Популярно о науке

Previous Entry Share Next Entry
Еще о киральной диссимметрии живого
ahiin
Здорово напомнило любимейшего в детстве Гарднера!

Оригинал взят у 2born в Еще о киральной диссимметрии живого
Поскольку недавний пост заинтересовал читателей, приведу здесь кусочек из своего давнишнего пособия по КСЕ (основанный, в основном, на статье [Хегстрём Р.А., Кондепуди Д.К. Зеркальная асимметрия Вселенной. -- В мире науки, No. 3, 1990.] )


В 1848 г. Луи Пастер, исследуя под микроскопом одну из солей винной кислоты, заметил, что она существует в виде кристаллов двух типов, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Он отделил эти два типа кристаллов друг от друга, растворил их в воде и пропустил луч света через оба раствора. К своему большому удивлению, Пастер обнаружил, что один из растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой - в обратном направлении. Это блестящее открытие, сделанное Пастером в возрасте 25 лет, привело его к развитию теории молекулярной структуры. В то время о структуре вещества на таком уровне было мало известно. Пастер постулировал, что две различные формы кристаллов соли винной кислоты и их способность вращать плоскость поляризации света в противоположных направлениях объясняются тем, что
существует два вида молекул соли - "правые" и "левые".

rot_pol_color
Рис. 4.3. Схема эксперимента по исследованию вращения плоскости поляризации. S -- источник света, 1, 2 -- поляризаторы, 3 -- кювета с исследуемой жидкостью (например, раствором сахара). Второй поляризатор поворачивают до тех пор, пока не добьются максимальной яркости.


Это исследование проложило путь другому замечательному открытию, сделанному Пастером в 1857 г. Однажды он обнаружил, что в лабораторной чашке с оптически неактивным (т.е. не вращающим плоскость поляризации света) раствором выросла плесень. Вместо того, чтобы просто вылить "испорченный" раствор, как это было принято, Пастер проверил его оптическую активность. Оказалось, что "испорченный" раствор вращал плоскость поляризации света! Микроорганизмы превратили оптически неактивный раствор в активный.

На основе развитой им молекулярной теории Пастер сделал вывод, что первоначальный раствор был оптически неактивным, потому что содержал равное количество правых и левых молекул. Химические реакции плесени с молекулами только одного вида привели к тому, что в растворе стали преобладать молекулы другого вида. Эта диспропорция и породила оптическую активность раствора.

Таким образом, Пастер обнаружил, что химические процессы в живых организмах не обладают зеркальной симметрией: в них долинируют либо левые молекулы, либо правые. Он стал рассматривать зеркальную симметрию как самое яркое различие между живой и не живой материей, и в конечном итоге провозгласил ее основополагающим принципом природы, значение которого выходит далеко за рамки химии живого вещества.

И в самом деле, современная наука выяснила, что зеркальная симметрия часто отсутствует в природе. В последние десятилетия начали проясняяяться причины этого факта. Рассказ о том, что известно по этому поводу, а что -- нет, удобнее всего начать с привычных для нас объектов.

Природные объекты, которые не совпадают со своими зеркальными отражениями,
называются киральными (или хиральными, от греческого слова хир\'е - рука; этот же корень присутствует в словах "хиромантия", "хирургия"). Чтобы различить предмет и его зеркальное отображение, вводят понятия правого и левого объектов.

Хотя по определению киральный объект и его зеркальное отображение не идентичны, нет никаких оснований а priori считать, что один из них имеет преимущество перед другим. И все же в реальном мире часто встречается предпочтение одних видов киральности другим. Самым поразительным образом это может быть проиллюстрировано на примере живыых организмов. Например, у человека сердце находится слева, а печень справа. Большинство людей владеет правой рукой лучше, чем левой. В процессе роста вьюнок (Convolvulus arvensis) закручивается как правый винт, а жимолость (Lonicera sempervirens) - как левый. Причина такой диссимметрии достоверно не известна, хотя есть правдоподобное объяснение, апеллирующее к наследственности: если однажды правое (или левое) стало доминировать, неважно по какой причине, так оно и зафиксировалось
навсегда.

Как обнаружил Пастер, молекулы тоже могут обладать киральностью. Химики называют зеркально асимметричные молекулы оптическими L- и D-изомерами (от лат. Levo - левый и Dextro - правый), или энантиомерами. Эти обозначения сохранились со времен исследования Пастером вращения плоскости поляризации света растворами химических соединений. Оптические изомеры найдены
во многих органических и неорганических веществах, их имеют практически все молекулы, играющие существенную роль в развитии живых организмов, в частности, белки, обеспечивающие структуру и химическое регулирование жизнидеятельности клеток, и ДНК - носитель генетической информации.

Молекула белка - это полипептид, т.е. полимер, состоящий из аминокислотных остатков. Хотя в природе существует несколько сот аминокислот, все белки построены из одних и тех же 20 аминокислот. Эти аминокислоты, кроме одной (глицина), обладают киральностью, существуя в форме оптических L- и D-изомеров. Белки построены исключительно из L-аминокислот. (В очень редких случаях пептиды, т.е. короткие цепочки аминокислот, содержат D-аминокислоты и играют особую
биологическую роль.)

