К феномену жизни можно применить фразу «так и должно быть». Каких химических элементов больше всего во Вселенной? В порядке убывания это водород, гелий, кислород, углерод, неон, азот... А в живых существах? Это водород, кислород, углерод, азот... Если не учитывать инертные газы, которые не применимы для построения устойчивых химических связей, то в основной своей массе мы состоим из тех же элементов, что и Вселенная.
Углерод — основа нашей жизни. Почему? Его не только много во Вселенной, но он еще обладает уникальными химическими свойствами. Это один из двух (всего двух!) химических элементов, у которых нет электронных пар и свободных орбиталей. А второй какой? Водород, которого у нас в организме с избытком. И вся биохимия строится вокруг углеводородных связей C-H. Еще углерод образует сильные ковалентные связи, что весьма кстати при построении биологических полимеров, из которых мы состоим.
Но есть у углерода еще одно удивительное свойств — хиральность. Это означает, что на основе углерода можно делать «правые» и «левые» молекулы. Сам термин отражает симметрию правого и левого.
На вторую половину 20-го столетия пришлось множество достижений в области теоретической физики. Одним из таких значимых достижений было осознание важности симметрий в законах физики. Оказалось, что фундаментальные свойства материи вытекают из простых математических симметрий. Например, концепция специальной теории относительности является простым выводом из наличия двух симметрий: изотропности Вселенной и постоянства скорости света. Физики в какой-то момент поняли, что все законы природы определяются симметриями мира.
Построенная на основе углерода молекула сахара хиральна — есть два её зеркально симметричных варианта. Вся жизнь на Земле построена на правых сахарах. Левые сахара мы не усваиваем или усваиваем совершенно иначе. Они не хуже и не лучше. Так получилось. Когда мы добавляем сахар в чай, то мы добавляем именно правый вариант молекул, т.к. сахар производится из органики. Но можно сделать сахар химическим способом и в нем будут в равных пропорциях правые и левые молекулы. Можно в воду с таким сахаром поместить дрожжи и они съедят все правые молекулы, а левые останутся.
Сахара и их производные — обширный класс химических соединений, очень важным представителем которого является дезоксирибоза. Это моносахарид. Есть правая (D) и левая (L) молекула этого соединения.
В нашем теле присутствуют только молекулы варианта D, т.е. правые. Дезоксирибоза является основой нуклеотидов — блоков, из которых построены нити ДНК и РНК. Все наши молекулы нуклеотидов левые (L). И из таких левых молекул получается правая спираль ДНК (D). Но если такую правую спираль не удерживать, то она сама закрутится в еще одну спираль. Это будет левая спираль, называемая суперспиралью (L).
Хиральность углерода позволяет создавать чередующиеся спиральные молекулярные структуры разного уровня.
Это свойство значительно увеличивает механическую устойчивость молекул и это позволяет собирать полимеры огромной длины в сверхкомпактные структуры.
Если рассматривать аминокислоты, то наблюдается аналогичная картина. Все наши аминокислоты левые (L). Они образуют полимерную нить белка, которая имеет правую спиральность (D) (альфа-спираль). Альфа-спираль сама собирается в третичную структуру с левой спиральностью (L). И напоследок всё это хозяйство сворачивается в четвертичную структуру с правой спиральностью (D).
Такое иерархическое чередование направления спиральных структур проявляется не только на уровне масштабов отдельных молекул. Это общий геометрический закон, вытекающий из симметрии (хиральности). Наглядно в этом можно убедиться при помощи обычного шнура. Необходимо его сильно скрутить, после чего сложить пополам. Если шнур отпустить, то он самостоятельно сложится в другую спиральную структуру с противоположным направлением.
Так красиво ведут себя спирали из одинаковых элементов. Но полимерные цепочки органики состоят из отличающихся элементов. Полимер любого белка состоит из 20-ти видов аминокислот. Сворачивание белков из цепочки аминокислот называется фолдингом. Свернутая из отличающихся свойствами аминокислот спираль сворачивается в сложную трехмерную структуру, но для одинаковых белков эта структура всегда одинакова. Замена одной буквы (нуклеотида) в цепочке ДНК приводит к замене аминокислоты в полимерной цепочке белка. Из-за этого конечная форма свёрнутой молекулы может очень сильно отличаться от начального варианта. А значит это уже совершенно новый белок со своими неповторимыми свойствами, со своими активными зонами, со своей картой каталитических способностей.
Всё это разнообразие структур возникает благодаря хиральности углерода, который во Вселенной является рядовым распространенным элементом. Как и в каждом из нас. Поэтому можно сказать — «так и должно быть».
Всё живое на Земле базируется на определенным образом ориентированных структурах. Может быть имеется возможность создания анти жизни, где вместо правых сахаров можно использовать левые? Когда-то эволюция «сделала выбор» в пользу правых сахаров. Если бы были выбраны левые сахара, то всё развивалось аналогично. Кстати, почему был сделан такой выбор? Можно объяснить такое поведение фундаментальными законами физики. Любая система стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией. Наличие дополнительной степени свободы увеличивает потенциальную энергию. Если система развивается эволюционно, то на каком-то этапе произойдет «вымирание» одного из вариантов.
Проявление хиральности углерода и вызванные этим геометрические закономерности спиральных структур разного уровня можно воочию наблюдать в живом мире в разнообразнейших вариантах.
