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生命不息,“手性”不止?漫談有機化學中“手性”的起源

來源: 找試劑網 2017-05-25 14:38:27


     組成生命的基礎分子大多來自于遙遠而神秘的空間,大多數分子都是具有手性的。

嘗試用你的右手去握同伴的左手,結果怎樣、是不是怎么著都感覺不對?哈哈~你的右手掌與他/她的左手掌不能舒適地握合,這是因為手是具有非重疊鏡像的手性物體。“手性”一詞也是來源于此。

所有的物體(objects)均有一個鏡像(吸血怪除外,哈哈),但是只有當物體本身與其鏡像不重疊時才稱之為手性的。若物體本身與鏡像可以發生重疊,這意味著如果能把物體在鏡子后面的圖像“拽出”,那么兩者完全一致。因此,任何的三維對象要么具有手性,要么不具有。


 

生命的基石是手性的

       分子也是微小的三維物體,而且許多分子是手性的,這是《有機化學》中的一個常識,是由路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)在1848年發現的。手性分子本身與其鏡像被稱為一對對映體。大多數學者認為,在無生命的宇宙中,手性分子對映體是等量的,被稱為外消旋混合物。

       至今為止,已經在星際塵埃和氣體云中檢測到手性分子有過氧化氫,最近又有報道檢測到環氧乙烷。另外一些生命中最重要的分子,如構成DNA和RNA的基本單位核苷酸,原則上存在被稱為D或L的對映體,表示“左旋”和“右旋”兩種形式。

       一直困擾著數代科學家的一個事實是:活性有機體只含有D型核苷酸!換句話說,生命是同手性的!

       怎么說呢?單單就其本身而言,生命形式的這種同手性并不起眼。科學家們已經在實驗室證實:左右異向的DNA和RNA不能發揮其本身的功能,甚至在生物體內根本無法形成。不過,問題是:為什么生命體是D型而不是L型的手性形式?

像蝸牛這類螺旋物體就是鏡像非重疊的實例。

 

        在生命的起源中,D型核苷酸聚合物究竟以何種方式被選擇出來并不斷手性增強,而L型最終消失,這種機制到底是什么?

生命體的其他眾多組成分子,譬如氨基酸也是手性的,氨基酸只存在L型對映體。去年,有科學家提出一種特殊的L型甘氨酸(氨基酸最簡單的一種分子形式,普通甘氨酸不具有手性)可能有助于產生其他L型氨基酸,但是這種機制不能指導DNA和RNA等D型核苷酸。

 

漫談過氧化氫

       去年年底,澳大利亞國立大學(Australian National University)的Rowena Ball等學者提出:過氧化氫可以調解低過量D型聚核苷酸同手性的擴增。

       過氧化氫分子是在38億多年前伴隨生命的出現而出現,現也存在于火星、土衛一、木衛二上。上文提到,太陽系外也有檢測到過過氧化氫的存在。

       Rowena Ball 等人之前的研究表明,過氧化氫可能為前細胞原始生命(“RNA世界”)提供了必要的周期性驅動。

       而最近的研究則專注于過氧化氫另一個顯著的特性:過氧化氫本身是最小、最簡單的手性分子,以一對對映體(M和P)的形式出現。

       居里原則指出,原因的對稱性總是反映在結果中。放在當下環境中,可以理解為手性引起手性。換句話說,為了實現手性的選擇性合成、分離、擴增,需要提供手性劑,或者外加力。

       事實上,在目前實驗室中,已經有學者使用手性有機過氧化物來調解手性分子的生產。這樣看來,從原則上來說,或許過氧化氫也可以采取類似的方式。

M型(左)和P型(右)過氧化氫對映體的3維結構表征。插圖為制作P型對映體模型

 

       目前普遍為人接受的一種解釋是,隕石轟擊導致少過量的L型氨基酸落在古老的地球上。并且,低過量的L型氨基可以催化產生少量D型核苷酸前軀體。在這種情況下,導致D型多核苷酸超過L型多核苷酸。值得一提的是,RNA中,相比L型鏈,D型鏈傾向于具有更長的平均長度。

       在原始湯中,容易發生一個或其他過氧化氫對映體的局部過量。而多核苷酸間的特殊作用傾向破壞較短的L型鏈,保留下來較長的D型鏈。

隨著更多的L型鏈被破壞,過氧化氫能夠“持續被殘殺”,即通過一個對映體(M)優化氧化破壞L型鏈。

       總的來說,這一過程消耗了L型多核苷酸,換之D型鏈增多且平均長度增加。不過在此過程中過氧化氫仍是外消旋混合物,M型和P型對映體在時間和空間上保持平衡。所以得到一個為微妙的強化效果:隨著時間推移,D/P比例增加,而L/M比例降低。

       因此,本身手性均一性(同手性)的出現賦予了RNA物種重復再生的優勢。那么,在宇宙的其他地方,是否存在由L型核苷酸構成的鏡像生命體呢?這一疑問恐怕短期內無人能夠解答。

       澳大利亞著名學者Rowena Ball表示,或許從某種意義上說人類都是“吸血鬼”。因為人體都是分子組成的反映,而在世界上沒有與之相應的自然鏡像。那么人類的鏡像是如何消失的呢?這或許又是一個值得永生探索的奧秘。(參考鏈接:The riddle of life’s single-handness,來源:材料牛)


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