Доминирование L-энантиомеров аминокислот в природе

Мы тут в нашем блоге, конечно, иногда шутим над верующими, мол, вот дурачки, взрослые люди, а сами верят в древнееврейские сказки. Но на самом деле, мы это только шутим. Потому что представители церкви проявляют порой чрезвычайную хитрость, чрезвычайное остроумие, любознательность и естественнонаучную осведомлённость. И, бывает, подкидывают загадки, которых от них совершенно не ждёшь.

Вот недавно нечто подобное и произошло. Один замечательный верующий читатель решил нас серьёзно озадачить. И прислал нам на ящик каверзнейший вопросик.

Теоретически, альфа-аминокислоты могут образовывать два ряда оптических изомеров – D и L. Но почему в природе доминируют L-формы, тогда как D-аминокислоты чрезвычайно редки?

Более того, в оригинальном эксперименте Миллера-Юри были получены аминокислоты, но в виде смесей с равным содержанием оптических изомеров. Как тогда можно применять его для моделирования химической эволюции, если в природе встречаются почти исключительно L-изомеры аминокислот?

Ну, мы могли бы ответить на это из общих соображений. Каким образом наличие вопросов, на которые вы не можете дать ответ, говорит в пользу бога и как из факта доминирования только одного оптического изомера может следовать существование разумных сверх-естественных сил. Но подумали, что это мало похоже на хороший ответ. И решили постараться его дать.

Читатель не поленился и процитировал русскую Википедию, которая не удоволетворила и не могла удоволетворить его любопытство. Процитирую.

Данную особенность «живых» аминокислот весьма трудно объяснить, так как в реакциях между оптически неактивными веществами L и D-формы образуются в одинаковых количествах. Возможно, выбор одной из форм (L или D) — просто результат случайного стечения обстоятельств: первые молекулы, с которых смог начаться матричный синтез, обладали определенной формой, и именно к ним «приспособились» соответствующие ферменты.

Действительно, может сложиться впечатление, что это очередная загадка природы, которую следует смело заносить в реестр необъяснимых чудес. Однако если мы будем ориентироваться не на Википедию, а на исследовательские работы, мы получим ответ, гораздо более внятный.

Но перед этим немного об изомерии в органической химии.

Изомерия – это явление, заключающееся в том, что вещества одинакового состава имеют разные свойства. Иногда это обусловлено различными последовательностями связей между атомами в молекулах этих веществ. В этом случае такие вещества называются конституционными, или структурными, изомерами. Например.

IMAG3665

Например, составу C4H10 могут соответствовать два разных соединения, которые имеют разные структуры и отличаются последовательностью связей атомов.

Однако в некоторых случаях последовательности связей атомов в молекуле одинаковы, однако вещества различаются лишь положением атомов в пространстве.

IMAG3666

Последовательность атомов здесь одинакова для каждого из двух соединений, однако атомы этой последовательности по-разному располагаются на плоскости в каждом случае.

Изомеры с одинаковой последовательностью связей атомов но с разным их пространственным расположением называются пространственными, или стереоизомерами.

Частный случай стереоизомерии – это оптическая изомерия. Поясним на примере.

Рассмотрим левую и правую руки. Одна рука является зеркальным отражением другой. Однако руки невозможно наложить одна на другую так, чтобы они совместились.

IMAG3661

А теперь представьте, что руки – это молекулы, а пальцы – заместители. Таким образом, у нас может быть две молекулы, которые не отличаются составом, но отличаются зеркальным расположением заместителей. Причём эти молекулы невозможно наложить одна на другую так, чтобы они полностью совпадали.

IMAG3667

Если при атоме углерода находятся четыре разных заместителя, то вещество с таким атомом в своём составе будет иметь два оптических изомера (химики называют их энантиомеры), каждый из которых является зеркальным отражением другого. И их нельзя совместить путём наложения.

(Рисунки взяты из книги Organic Chemistry, 9th ed., Graham Solomons & Craig Fryhle.)

Собственно, с альфа-аминокислотами та же история. Они образуют пары энантиомеров. Но дело в том, что в природе из двух возможных энантиомеров преобладает один. Почему?

Очевидно, что такое преобладание не могло случится самопроизвольно. И для его возникновения необходимо было некое внешнее воздействие, которое могло бы: а) обеспечить избирательный – стереоселективный – синтез только одного из них б) обеспечивать избирательное разложение одного из изомеров, чтобы остался другой.

Но что это могло быть за воздействие?

И у нас есть определённые экспериментальные данные, позволяющие сделать предположения на этот счёт.

Тени и Аккерман воздействовали на этиловый эфир фумаровой кислоты перекисью водорода при облучении правополяризованным по кругу светом. И они получили винную кислоту с небольшим преобладанием D-энантиомера! То есть, оптически-активный продукт. Таким образом была показана возможность фотохимического синтеза энантиомеров.

