Хиральная стерильность биосферы

Все живые существа на Земле, начиная с амебы и кончая слоном, состоят из одних и тех же аминокислот. Однако среди аминокислот могут попасться и смертельно ядовитые. Как не отравиться хиральным ядом,

Введение

Хиральность (от др.-греч. χειρ — рука, а не от того, на что Вы подумали) - химический термин для обозначения изомеров вещества. Как известно, многие достаточно сложные вещества обладают молекулами одной химической формулы, состоящие их одних и тех же атомов, но пространственная конфигурация этих молекул различна. Эти молекулы (или изомеры) обладают хиральностью или определенным видом симметрии. Пример зеркальной симметрии - две руки. На правую руку нельзя одеть левую перчатку и наоборот. Зато в зеркале правая рука выглядит левой, а левая - правой. Точно так же изомеры молекул одного вещества (их называют цис- и трансизомеры) не могут быть пространственно совмещены, но получаются друг из друга при зеркальном отображении. Кроме зеркальной могут быть другие виды симметрии, например, центральная симметрия, осевая симметрия.

Изомеры веществ обладают разными свойствами. Например, при кристаллизации тартрата натрия-аммония цис- и трансизомеры образуют соответственно правый и левый кристаллы. Если затравка содержит только цисизомер, то и кристалл вырастет только правым. Все трансизомеры останутся в растворе. На этом свойстве, кстати, и основано промышленное разделение изомеров в химии (при очистке лекарств).

Впервые с явлением хиральности столкнулся великий Луи Пастер. Он и дал название этому феномену.

Оптическая активность.

Впервые способность веществ поворачивать плоскость поляризации заметил Доминик Араго еще в 1811 году. Немного позже Био и Зеебек установили, что скипидар тоже способен вращать плоскость поляризации, причем не только в жидком, но и газообразном виде. Так стало ясно, что оптическая активность присуща именно молекулам веществ.

В 1828 году Уильям Николь сконструировал поляриметр - прибор, и поныне использующийся для измерения угла поворота плоскости поляризации. Он состоит из двух кристаллов исландского шпата, пропускающих через себя поляризованный свет. Между ними, на оптической оси установки, находится исследуемое вещество.

Если налить в кювету поляриметра раствор с левым (либо правым) изомером, то можно увидеть, что плоскость поляризации света, прошедшего через кювету, повернулась. Обозначения на рисунке: 1 - источник света, 2 - свет неполяризован, 3 - поляризатор, 4 - свет, прошедший поляризатор, 5 - кювета с исследуемым веществом, 6 - поворот плоскости поляризации в оптически активном веществе, 7 - вращаемый наблюдателем анализатор, 8 - глаз наблюдателя.
Вращая анализатор, экспериментатор находит угол, при котором количество света, прошедшего через установку, будет максимальным. Если этот угол отличается от нуля, вещество обладает оптической активностью. По направлению этого угла и принято различать изомеры. Левовращающие изомеры поворачивают плоскость поляризации влево, правовращающие, соответственно, вправо.

Причем тут хиральная стерильность?

Зачастую цис- и трансизомеры обладают разными химическими и биологическими свойствами. Например все живые существа на Земле состоят из левовращающих аминокислот и правовращающих сахаров.

Если в кювету поляриметра Николя налить раствор с аминокислотой, полученной из живого организма, то плоскость поляризации света повернется влево.

Смесь левого и правого изомера, естественно, никуда плоскость не вращает. Оба изомера взаимно компенсируют оптическую активность друг друга. Таким образом экспериментаторы получают в руки очень простой метод, позволяющий за пару секунд выяснить, какой изомер (или смесь изомеров) получилась в результате химической реакции.

Интересно, что продукты реакции, полученные в опыте Миллера-Юри, плоскость поляризации не вращают. Следовательно, аминокислоты в этом опыте состоят из смеси изомеров. Таким образом, биологические аминокислоты все-таки отличаются от аминокислот, полученных с помощью химической реакции. Это наиболее сильный аргумент противников применимости результатов эксперимента Стенли Миллера к загадке абиогенеза.

Более того, эксперименты показывают, что разные изомеры по разному биологически активны. Например, левый изомер антибиотика пеницилламина обладает, как ему и положено, антимикробным действием. Правый изомер является страшным ядом, убивая все подряд - и микробов, от которых организм лечится, и сам организм. В самых малых концентрациях он приводит к слепоте.

Загадка хиральной стерильности

Биосфера Земли хирально стерильна. В литературе можно еще встретить термины "хирально асимметрична", "хирально однородна" и т.д. Все без исключения живые существа, от амеб до слонов, состоят из одних и тех же левовращающих аминокислот и правовращающих сахаров.

Действительно, почему биосфера хирально однородна? Гипотезы абиогенеза объясняют это обычно тем, что ВСЯ биосфера произошла от одной-единственной левой молекулы РНК. В первичном бульоне присутствовали оба изомера, но в результате добиологических мутаций (смотрите теорию гиперциклов) преимущество получила одна молекула. Например, у которой за счет удачной мутации скорость катализируемых реакций увеличилась. Эта молекула и передала свой наследственный код потомкам, которые "сожрали" всю безхозную органику. Волей случая этой удачно мутировавшей молекулой и была левая РНК.

Такое объяснение является на самом деле лишь объяснением наполовину. Вероятность 0,5 статистически очень велика, чтобы можно было сделать такой вывод.

