utvecklade en uppsättning enzymer, medan olika organismer hade den andra. Det kunde ha varit en slumpmässig händelse som utplånade en rad enzymer, men forskare är inte nöjda med detta svar. Det måste finnas någon anledning att L-aminosyror och d-sockerarter är bättre för överlevnad än deras motsvarigheter.

ange fysik

racemiska blandningar är 50/50 blandningar av de två isomererna. Men det finns anledning att tro att i vårt stjärnsystem finns det faktiskt en liten energipreferens för en isomer framför den andra. För att förstå denna preferens måste vi resa djupt in i Vintergatan.

vår galax har en kiral spinn och en magnetisk orientering. Detta får kosmiskt damm att cirkulärt polarisera ljus i en riktning. I grund och botten, eftersom ljus är en 2-dimensionell våg, kommer den att sprida sig i en helix. Det kosmiska dammet får denna Spiral att rotera företrädesvis i en riktning.

detta cirkulärt polariserade ljus försämrar D-aminosyror mer än L-aminosyror, så L-aminosyror är mer stabila. Detta stöds av studier av meteorer och kometer. Kosmisk Materia, åtminstone i Vintergatan, har en preferens för L-aminosyror på grund av den cirkulära polariseringen av ljus.

en annan fysisk förklaring till preferensen av en isomer framför den andra har att göra med elektrosvag kraft. Det finns fyra grundläggande krafter som styr fysiken: gravitation, elektromagnetism, stark kärnkraft och elektrosvag kraft (aka svag kärnkraft). De tre första är achirala: de påverkar L – och D-isomerer på samma sätt. Elektrosvag kraften påverkas emellertid av chiralitet. Elektrosvag kraft styr radioaktivt sönderfall av atomer och molekyler. I detta förfall är universums paritet inte alltid bevarad. Under beta-sönderfall gynnar emitterade elektroner en typ av snurrning. Elektronernas snurrning försämrar igen D-aminosyror mer än L-aminosyror, vilket gör att molekylbalansen förskjuts till förmån för L-isomeren.

både polariserat ljus och elektrosvag förfall bidrar till en liten preferens av en isomer framför den andra i vår galax. Men i den stora planen av saker är denna skillnad inte tillräcklig för att förklara varför varje livsform endast använder D-sockerarter och L-aminosyror. Det måste finnas något mer. Vilket leder oss till…

Autokatalys

När fysiken ger en liten kant till en isomer över den andra finns det en kemisk orsak som förstärker skillnaden. Autokatalys innebär att närvaron av en kemikalie stimulerar sin egen produktion. Omkring 1950 föreslog F. C. Frank att de dominerande isomererna kan aktivera sin egen produktion samtidigt som produktionen av den andra isomeren undertrycks.

ovanstående grafik illustrerar punkten. När man börjar med 3 L-isomerer och 2 D-isomerer kan förhållandet förstärkas mycket snabbt så att L-isomererna överstiger d-isomererna kraftigt. L-isomeren stimulerar sin egen produktion, och L-isomeren binder också till D-isomeren i en process som kallas ”ömsesidig antagonism.”Detta förhindrar bildandet av fler D-isomerer, och L-isomeren gynnas snabbt.

detta var bara en hypotetisk ram för att förklara varför vi bara har L-aminosyror och D-sockerarter. Men detta koncept fick stöd när Soai-reaktionen upptäcktes. Detta är en demonstration av hur vissa isomerer kan gynnas framför en annan i biologiska processer. Även om det inte finns några bevis för allestädes närvarande autokatlys som orsakar homochiralitet, kan det säkert vara en faktor för förstärkning i vissa fall.

en arbetsmodell

idag innehåller den mest populära teorin för biologisk homochiralitet alla dessa slutsatser. Fysiska fenomen som polariserat ljus och elektrosvag kraft skapar en liten obalans mellan D-och L-isomerer. Denna lilla skillnad förstärks till en mer ojämn obalans genom autokatalys. Sedan, när livet bildades, valdes en enda isomer för snabbt av livsmedelskedjan och enzymernas specificitet. Således ser vi idag bara L-aminosyror och d-sockerarter.

denna teori har fortfarande några hål. Det kan aldrig finnas en perfekt förklaring till en händelse som började för miljarder år sedan. Men vi har nu åtminstone en potentiell lösning för mysteriet om biolgisk homochiralitet.

” Mystery skapar förundran, och förundran är grunden för människans önskan att förstå.”— Neil Armstrong