Начинаю новую рубрику "Это интересно". Довольно часто встречаются интересные факты, которые не укладываются в обычную систему мировоззрения. Однако, со временем они немного забываются, чтобы этого не происходило буду публиковать их здесь.
Стереоизомерия, хиральность, рацемическая смесь, биологическая активность.
Понятия симметрии и асимметрии являются одними из фундаментальных понятий в современном естествознании. Сравнение объектов живой и неживой природы с точки зрения симметрии-асимметрии может приблизить решение вопроса о возникновении, развитии и сущности жизни.
Свойство зеркальной асимметрии называется хиральностью (от греческого cheir – рука), а сами асимметричные молекулы называются стереоизомерами, энантиомерами или хиральными молекулами.
В природе существует несколько видов стереоизомерии. Один из них основан на присутствии в молекуле асимметрического атома углерода, связанного с четырьмя различными химическими группами. Такие стереоизомеры характеризуются одинаковыми физическими и химическими свойствами, но обладают способностью вращать плоскость поляризованного света вправо или влево. В зависимости от этого различают право- и левовращающие (D- и L-соответственно) оптические стереоизомеры. Явление оптической изомерии химических соединений было открыто основоположником современной микробиологии Л. Пастером.
Выяснилось, что в неживой природе равновероятно встречаются право- и левовращающие стереоизомеры. Отличительной особенностью всех живых организмов является то, что в их составе присутствует лишь один из возможных стереоизомеров. Например, девятнадцать аминокислот, входящие в состав природных белков, являются L-изомерами. Глицин оптической активностью не обладает. Природные моносахариды, образующие полисахариды, являются в основном D-изомерами. Причём синтезируются эти изомеры моносахаридов растениями из симметричных молекул воды и углекислого газа.
Все вещества, участвующие в построении живого организма, белки, углеводы и жиры, а также биологически активные вещества – ферменты, гормоны, витамины, медиаторы имеют асимметричное строение, и живые организмы используют лишь один определенный изомер. Зеркальные изомеры аминокислот, углеводов, гормонов, витаминов, ферментов не обладают биологической активностью и являются для организма бесполезными, а иногда даже и вредными.
В то же время при синтезе органических веществ в лабораторных условиях всегда получается равномерная смесь обеих форм стереоизомеров, называемая рацемической смесью. Следовательно, при производстве, например, лекарственных препаратов особое внимание необходимо уделять хиральной очистке синтезированных веществ. Необходимость соблюдения этого требования ярко иллюстрирует нашумевший скандал с талидомидом, который назначался беременным женщинам в качестве успокоительного средства. В состав талидомида входили как L-, так и D-стереоизомеры аминокислот. Полагают, что именно D-изомеры вызвали нарушение эмбрионального развития плода и привели к возникновению уродств.
Наиболее эффективным методом разделения рацемических смесей аминокислот является ферментативный метод, предложенный японскими биохимиками. В основу метода положена способность фермента ацилазы L-аминокислот специфически гидролизовать только ацилированные L-аминокислоты. При этом ацилированные D-аминокислоты гидролизу не подвергаются. Рацемическая смесь аминокислот, полученных методом химического синтеза, подвергается действию ацилазы. В результате полного ферментативного гидролиза образуется смесь ацилированных D-аминокислот и свободныхL-аминокислот, легко разделяющаяся кристаллизацией или ионообменной хроматографией.
Присутствие хиральных молекул может приводить к различию во вкусовых характеристиках. Например, D-изомер терпенового углеводорода лимонена придает характерный запах лимону, а L-изомер – апельсину. L-глутаминовая кислота в восприятии человека улучшает вкус пищи и используется как пищевая добавка, а D-глутаминовая кислота безвкусна.
Со специфичностью биологических реакций на оптические изомеры связана эффективность действия некоторых антибиотиков на бактериальные клетки.
Принципиальное значение стереоизомерии в возникновении жизни заключается в том, что способностью к точной репликации (самовоспроизведению) и, следовательно, к передаче генетической информации обладают только полимерные молекулы, построенные из асимметрических мономеров одного типа – D-типа моносахаридов. Полинуклеотиды, синтезированные из мономеров разного типа, способностью к точной репликации не обладают.
Причину возникновения хиральности биологических молекул пытаются выяснить многие ученые. В современной литературе имеется значительное количество гипотез, объясняющих происхождение оптической асимметрии.
Согласно теории самоорганизации асимметрия возникла скачком в результате Большого Биологического Взрыва (по аналогии с Большим Взрывом, в результате которого образовалась Вселенная) под действием радиации, температуры, полей и других факторов. В какой-то точке бифуркации произошел самоорганизующий акт возникновения живой материи и формирование только одного типа асимметрических молекул.
Для объяснения нарушения симметрии биологических молекул Л. Л. Морозов сформулировал в 1979 г. предположение о «хиральной катастрофе», прекратившей жизнь с использованием правовращающих аминокислот и левовращающих сахаров, но не затронувшей другую ветвь эволюции – с левовращающими аминокислотами и правовращающими сахарами. Однако эта гипотеза не получила значимых доказательств и натолкнулась на серьезные противоречия.
Согласно теории панспермии органическое вещество попало на Землю из космоса с метеоритами и другими внеземными объектами, бомбардировавшими планету в течение сотен миллионов лет с момента ее образования. Особый интерес вызвали аминокислоты, извлеченные из метеоритов, упавших на Землю. Таких аминокислот было получено около 70, каждая была представлена равным количеством оптических изомеров. Следовательно, они возникли не биологическим путем. Однако известно также, что оптические изомеры при длительном хранении могут менять свою конфигурацию и в конце концов окажутся в составе рацемической смеси.
Таким образом, сегодняшняя наука не видит естественных причин, хотя бы гипотетически объясняющих молекулярную асимметрию организмов.