Облучение реакционной смеси поляризованным в определённом направлении светом может привести к преимущественному получению одного из двух энантиомеров. А теперь я скажу, что поляризованный свет вовсе не является редкостью в нашей галактике.

Млечный Путь ориентирован в пространстве определённым образом. Он “закручен” в одном направлении и, более того, имеет определённую ориентацию магнитного поля. В результате частицы космической пыли тоже ориентируются в нашей галактике определённым образом и поляризуют падающий на них свет звёзд лишь в одном направлении.

Поляризованный космической пылью свет звёзд, в свою очередь, мог увеличивать селективность образования одного из энантиомеров. Или, чего не следует исключать, ускорять разложение другого.

Возможно, именно этим и объясняется тот любопытный факт, что среди обнаруженных в метеоритах аминокислот преобладали L-изомеры.

А теперь немного о ядерной физике. Слабое взаимодействие является единственным из четырёх фундаментальных взаимодействий, для которого не выполняется закон сохранения чётности. А это значит, что ему подвержены лишь определённые частицы, с определённой ориентацией спина. Поэтому в результате бета-распада ядер происходит излучение электронов – бета частиц, имеющих только лишь определённый спин.

Облучение оптических смесей веществ электронами одного спина может приводить к более быстрой деградации преимущественно одного из энантиомеров.

Таким образом, у нас есть два фактора, которые могли бы изменять соотношение энантиомеров. Это поляризованный свет и бета-излучение.

Можно сказать, что по крайней мере в нашей галактике сложились такие условия, в которых L-изомеры аминокислот оказались более кинетически устойчивыми, чем D-.

И теперь ещё один момент. Почему на рибосомах в клетках возможен синтез пептидных цепей только из L-аминокислот? Ведь факт преобладания одного энантиомера ещё не означает отсутствие второго и невозможность для него вступать в те же реакции? Однако D-аминоксилоты не вступают в рибосомальный синтез пептидов.

Я уверен, что дело здесь кроется в кинетике – скорости реакций. Надо полагать, что самым первым биокатализатором, в присутствии которого образовалась первая пептидная связь, был не фермент, а рибозим. Фермент – это белок, белок состоит из остатков аминокислот. А состоящее из остатков аминокислот вещество не могло катализировать появление самого первого состоявшего из аминокислотных остатков вещества. В противном случае оно бы не было первым.

Рибозимы состоят из цепей РНК, которые ориентируются в пространстве определённым образом. Можно предположить, что на заре химической эволюции существовал механизм, за счёт которого рибозимы с одними ориентациями цепей оказывались более устойчивыми, чем с другими.

Такие рибозимы катализировали конденсации преимущественно одних энантиомеров аминокислот, не влияя на другие.

Пространственная избирательность синтеза была обусловлена пространственным строением рибозима. А оно могло быть продиктовано поляризованностью света и бета-частицами.

Если учёные создадут рибозим, способный катализировать конденсацию одних энантиомеров аминокислот быстрее, чем других, это будет потрясающее открытие…

В общем, преобладание определённых энантиомеров в природе – это следствие условий нашей галактики.

Внимательный читатель наверняка заметил, что я немного слукавил. Я перенёс ответ о преимущественной ориентации групп атомов в природных оптически-активных молекулах на ориентацию нашей галактики и свойства слабого вазимодействия. Однако тут читатель может спросить, а чем тогда объяснить именно такую ориентацию нашей галактики? А чем объяснить именно такие свойства СВз?

Признаться, здесь можно лишь строить гипотезы. Однако я готов предложить вам одну очень общую и необычную. И, любопытно, она использует дарвинистский механизм эволюции.

Американский физик Ли Смолин в своей книге “Жизнь космоса” находит весьма оригинальное применение теории Дарвина. Смолин применяет отбор для объяснения эволюции… вселенных!

В общем, поведение материи обусловлено определённым набором базовых констант. Будь он другим, наша вселенная была бы совершенно другим местом, с другими законами и процессами.

В своей книге “Просто шесть цифр” британский астрофизик Мартин Джон Рис говорит о шести базовых константах, значение которых одинаково в любой точке Вселенной.

Прими одна из этих шести констант иное значение, и получилась бы вселенная, совершенно непригодная для развития жизни в ней, по крайней мере, в нашем нынешнем понимании жизни.

Например, константа сильного взаимодействия – сила, объединяющей компоненты атомного ядра, которую необходимо преодолеть при расщеплении атома. Ее обозначают буквой Е и измеряют как долю переходящей в энергию массы ядра водорода при синтезе из него гелия. Она также “отвечает” за синтез более тяжелых элементов в звёздах из водорода.

