Wiele związków niezbędnych do istnienia życia na Ziemi może występować w dwóch formach, które mają się do siebie jak odbicia lustrzane czy inaczej mówiąc jak lewa ręka do prawej ręki. Najciekawsze jest to, że życie wybiera zawsze tylko jedną z dwóch dostępnych opcji – np. wszystkie aminokwasy, z których zbudowane są białka występują w konfiguracji L („lewej”), a cukry budujące DNA czy RNA mają konfigurację D („prawą”). Można teoretycznie założyć, że byłoby możliwe „odwrotne” funkcjonowanie (np. aminokwasy D i cukry L), a jednak takich form życia nie ma. Dlaczego? Czy kiedyś istniały, ale z jakiegoś powodu wyginęły i zostały wyparte przez te obecnie panujące na Ziemi? Czemu w ogóle życie opiera się na takich cząstkach, a nie na prostych, symetrycznych związkach i jak organizmom udaje się syntezować w 100% jeden enancjomer, podczas gdy w laboratorium taki wynik pozostaje tylko w sferze marzeń?
Rys. 1 Historia życia na Ziemi
Zanim przejdziemy do meritum tego artykułu, należy najpierw wyjaśnić kilka pojęć związanych z przedstawianym tematem. Po pierwsze – co to jest chiralność? Jest to cecha cząsteczek. Jeśli cząsteczka jest chiralna, znaczy to, że jej odbicie lustrzane nie jest identyczne z wyjściową cząsteczką. Nie można ich na siebie nałożyć. Takie cząsteczki różnią się tylko ułożeniem ich fragmentów w przestrzeni i nazywamy je enancjomerami. Enancjomery rozróżnia się na podstawie ich konfiguracji, która może być oznaczona literą L lub D w jednej nomenklaturze albo S lub R w innej. Poza różnicą w aktywności optycznej (skręcanie płaszczyzny światła spolaryzowanego) mają takie same właściwości fizyczne.
Rys. 2 Enancjomery mają się do siebie tak jak lewa ręka do prawej czyli są swoimi odbiciami lustrzanymi
Może się wydawać, że różnica pomiędzy takimi związkami jest więc prawie żadna i z powodzeniem można zastąpić jeden drugim. Praktyka pokazuje, że jest zupełnie inaczej, a oto kilka przykładów:
- Związek odpowiadający za zapach niektórych cytrusów – limonen może pachnieć cytryną (L) lub pomarańczą (D).
- Poligodial naturalnie obecny w rdeście ostrogorzkim chroni go przed mszycami, a jego odbicie lustrzane jest wysoce toksyczne dla rośliny.
- Najbardziej znanym przykładem jest chyba talidomid[1]. Jest to lek przeciwbólowy, który był stosowany szczególnie u kobiet, których ciąża przebiegała z powikłaniami. W latach sześćdziesiątych wiedza o różnych właściwościach enancjomerów nie była jeszcze rozpowszechniona, a lek był racematem czyli mieszaniną dwóch enancjomerów w stosunku 1:1. Brak wiedzy na temat ich właściwości zakończył się tragicznie. Forma R ma rzeczywiście działanie lecznicze. Forma S jest z kolei silnym teratogenem, który wpływa na DNA płodu. Około 15 tysięcy dzieci cierpi z powodu ciężkich deformacji ciała w wyniku zażywania racematu tego związku przez kobiety w ciąży. Pokazuje to jak ważnym zagadnieniem jest chiralność w przypadku funkcjonowania człowieka.
Rys. 3 Różne formy talidomidu
Wiemy więc już, że pomimo pozornego braku różnic, enancjomery mogą posiadać zupełnie inne właściwości w kontakcie z organizmami żywymi. Co jest przyczyną takiej rozbieżności? Wspomniane wcześniej aminokwasy budujące białka oraz cukry budujące RNA czy DNA wymuszają istnienie konkretnej formy związków w organizmach żywych. Mówiąc najprościej chodzi o to czy dana cząsteczka „pasuje” do środowiska, z którym ma oddziaływać. Bardzo duża liczba leków jest chiralna, a często tylko jeden enancjomer może być stosowany.
Niestety otrzymywanie czystych enancjomerów w laboratorium jest trudne, a czasem wręcz niemożliwe. Istnieje wiele katalizatorów chiralnych, które mają za zadanie zwiększyć ilość jednego enancjomeru względem drugiego. Nigdy jednak nie otrzymamy 100% jednego związku. Innym podejściem jest synteza z użyciem chiralnego, enancjomerycznie czystego substratu. W takim przypadku również nie dojdziemy do stuprocentowej wydajności, a w dodatku potrzebujemy odpowiedniego substratu, który często pozyskuje się z użyciem organizmów żywych. Gdy syntezujemy związek wykorzystując cząsteczki achiralne, otrzymany chiralny produkt będzie po prostu racematem i będziemy musieli dokonać rozdziału mieszaniny.