Модели, объясняющие хиральную неоднородность биосферы

В этой главе речь пойдет не об устоявшихся теориях, которые приняты большинством научного мира, а лишь о гипотезах. Поэтому рекомендую к моделям в этой главе относиться очень осторожно, и не ссылаться на них, как на окончательную истину. Следует помнить также, что большинство этих моделей работает в рамках неравновесной термодинамики.

- Модели Гольданского В.И. "холодной предистории жизни"(1986 г.) и "спонтанного нарушения симметрии"(1988 г.). Описывают разрушение зеркальной симметрии и сдвиг равновесия между изомерами в сторону левовращающих аминокислот на предбиологическом этапе.
- Модель гиперциклов М. Эйгена. В настоящий момент эта модель наиболее успешно проработана и продолжает развиваться. Представляет собой комбинацию автокаталитических реакций, каждая из которых представляет собой цикл. Если нарисовать схему гиперцикла, мы увидим некое подобие шарикоподшипника. Ниже приводится рисунок из книжки К.Ю. Еськова "Популярная палеонтология":

Типичный пример гиперцикла - размножение РНК-содержащего вируса в живой клетке.

Недавно появилась работа, указывающая на избирательное разрушение одного из изомеров рибонуклеотида цитозина под действием поляризованного ультрафиолетового излучения. Авторы выдвигают предположение, что таким образом могла возникнуть асимметрия изомеров, образовавшихся в веществе кометы. Вообще говоря, скопилось уже довольно много фактов, указывающих на то, что достаточно сложная органика могла образовываться в веществе комет. Гипотеза уверяет, что комета с такой несимметричной РНК упала на Землю, запустив дальнейший процесс абиогенеза. Однако гипотеза ничего не говорит о том, где в космосе взялся поляризованный ультрафиолет. Как известно, излучение нашего Солнца в широком диапазоне (инфракрасный свет, видимое излучение, ультрафиолет) подчиняется законам Больцмана и Вина, то есть излучает как абсолютно черное тело, нагретое до 5778 градусов Кельвина. Излучение такого тела неполяризовано.

А вот статья, описывающая еще один феномен. В ней описывается эксперимент, в котором левый и правый изомеры бромкамфоры, а так же их смесь подвергалась расщеплению очень медленными (доли электронвольта) и сильно поляризованными электронами. Оказалось, левый и правый изомеры бромкамфоры по разному реагируют с электронами. Как в природе завелась бромкамфора, динозавр себе еще может представить, но где взяться источнику меееееедленных поляризованных электронов, он не знает, хотя очень умный.

Таким образом, загадка до сих пор не раскрыта. Будем надеяться, что развитие науки даст более удовлетворительный ответ.

А нужна ли хиральная асимметрия?

До сих пор считалось, что хиральная асимметрия - непременный атрибут жизни. То есть молчаливо постулировалось, что сперва какие-то (нам пока неизвестные) процессы разделили правые и левые изомеры, а уж потом из левых изомеров и образовалась жизнь.

Этот постулат казался биохимикам настолько очевидным, что даже не вызывал ни у кого сомнения. Еще бы - правые изомеры, введенные в раствор, являются эффективными ингибиторами. То есть они блокируют работу своих левых собратьев. Другими словами, они являются ядом для всего живого. Поэтому огромное число научных коллективов по всему миру упорно искали эти неизвестные процессы сепарации.

Но научный склад ума в том и заключается, что сомнению подвергается все, даже кажущиеся совершенно очевидными вещи. И вот пожалуйста: двое американцев - Джонатан Щепански (Jonathan T. Sczepanski) и Джеральд Джойс (Gerald F. Joyce), похоже, оставили все остальное биологическое сообщество с носом. Они подвергли сомнению постулат, что "вначале была хиральная сепарация". И не только подвергли сомнению, а экспериментально доказали, что левые и правые изомеры спокойно могут "жить" в одном растворе. Не только не мешая, а, наоборот, помогая друг другу. В этом эксперименте некий рибозим (кросс-хиральная полимераза) точно и быстро создает свою зеркальную правую копию. Правая копия так же точно и быстро создает левую!!!!!
Как была получена эта полимераза - отдельная история, сама по себе уже тянущая на нобелевку. Но то, что вытворяет эта молекула... это уже просто феерично!

Кроме того, фееричными являются выводы, которые можно сделать из результатов этого эксперимента. Вкратце эти выводы таковы:

1. Хиральная асимметрия не является непременным атрибутом жизни. Можно представить себе зарождение жизни из рацемической смеси, появляющейся в результате эксперимента Миллера-Юри. При этом отпадает необходимость в поисках некоего сепарационного процесса. Путь зарождения жизни получается во много раз проще и короче.

2. Хиральная асимметрия, похоже, является не причиной, а следствием биологической эволюции. Вполне можно себе представить, что в результате мутации левые полимеразы получили преимущество по скорости перед правыми. Как известно, природа никогда не начинает заново - она "работает" с тем материалом, который у нее есть в настоящий момент. Получив преимущество, левые полимеразы стали искать способ "избавится" от правой половины. По видимому, они его нашли, раз правые изомеры оказались совершенно вытеснены.

Таким образом, Щепански и Джойс не только показали всему миру, что прежний путь был кривым, извилистым и трудным, а возможно, и неверным. Они продемонстрировали нам, что есть другой путь, более короткий и простой. Пока еще в научном мире длится ошеломление, вызванное новым евангелием от двух первопроходцев. Мы надеемся, что скоро открытия посыплются, как из рога изобилия.

*************************
Литература
1. Левое или правое?