В нашем мире она равна 0,007. Будь эта константа больше, сильное взаимодействие оказалось бы слишком сильным, и весь водород потратился бы на синтез более тяжелых элементов. То есть, воды, необходимой для жизни, не было бы. Не было бы и звёзд. Будь она слабее, то ничего, кроме водорода, не появилось бы. Например, не было бы углерода, необходимого для построения органических молекул. А здесь мы имеем значение “в самый раз”. Не умный ли космический дедушка с бородкой подкрутил эту ручку до оптимального уровня?

Один из излюбленных аргументов креационистов – это аргумент о разумном замысле, согласно которому некое сверх-существо идеально настроило вселенную и нашу Землю для процветания жизни на ней.

Словно настройщик радиопередатчика подкручивает длинной отвёрточкой колебательные контура для требуемой частоты, так и некий хитрый плановитый Господь “подкрутил” базовые постянные нашей Вселенной, сделав её такой, какая она есть.

Но Смолин силится найти этому соответствию эволюционное объяснение. Смолин оперирует понятием мультивселенной – некой сверх-вселенной, в которой вселенные включены, словно мыльные пузырики в большой мыльный пузырь. При этом вселенные способны воспроизводить новые, но не в результате большого хлопка, а посредством чёрных дыр. В его идее присутствует нечто вроде наследственности: главные постоянные величины дочерних вселенных представляют собой слегка “мутировавшие” варианты постоянных материнской вселенной. Наследственность – необходимый элемент дарвиновского естественного отбора, и, развивая свою теорию, Ли Смолин продолжает в том же духе. В мультивселенной начинают преобладать вселенные, имеющие признаки, необходимые для “выживания” и “размножения”. К числу таких необходимых признаков относится способность существовать достаточно долго, чтобы “произвести потомство”. Поскольку появление новых вселенных происходит в черных дырах, “успешные” вселенные должны обладать способностью образовывать черные дыры.

Данная способность требует наличия ряда дополнительных свойств, например, материя должна собираться в облака и, далее, в звезды, необходимые для образования черных дыр. Но звезды также необходимы для появления более тяжелых, чем гелий, химических элементов и, следовательно, жизни. Таким образом, по предположению Смолина, в мультивселенной происходит дарвиновский естественный отбор вселенных, имеющих нужные шесть настроек, и напрямую способствующий возникновению черных дыр и косвенно способствующий возникновению жизни в том виде, в котором она нам известна.

Вот вам и эволюционное объяснение “подходящести” нашей вселенной для жизни и особенностей её устройства.

Таким образом, преобладание определённых энантиомеров – это результат, вытекающий из условий нашей галактики, которые определяются условиями нашей вселенной. Почему эти условия именно такие а не другие – большой вопрос, волнующий научное сообщество многие годы.

Конечно, отдельные попытки ответить на него дерзки, но не безупречны. И всё же мне они нравятся значительно больше, чем старания верующих увидеть во всём разумную задумку. Потому что привлечение автора этой задумки к объяснению устройства вселенной вызовет гораздо более сложный вопрос о том, как объяснить самого автора.

Если преобладание L-изомеров аминокислот в природе кажется вам невероятным, и на этом лишь основании вы готовы отказаться от научной точки зрения, прибегнув к религиозно-мистической, то почему существование сверх-существа, способного менять состав вселенной по своему усмотрению, что должно быть ещё более невероятным, вы находите полноценным объяснением? И вас не смущает его невероятность?

Рекрутирование бога для объяснения сложностей мира невольно вызывает вопросы об объяснении самого бога и его сложности. Которая должна быть настолько грандиозной, что аппеляция к ней создаст куда больше вопросов, чем ответов.

Поэтому гипотеза бога не объясняет ничего, предлагая вместо ответов на вопросы мироздания необъяснимую сложность некоего творца.

Главный недостаток гипотезы бога в том, что она совершенно ничего не объясняет. Более того, никакие объяснение невозможны и не нужны в рамках этой гипотезы.

Нетрудно понять, что с развитием науки пробелы знаний о мире, заполненные ранее исключительно божьей волей, находят свои рациональные объяснения. Которые гораздо изящнее, понятнее и убедительнее, чем воля непознаваемого непредсказуемого чудо-творца.

Наука постоянно лишает бога работы, сокращая количество необъясненного. И я уверен, что с появлением Великой Теории Всего в физике мы посмотрим на свойства этого мира совершенно иначе…

Но даже с современной научной точки зрения преобладание определённых энантиомеров куда более изящно объяснимо особенностями нашей галактики, нежели причудами сверх-натурального творца…

Advertisements

2 thoughts on “Доминирование L-энантиомеров аминокислот в природе

  1. Спасибо, очень интересно. Но есть еще обоснованное мнение, что когда Господь создавал Адама и Еву, то он мешал аминокислотный бульон кочергой загнутой влево, а рибозно-дезоксирибозный бульон для нуклеотидов кочергой загнутой вправо.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s