Organizmy żywe nie mają takich trudności. Wszystko dzięki enzymom. Można powiedzieć, że są to wysoce specyficzne biokatalizatory[2]. Wiemy o nich tyle, że to w większości przypadków białka posiadające centra aktywne, do których przyłącza się substrat. Dzięki temu ustawiony jest on w bardzo konkretnym położeniu, co umożliwia atak następnej cząsteczki w pożądanym miejscu. Trudno jednak dokładnie opisać funkcję całego białka w danej reakcji. Można przyjąć, że jest ono swojego rodzaju szkieletem, a także, że uczestniczy w tworzeniu stabilnego kompleksu enzym-substrat i w jego prawidłowym ułożeniu w przestrzeni. Gdyby tak było, wystarczyłoby zaprojektować w laboratorium cząsteczkę, która posiada podobnie ułożone grupy funkcyjne i stworzyć sztuczny enzym. Wielokrotnie podejmowano takie próby, jednak nigdy nie uzyskano stuprocentowej enancjoselektywności tak jak ma to miejsce w przyrodzie. Wydaje mi się, że nie rozumiemy jak dokładnie funkcjonują enzymy, a w szczególności nie znamy roli „szkieletu białkowego”.
Rys. 4 Model indukowanego dopasowania enzymu i substratu, w którym zakłada się częściowe zmiany kształtu enzymu podczas łączenia się z substratem
Jedna zagadka rozwiązana. Wiemy, że organizmy używają katalizatorów tak jak chemicy w laboratorium tylko, że z dużo większą wydajnością. Spróbujmy odpowiedzieć na kolejne pytanie. Dlaczego w ogóle organizmy żywe opierają się na cząsteczkach chiralnych? Wydaje się, że poziom złożoności ziemskich form życia wyklucza możliwość funkcjonowania na bazie cząsteczek achiralnych. Na którymś etapie rozwoju (prawdopodobnie bardzo wczesnym) musiały się pojawić cząsteczki chiralne. Wystarczy przecież jeden atom węgla i cztery różne podstawniki. Zakładając nawet, że mogłaby istnieć achiralna forma życia, musiałaby ona bardzo szybko przystosować się do warunków otaczającego ją, asymetrycznego świata. Dużo bardziej prawdopodobne jest, że życie powstało na bazie już obecnych w środowisku, chiralnych cząsteczek lub podłoża i nie było w ogóle możliwości powstania innej formy życia.
Dlaczego jednak wybrano syntezę na bazie L-aminokwasów? Istnieje kilka teorii na ten temat, ale to pytanie wciąż czeka na pełną odpowiedź. Myślę, że naukowiec, który rozwiąże tę tajemnicę i będzie w stanie potwierdzić ją w jakimś stopniu eksperymentalnie, zostanie zapamiętany na długo.
- Pierwsza z przedstawionych teorii zakłada, że wybór L-aminokwasów był uzasadniony dążeniem do utworzenia bardziej stabilnych produktów. Niedawno odkryto, że białka stworzone tylko z L-aminokwasów są nieco stabilniejsze niż ich lustrzani braci. Różnica w stabilności jest jednak tak niewielka, że trudno powiedzieć czy mogła mieć ona jakiekolwiek znaczenie. W warunkach równowagi w mieszaninie znajduje się o 0.0000000000000001% więcej polipeptydu zbudowanego na bazie L‑aminokwasów [3].
- Inna teoria opiera się na mechanizmie autokatalizy. Wiadomo, że jeżeli do środowiska dodamy nawet niewielkiego nadmiaru jednej formy enancjomerycznej, to może ona znacznie na nie wpłynąć. Jeżeli do nasyconego roztworu racemicznego dodamy niewielką ilość formy L danej substancji, to będziemy obserwować tworzenie się większych ilości kryształów L niż D. Mogą one także oddziaływać z innymi substancjami zawartymi w roztworze i zmieniać ich chiralność. Naukowcy uważają, że organizmy pierwotne mogły powstawać na kwarcu, który służył za chiralne środowisko. Niektóre publikacje sugerują nadmiar około 0,5% do 1,4% form enancjomerycznych kwarcu o prawoskrętnej helisie krzemotlenkowej[4]. Jeśli uznamy te doniesienia za prawdopodobne, musimy zadać jeszcze jedno pytanie. Czy to była przyczyna czy konsekwencja istnienia homochiralnych form życia? Możemy znaleźć odpowiedź na to pytanie, jeśli potwierdzimy występowanie przewagi określonych form chiralnych poza naszą planetą[5].
