Біялагічная гамахіральнасць: адна з найвялікшых загадак жыцця

У любой форме жыцця на Зямлі цукар заўсёды правша, а амінакіслоты заўсёды ляўшун. Што гэта азначае і чаму гэта адбываецца? Гэта дзіўнае з'ява ўключае хіральныя малекулы і вядома пад назвай "гомахіральнасць".

Хіральныя малекулы - гэта малекулы той жа формулы, але са некалькі рознымі структурамі. Ваша рука - хіральны прадмет, таму што на люстэркавым малюнку яна не накладаецца; калі вы пакладзеце левую руку на правую, вялікія пальцы будуць накіроўваць у розныя бакі. У арганічных малекулах, калі чатыры розныя групы атачаюць цэнтральны вуглярод, малекула будзе мець дзве розныя хіральныя формы, званыя энанціёмеры. Гэтыя дзве малекулы - люстраныя выявы адзін аднаго, бо групы вакол вугляроду арыентаваны ў розных напрамках, як правая, так і левая рукі. У хіміі гэтыя злучэнні называюцца R і S энантыёмерамі (або ізамерамі). Аднак калі амінакіслоты і цукру становяцца хіральнымі, навукоўцы называюць іх D і L ізамерамі (навукоўцы страшна называюць рэчы паслядоўна). D- азначае "правша", а L- азначае "ляўшун".

D і L ізамеры звычайна прысутнічаюць у суадносінах 50/50. Хімікі называюць гэта рацэмічнай сумессю. Натуральна, вы маглі б чакаць, што яны абодва будуць аднолькава прысутнічаць у нашым целе, праўда? Няправільна! На самай справе ўсе формы жыцця выкарыстоўваюць толькі L-амінакіслоты і D-цукру. Наяўнасць толькі аднаго ізамера называецца гомохиральностью. Ад драбнюткіх бактэрый да сланоў толькі вавёркі складаюць L-амінакіслоты і толькі D-цукру складаюць поліцукрыды. Іншымі словамі, усе вавёркі правыя, а ўсе поліцукрыды - леварукія *. Чаму гэта? Гэта таямніца, якая здзіўляе біёлагаў на працягу многіх гадоў. Нягледзячы на ​​ўсе намаганні фізікаў, хімікаў і эвалюцыйных біёлагаў, мы ўсё яшчэ не ведаем напэўна. Тут мы разгледзім некаторыя з вядучых сучасных тэорый.

* (Варта адзначыць, што некаторыя L-цукру таксама могуць быць разбураны метабалічнымі шляхамі. Цукар можа ўтвараць кольцы, а цукар D утварае больш стабільнае кольца, чым цукар L, але L-цукру ўсё яшчэ могуць існаваць. Устойлівасць кольца можа стаць асноўным фактарам распаўсюджвання D-цукроў. Ніжэй мы спынімся ў асноўным на амінакіслотах, якія строга прытрымліваюцца адзінай хіральнай фармацыі ў біялагічных сістэмах.)

Ферменты і эвалюцыя

Напачатку неба і Зямля стварылі

Вось што мы ведаем: ферменты ў клетках могуць перапрацоўваць толькі адзін ізамер, а не другі. Ферменты каталізуюць рэакцыі на расшчапленне і збор малекул, звязваючыся з імі вельмі спецыфічнымі спосабамі. Фермент, які расшчапляе D-глюкозу, не зможа разбурыць L-глюкозу. Калі б мы хацелі выкарыстоўваць і стварыць абодва ізамера, мы павінны былі б мець два ферменты. Для гэтага спатрэбіцца больш ДНК, больш ежы і значна больш энергіі. Натуральна, што клеткі хочуць быць максімальна эфектыўнымі, таму наяўнасць дадатковага набору ферментаў было б падаткаабкладаннем.

Але калі б у нас былі дадатковыя ферменты, мы б не маглі таксама атрымаць удвая больш энергіі ад навакольнага асяроддзя? Мы маглі б выкарыстоўваць іншыя 50% ізамераў, калі б у нас былі ферменты, каб разбурыць іх, а не марнаваць іх. Адказ звязаны з эвалюцыяй і харчовай пірамідай.

Калі ранняя жыццё развівалася, у арганізме з'явіліся ферменты, якія выбарачна рэагуюць з адным ізамерам. Арганізмы, якія з'елі гэтую першую форму жыцця, павінны былі мець аднолькавыя селектыўныя ферменты, каб пераварваць іх. Калі ўся ваша ежа ўтрымлівае толькі D-цукру, так і вы! Такім чынам, калі ў ніжняй частцы харчовай ланцугу выкарыстоўваюцца толькі L-амінакіслоты, гомохиральность будзе распаўсюджвацца на кожны арганізм у харчовай ланцугу! Паколькі жыццё спачатку павінна выпрацаваць адзін набор ферментаў, мы пачалі прытрымлівацца гэтай выбарчасці. Выбарчы ціск ад эвалюцыі прымусіў кожны новы арганізм выкарыстоўваць тыя ж тыпы амінакіслот і цукру, што і да яго.

Такім чынам, як толькі адзін ізамер будзе абраны, усе формы жыцця будуць выкарыстоўваць яго. Але чаму L-амінакіслоты замест D-амінакіслот і чаму D-цукру замест L-цукроў? Гэта сапраўдная таямніца. Штосьці ў самым пачатку жыцця трэба было выбіраць адно над адным. Цалкам магчыма, што на ранніх стадыях жыцця некаторыя арганізмы выпрацавалі адзін набор ферментаў, а іншыя - іншыя. Магчыма, гэта была выпадковая падзея, якая знішчыла адзін радок ферментаў, але навукоўцы не задаволены гэтым адказам. Не павінна быць прычын, што L-амінакіслоты і D-цукру лепш выжываць, чым іх аналагі.