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК представляют собой биополимеры, которые существуют в природе лишь в одной киральной форме. Эти кислоты построены из мономеров четырех видов, в каждый из которых входит остаток киральной молекулы сахара. В нуклеиновых кислотах присутствует только оптический D-изомер сахара. Обычно ДНК и РНК образуют правую спираль, что обусловлено присутствием D-изомера сахара. Правильная репликация (воспроизведение) нуклеиновых кислот зависит от активности белков, построенных из L-аминокислот, так что свойства киральности белков и нуклеиновых кислот оказываются тесно связанными друг с
другом.

Вследствие киральности основных биомолекул химические процессы в живом орнанизме очень чувствительны к различиям между оптическими изомерами. Насколько серьезными могут быть последствия этого, показал случай с талидомидом. Препарат талидомид (выпускавшийся и под многими другими названиями) приобрел большую популярность в качестве седативного (успокаивающего) средства и слабого снотворного сразу же после своего появления в продаже в 1956 г.; даже очень большие дозы талидомида не приводили к летальному исходу. Однако в 1963 г. было обнаружено, что употребление его женщинами в течение первых трех месяцев беременности приводит к появлению у детей врожденных уродств, и вскоре продажа препарата была запрещена во всех европейских странах. (В США талидомид никогда не был разрешен из-за некоторых побочных нейрологичеких эффектов.) В настоящее время установлено, что только D-форма талидомида тератогенна (способна вызывать аномалии развития), в то время как L-изомер помогал избавыиться от утренней тошноты! В настоящее время фармацевтическая промышленность уделяет пристальное внимание разделению энантиомеров. [Уважаемый feanoturi недавно просветил, что в организме левая и правая формы талидомида охотно превращаются друг в друга, так что разделением тут не поможешь!]

Другой пример чувствительности к оптической изомерии представляет собой лимонен - сложное соединение, обнаруженное в лимонах, апельсинах и парфюмерных изделиях. В этом случае различие между оптическими изомерами можно ощутить просто по запаху: один из них пахнет лимоном, другой - апельсином.

Огромное предпочтение, оказываемое химией живой природы L-аминокислотам и D-сахарам по сравнению с их зеркальными, кажется необычным по двум причинам. Во-первых, если не считать незначительных различий, свойства оптических L- и D-изомеров по существу зеркально симметричны. Во-вторых, при синтезе киральных молекул из акиральных кирпичиков образуется равное количество оптических L- и D-изомеров, если не вводить особый асимметричный агент.

Фундаментальная причина существования подобной симметрии кроется в том, что химические реакции по существу являются результатом электромагнитных взаимодействий атомов. Для электромагнитных сил характерно следующее: если может происходить какой-то процесс с их участием, то с такой же вероятностью может происходить и процесс, являющийся зеркальным отображением исходного (так называемое сохранение четности). Поэтому следовало бы ожидать, что в природе существуют равные количества L- и D-изомеров. В действительности это не так, но почему?

Возможный ответ на это состоит в следующем. В 1957 г. было обнаружено, что слабые взаимодействия не сохраняют четность, т.е. два процесса, обусловленных слабым взаимодействием и являющихся зеркальным отображением друг друга, будут протекать с разной вероятностью. В настоящее время установлено, что слабое взаимодействие (а, точнее, обмен $Z^0$-бозоном между атомным ядром и электроном) приводит к тому, что атомы приобретают киральность (рис. 4.4). На эксперименте наблюдался поворот плоскости поляризации света, проходящего через пары
атомарного висмута. Эффект оказался небольшим, но наблюдаемым! Таким образом, мы видим, как киральность на одном уровне материи порождает киральность на более высоком.

Расчеты показывают, что в процессе синтеза аминокислот вследствие действия слабых сил L-аминокислоты должны получаться чаще D-аминокислот на относительную величину


В настоящий момент окончательно не выяснено, мог ли столь малый "фактор преимущества" в процессе эволюции послужить причиной киральной диссимметрии в химии живых существ.

FIG42

Рис. 4.4. Атомы становятся киральными под влиянием слабых ядерных Z-сил. Справа показан электрон на орбите вокруг ядра со спином, направленным "вверх"; его зеркальное изображение показано слева. В присутствии Z-сил направление движения электрона стремится стать параллельным его спину.

  • 1
По-русски это называется Хиральность

Это у химиков))) А физики предпочитают говорить Киральность)))

Да, действительно! ;)

По-моему, договоренность тут такая: то, что относится к физике частиц и теории поля, это киральное. А то, что относится к химии, к молекулам и атомной физике — это хиральное. Поэтому слабое взаимодействие различает левые и рпавые киральные фермионы, но у жизни чистота — хиральная.

Вот так Киральность на одном уровне организации материи порождает Хиральность на следующем:)))))))

Это называется "на кир перевести" )))

А притягивать слабое взаимодействие к стереоспецифичным реакциям мне кажется сильно искусственным. Там же все просто: подлезет один атом к другому или не подлезет.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account