- Ten fenomen próbuje się również wyjaśnić bazując na zmiennych warunkach fizycznych. Synteza cząstek chiralnych w obecności światła spolaryzowanego prowadzi do powstania nadmiaru jednego z enancjomerów. Światło słoneczne jest lekko spolaryzowane tuż przed świtem i po zachodzie Słońca. Sumaryczny wpływ światła przy ciągłym narażeniu na nie znosi się. Można jednak założyć tworzenie się życia w obecności tylko jednego rodzaju światła słonecznego np. w obszarze zacienionym, narażonym na promieniowanie tylko przed świtem. Możliwe jest również tymczasowe wystąpienie innego źródła światła spolaryzowanego pochodzącego spoza Układu Słonecznego. Takim źródłem mogła być potężna kosmiczna eksplozja np. supernowa[6].
- Najwięcej uczonych skłania się w stronę teorii „dog eat dog”, w której zakłada się, że jeden organizm zjadał drugi. Możemy założyć, że na początku występowały organizmy bazujące na obu formach aminokwasów i miały ze sobą styczność. Ich ewolucja przebiegałaby konkurencyjnie, a najmniejsze zaburzenie równowagi na korzyść jednej formy, doprowadziłoby w końcu do całkowitego wyginięcia alternatywnej formy życia. Teoria ta zakłada więc wystąpienie jakiegoś zdarzenia losowego, które umożliwiłoby wysunięcie się formy L życia na prowadzenie[7]. Biorąc pod uwagę, że historia życia na Ziemi obejmuje kilka miliardów lat, wystąpienie takiego scenariusza nie jest wcale nieprawdopodobne.
Rys. 5 Wzór ogólny L-aminokwasów
Tak naprawdę żadna z tych teorii nie wydaje się do końca przekonująca. Potrzebujemy jeszcze wielu lat badań, żeby zbliżyć się do odkrycia prawdy. To zagadnienie jest jednak niezwykle ważne, gdyż pozwoli nam na lepsze zrozumienie ewolucji i funkcjonowania organizmów na Ziemi, a także może rozwiązać wiele problemów natury praktycznej np. związanych z produkcją leków czy leczeniem chorób wynikających z nieprawidłowego funkcjonowania enzymów.
Moim zdaniem jest bardzo mało prawdopodobne, że życie powstało tylko raz na bazie L‑aminokwasów i D-cukrów. Z jakiegoś powodu druga forma istnienia musiała więc nie przetrwać do czasów obecnych. Może na Ziemi występują czynniki, o których jeszcze nie wiemy, a które mogły doprowadzić do zagłady naszych lustrzanych odpowiedników? Trudno odpowiedzieć na to pytanie, ale na pewno warto się nad nim zastanowić.
Jeśli zainteresował Cię ten temat, polecam przeczytać również, opublikowany na naszej stronie w grudniu 2014, artykuł „Enzym początku życia”. Jest w nim opisane badanie, w którym stworzono rybozym – enzym wykonany z kwasu rybonukleinowego. Po umieszczeniu go w roztworze zawierającym wyłącznie jednakowo skręcone fragmenty RNA był on w stanie stworzyć swoją lewoskrętną kopię, a ta mogła dołączać segmenty RNA o prawoskrętnej chiralności. Potwierdzenie obecności tego typu związku przy powstawaniu życia bardzo dobrze wytłumaczyłoby wybór tylko jednej formy skręcalności.
Opracował: Maciej Bielak-Wolanin
- Ernst Mutschler:Farmakologia i toksykologia. Wrocław: MedPharm Polska, 2010, s. 102, 214–215, 952. ISBN 978-83-60466-81-0.
- Jaeger KE., Eggert T.Enantioselective biocatalysis optimized by directed evolution. „Curr Opin Biotechnol”. 4 (15), s. 305-313, sierpień 2004. DOI:1016/j.copbio.2004.06.007. PMID: 15358000(ang.).
- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2857173/
- Palache et al., Dena’s System of Mineralogy, 3, Wiley, N.Y. 1962.
- H. Engel, S.A. Macko, Isotopic evidence for extraterrestrial non-racemic amino acids of the Murchinson meteorite, Nature 1997,386, 265.
- http://theastronomist.fieldofscience.com/2011/01/universe-and-life-is-asymmetric.html
- http://siechu.dmw.wroc.pl/mirror_iic/bio/publikacje/Alicja/alicja.htm
