Пожалуй, любой человек с закрытыми глазами легко сможет отличить мяту от укропа исключительно по запаху. Однако лишь немногие знают, что на самом деле и укропом, и мятой пахнет одно и тоже химическое вещество – карвон. Единственное отличие состоит в том, что в первом растении карвон присутствует в виде L- (левой), а во втором D-формы (правой), т.е. различается по пространственному расположению атомов.
Ещё в далёком 1857 году Луи Пастер обнаружил в лабораторной ёмкости, содержащей оптически неактивный раствор (т.е. не обладающий свойством вращать плоскость поляризации света), плесень, но вместо того, чтобы вылить «испорченный» препарат, провёл повторную проверку его оптической активности. Исследуемый раствор вращал плоскость поляризации. Так впервые было обнаружено, что химические молекулы в живых системах не обладают зеркальной симметрией, в них преобладают либо левые, либо правые оптические изомеры.
Очевидно, что большинство объектов не совпадают со своим отражением в зеркале. К примеру, шуруп может иметь нарезку либо по часовой, либо против часовой стрелки, у человека печень располагается справа, а селезёнка слева. Спиральные раковины морских организмов закручены либо влево, либо вправо, причём значительно чаще встречается именно правый тип независимо от ареала обитания. С другой стороны, у некоторых видов, например, у волнистого рожка доминируют «левши», а иногда это соотношение примерно равное, как среди популяции кубинской древесной улитки. Жимолость в процессе своего роста закручивается в левую сторону, а вьюнок в правую, как и большинство представителей царства растений. И даже бактерии обладают спиральной структурой. В 1970-х годах Н. Мендельсон со своими коллегами из Аризонского Университета обнаружил, что колонии Bacillus subtilis закручиваются в форму правой спирали, но при повышении температуры окружающей среды почему-то перестраиваются в левоспиральную колонию.
Зеркальной асимметрией наряду с макрообъектами обладают и молекулы, данное свойство называется хиральностью. При этом их химическая структура является идентичной, более того, они имеют одинаковые температуры плавления и кипения, плотность и растворимость, инфракрасные и ультрафиолетовые спектры, отличаясь лишь ориентацией в пространстве в виде L- или D-форм, и, как следствие, вращая плоскость поляризации луча света в противоположные стороны. В природе эти две формы (энантиомеры) находятся в примерно равном соотношении, и поэтому их смесь оптически неактивна. В то время как в живых системах всегда используется лишь одна из них (существуют очень редкие исключения). Именно это и наблюдал Луи Пастер. Изначально в лабораторной чашке находилась смесь двух энантиомеров в примерно одинаковой пропорции, но с течением времени, поселившийся там микроорганизм переработал питательную среду в один пространственный изомер, что и сделало раствор оптически активным.
Для понимания различия свойств правых и левых форм одного и того же вещества можно привести пример препарата талидомид, который использовался в Европе в середине ХХ века как седативное снотворное средство. После его применения у беременных женщин на свет появились дети с врождёнными пороками развития, в частности с недоразвитием или отсутствием ушных раковин, верхних и нижних конечностей. Оказалось, что терапевтическим эффектом обладала одна из изоформ вещества, в то время как другая вызывала дефекты развития плода.
В клетках абсолютно всех живых организмов планеты Земля белки состоят исключительно из L-аминокислот, а нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) из D-сахаров. В связи с этим возникает резонный вопрос, почему? Возможно в основе этого феномена структурной организации молекул живых систем лежат процессы на субъядерном уровне. Из четырёх видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного, только последнее обладает так называемой нечётностью. Под чётностью в свою очередь понимается, когда при действии силы с одинаковой вероятностью происходят как прямые, так и обратные процессы. Ц. Ву и его коллегами ещё в 1957 году было установлено, что при радиоактивном распаде происходит испускание преимущественно левых электронов. В дальнейшем удалось выявить, что среди позитронов значительно преобладают правые формы. А после открытия нейтрино и антинейтрино оказалось, что первые являются исключительно левыми, а вторые только правыми. И вероятно во Вселенной их антиподов вообще не существует. Таким образом, пространственная асимметрия в природе начинается на субатомном уровне. Современная наука объясняет этот феномен действием слабых ядерных Z-сил, которые уже на уровне молекул заставляют хиральную структуру иметь большую или меньшую энергию, чем у её энантиомера. Однако это разница настолько ничтожна (по данным Мейсона и Трантера для L- и D-аминокислот она составляет всего лишь 1/1017), что как раз объясняет, почему в неживой природе, в том числе и при лабораторном синтезе, они находятся в соотношении примерно 50/50. Становится очевидным необходимость наличия некоего механизма усиления оптической асимметрии молекул, действие которого привело бы к значительному преобладанию одного из энантиомеров, к примеру, L-аминокислот, над D-аминокислотами.
Кондепуди и Нельсон предложили модель и рассчитали условия, требуемые для возникновения и дальнейшего доминирования одной из зеркальных форм жизни. Оказалось, что для этого необходим водный резервуар площадью 10 квадратных километров и глубиной в несколько метров, при этом вода должна постоянно и хорошо перемешиваться. Также требуется перманентный приток исходного реагента для дальнейшего образования одного из оптических изомеров. Согласно расчётам учёных, через 100 тыс. лет 98% реагента перейдёт в одну из зеркальных форм, в частности именно в таком процентом соотношение L-аминокислоты будут преобладать над D-аминокислотами.
Если оптическая асимметрия является своеобразным маркёром живых систем то, скорее всего, она возникла уже после появления жизни. В экспериментах было установлено, что белки, имеющие в своём составе и L-аминокислоты и D-аминокислоты, не способны образовывать полноценные альфа-спирали и, соответственно, их функциональная активность гораздо ниже, чем у гомохиральных форм. Аналогичная картина наблюдается и с нуклеиновыми кислотами, а значит вероятность существования жизнеспособного общего предка, имеющего как L-, так D-формы, крайне мала. Таким образом, уже первые клетки скорее всего содержали исключительно L-аминокислоты и D-сахара. С одной стороны, вероятность подобного события крайне мала. Однако, принимая во внимание, что вероятность спонтанного появления жизни из первичного бульона вообще настолько ничтожна (1/20 в степени 1820), то поправка на гомохиральность делает это предположение ненамного более нереальным. Остаётся предположить, что произошло одновременное появление и L-, и D-жизни на Земле в результате заноса из космоса, и первая вытеснила вторую в конкурентной борьбе, или на нашу планету была занесена только L-форма жизни, которая развилась и эволюционировала на Земле.
Естественно зеркальная D-форма представляется крайне интересной для биотехнологических корпораций, к примеру, в плане разработки сахарозаменителей, не способных к усвоению организмом или биорегуляторных молекул, эффекты которых могут быть воистину фантастическими.
Особая тема – это искусственное создание зеркальных организмов, и в данном направлении работы активно ведутся группами учёных из США, которым удалось воспроизвести искусственные рибосомы – клеточные фабрики по производству белков, и Китая, где из D-аминокислот уже синтезирована РНК-полимераза, производящая зеркальную РНК. Следующий шаг – это создание зеркальной живой системы, которая являясь структурно и возможно функционально идентичной существующим организмам на нашей планете, будет неуязвима для паразитов и неинтересна для хищников просто по причине невозможности использования молекул-антиподов как источника питания. Сама же она будет жёстко и беспощадно конкурировать за ограниченные ресурсы нашей планеты. И какая форма жизни победит в итоге в борьбе за право остаться существовать на Земле, ответить сегодня не решится никто.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Занимательная биология»:
