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生命不息,“手性”不止?漫谈有机化学中“手性”的起源

来源: 找试剂网 2017-05-25 14:38:27


     组成生命的基础分子大多来自于遥远而神秘的空间,大多数分子都是具有手性的。

尝试用你的右手去握同伴的左手,结果怎样、是不是怎么着都感觉不对?哈哈~你的右手掌与他/她的左手掌不能舒适地握合,这是因为手是具有非重叠镜像的手性物体。“手性”一词也是来源于此。

所有的物体(objects)均有一个镜像(吸血怪除外,哈哈),但是只有当物体本身与其镜像不重叠时才称之为手性的。若物体本身与镜像可以发生重叠,这意味着如果能把物体在镜子后面的图像“拽出”,那么两者完全一致。因此,任何的三维对象要么具有手性,要么不具有。


 

生命的基石是手性的

       分子也是微小的三维物体,而且许多分子是手性的,这是《有机化学》中的一个常识,是由路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)在1848年发现的。手性分子本身与其镜像被称为一对对映体。大多数学者认为,在无生命的宇宙中,手性分子对映体是等量的,被称为外消旋混合物。

       至今为止,已经在星际尘埃和气体云中检测到手性分子有过氧化氢,最近又有报道检测到环氧乙烷。另外一些生命中最重要的分子,如构成DNA和RNA的基本单位核苷酸,原则上存在被称为D或L的对映体,表示“左旋”和“右旋”两种形式。

       一直困扰着数代科学家的一个事实是:活性有机体只含有D型核苷酸!换句话说,生命是同手性的!

       怎么说呢?单单就其本身而言,生命形式的这种同手性并不起眼。科学家们已经在实验室证实:左右异向的DNA和RNA不能发挥其本身的功能,甚至在生物体内根本无法形成。不过,问题是:为什么生命体是D型而不是L型的手性形式?

像蜗牛这类螺旋物体就是镜像非重叠的实例。

 

        在生命的起源中,D型核苷酸聚合物究竟以何种方式被选择出来并不断手性增强,而L型最终消失,这种机制到底是什么?

生命体的其他众多组成分子,譬如氨基酸也是手性的,氨基酸只存在L型对映体。去年,有科学家提出一种特殊的L型甘氨酸(氨基酸最简单的一种分子形式,普通甘氨酸不具有手性)可能有助于产生其他L型氨基酸,但是这种机制不能指导DNA和RNA等D型核苷酸。

 

漫谈过氧化氢

       去年年底,澳大利亚国立大学(Australian National University)的Rowena Ball等学者提出:过氧化氢可以调解低过量D型聚核苷酸同手性的扩增。

       过氧化氢分子是在38亿多年前伴随生命的出现而出现,现也存在于火星、土卫一、木卫二上。上文提到,太阳系外也有检测到过过氧化氢的存在。

       Rowena Ball 等人之前的研究表明,过氧化氢可能为前细胞原始生命(“RNA世界”)提供了必要的周期性驱动。

       而最近的研究则专注于过氧化氢另一个显著的特性:过氧化氢本身是最小、最简单的手性分子,以一对对映体(M和P)的形式出现。

       居里原则指出,原因的对称性总是反映在结果中。放在当下环境中,可以理解为手性引起手性。换句话说,为了实现手性的选择性合成、分离、扩增,需要提供手性剂,或者外加力。

       事实上,在目前实验室中,已经有学者使用手性有机过氧化物来调解手性分子的生产。这样看来,从原则上来说,或许过氧化氢也可以采取类似的方式。

M型(左)和P型(右)过氧化氢对映体的3维结构表征。插图为制作P型对映体模型

 

       目前普遍为人接受的一种解释是,陨石轰击导致少过量的L型氨基酸落在古老的地球上。并且,低过量的L型氨基可以催化产生少量D型核苷酸前躯体。在这种情况下,导致D型多核苷酸超过L型多核苷酸。值得一提的是,RNA中,相比L型链,D型链倾向于具有更长的平均长度。

       在原始汤中,容易发生一个或其他过氧化氢对映体的局部过量。而多核苷酸间的特殊作用倾向破坏较短的L型链,保留下来较长的D型链。

随着更多的L型链被破坏,过氧化氢能够“持续被残杀”,即通过一个对映体(M)优化氧化破坏L型链。

       总的来说,这一过程消耗了L型多核苷酸,换之D型链增多且平均长度增加。不过在此过程中过氧化氢仍是外消旋混合物,M型和P型对映体在时间和空间上保持平衡。所以得到一个为微妙的强化效果:随着时间推移,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)的出现赋予了RNA物种重复再生的优势。那么,在宇宙的其他地方,是否存在由L型核苷酸构成的镜像生命体呢?这一疑问恐怕短期内无人能够解答。

       澳大利亚著名学者Rowena Ball表示,或许从某种意义上说人类都是“吸血鬼”。因为人体都是分子组成的反映,而在世界上没有与之相应的自然镜像。那么人类的镜像是如何消失的呢?这或许又是一个值得永生探索的奥秘。(参考链接:The riddle of life’s single-handness,来源:材料牛)


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