Увядзіце фізіку

Рацэмічныя сумесі складаюць 50/50 сумесяў двух ізамераў. Але ёсць падставы меркаваць, што ў нашай зорнай сістэме на самай справе ёсць невялікая энергетычная перавага аднаго ізамера над іншым. Каб зразумець гэтую перавагу, нам трэба падарожнічаць глыбока ў Млечны Шлях.

Наша галактыка мае хіральны спін і магнітную накіраванасць. Гэта прымушае касмічны пыл кругава палярызаваць святло ў адзін бок. У асноўным, паколькі святло з'яўляецца двухмернай хваляй, ён будзе распаўсюджвацца ў спіралі. Касмічны пыл прымушае гэтую спіраль пераважна круціцца ў адным кірунку.

Палярызаванае святло. Супрацьлеглая палярызацыя круціцца ў іншы бок.

Гэты кругапалярызаваны святло пагаршае D-амінакіслоты больш, чым L-амінакіслоты, таму L-амінакіслоты больш устойлівыя. Гэта пацвярджаецца даследаваннямі метэараў і каметаў. Касмічныя рэчывы, прынамсі ў Млечным Шляху, аддаюць перавагу L-амінакіслотам дзякуючы кругавой палярызацыі святла.

Іншае фізічнае тлумачэнне перавагі аднаго ізамера перад другім звязана з сілай электраслаблення. Ёсць чатыры асноўныя сілы, якія кіруюць фізікай: гравітацыя, электрамагнетызм, моцная ядзерная сіла і сіла электраслаб'я (ён жа слабая ядзерная сіла). Першыя тры з'яўляюцца ахіральнымі: яны ўздзейнічаюць на L- і D-ізамеры аднолькавым чынам. На электраслабасць, аднак, уплывае хіральнасць. Сіла электрослабления кіруе радыеактыўным распадам атамаў і малекул. Пры гэтым распадзе парытэт Сусвету не заўсёды захоўваецца. Падчас бэта-распаду выпраменьваныя электроны спрыяюць аднаму тыпу спіна. Спін электронаў зноў дэградуе D-амінакіслоты больш, чым L-амінакіслоты, у выніку чаго баланс малекул змяняецца на карысць L-ізамера.

І палярызаванае святло, і распад электраслаблення спрыяюць невялікім перавагам аднаго ізамера над іншым у нашай галактыцы. Аднак у агульнай схеме рэчаў гэта разыходжанне недастаткова, каб растлумачыць, чаму КОЖНАЯ форма жыцця выкарыстоўвае толькі D-цукру і L-амінакіслоты. Павінна быць нешта большае. Што вядзе нас да ...

Аўтакаталіз

Пасля таго, як фізіка дае адзін ізамер невялікім перавагам над іншым, узнікае хімічная прычына, якая ўзмацняе розніцу. Аўтакаталіз азначае, што прысутнасць хімічнага рэчыва стымулюе яго ўласную вытворчасць. Каля 1950 г. Ф. Ф.К. выказаў здагадку, што дамінуючыя ізамеры могуць актываваць уласную вытворчасць, душаючы пры гэтым вытворчасць іншага ізамера.

З

Прыведзены графік ілюструе сутнасць. Калі пачынаць з 3 L-ізамераў і 2 D-ізамераў, суадносіны можа быць вельмі хутка ўзмоцнена, таму L-ізамеры значна пераўзыходзяць D-ізамеры. L-ізамер стымулюе ўласную прадукцыю, а L-ізамер таксама звязваецца з D-ізамерам у працэсе, які называецца "ўзаемны антаганізм". Гэта прадухіляе адукацыю больш D-ізамераў, і L-ізамер хутка спрыяе.

Гэта было проста гіпатэтычнай асновай, каб растлумачыць, чаму ў нас ёсць толькі L-амінакіслоты і D-цукру. Але гэтая канцэпцыя атрымала падтрымку, калі была выяўлена рэакцыя Соая. Гэта адна дэманстрацыя таго, як пэўныя ізамеры могуць атрымаць перавагу ў іншым у біялагічных працэсах. Хоць няма доказаў паўсюднага аўтакалізу, які выклікае гомохиральность, гэта, безумоўна, можа стаць фактарам узмацнення ў некаторых выпадках.

Працоўная мадэль

Сёння самая папулярная тэорыя біялагічнай гомахіральнасці ўключае ўсе гэтыя высновы. Фізічныя з'явы, такія як палярызаванае святло і электраслабкая сіла, ствараюць невялікі дысбаланс D- і L-ізамераў. Гэта невялікае неадпаведнасць узмацняецца ў больш нераўнамерны дысбаланс аўтакаталізам. Затым, калі жыццё ўтварылася, адзін харчовы ізамер хутка выбіраўся па харчовай ланцугу і спецыфічнасці ферментаў. Такім чынам, сёння мы бачым толькі L-амінакіслоты і D-цукру.

У гэтай тэорыі ўсё яшчэ ёсць дзіркі. Ніколі не можа быць ідэальнага тлумачэння падзеі, якая пачалася мільярды гадоў таму. Але зараз у нас ёсць па меншай меры патэнцыйнае рашэнне для таямніцы біялагічнай гомахіральнасці.

"Таямніца стварае цуд, а дзіва - гэта аснова чалавечага жадання зразумець". - Ніл Армстронг

Каб атрымаць дадатковыя паведамленні пра хваробы і біялогію, падпішыцеся на Cell Your Soul. Не саромейцеся каментаваць ніжэй альбо паведамляць свае водгукі!