SZERVES KÉMIA

MARKÓ LÁSZLÓ

Miért “balkezesek” a fehérjéket felépítõ aminosavak?



A biomolekulák homokiralitásának eredete

Elsõ rész

Az élõ szervezeteket felépítõ, többségükben igen összetett, nagy tömegû molekulák viszonylag egyszerû szerkezetû, kisebb egységekbõl épülnek fel. Ezek az alapvetõ “építõkövek” az egész élõvilágban azonosak, a mikroorganizmusoktól kezdve a növény- és állatvilágon át az emberig. Ilyenek pl. a fehérjéket felépítõ aminosavak, a szénhidrátokat felépítõ és a nukleinsavakban, valamint különbözõ membránokban is fontos szerepet játszó cukrok, a lipidekben (zsírokban) és membránokban kötött zsírsavak, a nukleinsavak nitrogénbázisai stb. Az élet lenyûgözõ formagazdagságát – és evvel összefüggõ bámulatos alkalmazkodóképességét – ezen egyszerû, kisebb molekulák gyakorlatilag végtelen számú kombinációs lehetõsége teremti meg.

  Ez utóbbi szemléltetésére álljon itt csak egy példa. Az élet fenntartásához szükséges kémiai folyamatokat katalizáló fehérjék, az enzimek sok – általában néhány száz –, egymáshoz láncszerûen kapcsolódó aminosavból épülnek fel. Minden élõlényben ugyanaz a 20 alapvetõ aminosav alkotja a fehérjéket. Húsz különbözõ aminosavból egy száztagú (tehát viszonylag egyszerû) fehérjét a kombinatorika szabályai szerint 20100 számú változatban lehet megalkotni. Ez a szám tízes hatványban kifejezve kb. 10130-nak felel meg. Ennek a számnak a nagyságát talán legjobban azzal érzékeltethetjük, hogy a Föld egészét felépítõ atomok száma “mindössze” kb. 1050, és még az eddig megismert világegyetem összes atomi részecskéinek száma is bizonyára messze elmarad a 10130-as értéktõl.

  Hasonló, sõt még több variációs lehetõséget kínálnak a cukrok, amelyek – az aminosavakkal ellentétben – nemcsak egy-, hanem többféleképpen is kapcsolódhatnak egymáshoz.

  Az élet több milliárd éves földi fejlõdése során – kémiai nézõpontból tekintve – lényegében ezeket a kombinációs lehetõségeket aknázta ki ahhoz, hogy létrehozza egyre bonyolultabb megjelenési formáit. Ennek a folyamatnak, a biológiai evolúciónak a mechanizmusát, ami a természetes kiválasztódás alapján szervezõdött, ha nem is minden részletében, de a lényegét tekintve ma már értjük. Sokkal nehezebb viszont jelenlegi tudásunk birtokában természettudományosan megalapozott választ adni arra a kérdésre, hogy miként indult el ez a folyamat, hogyan alakultak ki az “élettelen” anyagból, vegyületekbõl az elsõ, élõnek nevezhetõ képzõdmények. Hogyan keletkezett az élet?

  Lehet, hogy ezt a kérdést egzakt módon, részleteiben sohasem tudjuk megválaszolni, mivel ezt a folyamatot kísérletileg – “egyszerû” gyakorlati okok miatt – nem reprodukálhatjuk. Az élet kialakulása ugyanis igen nagy idõtartamú, akár sok millió éves folyamat is lehetett, ennek laboratóriumi utánzása aligha megoldható. Tekintettel azonban a probléma szépségére, ez a körülmény nem akadályozhatta meg a kutatókat abban, hogy ennek a kérdéskörnek egyes részleteivel részben kísérletileg, részben elméletileg ne foglalkozzanak.

  Cikkemben az egyik ilyen részletkérdéssel, a biomolekulák homokiralitásának eredetével foglalkozom. Ehhez természetesen mindenekelõtt e két (az alcímben is szereplõ) kifejezés értelmezését kell megadnom.

  Biomolekulák alatt azokat a szerves (tehát szénalapú) vegyületeket értjük, amelyek az élõ szervezetek felépítésében vesznek részt (aminosavak, cukrok stb.). Ez a kifejezés bizonyos fokig még közismertnek is tekinthetõ. Egyáltalán nem közismert viszont a “homokiralitás” kifejezés, amely nem olyan bonyolult fogalom, mint azt a neve talán sugallja. Megértéséhez ismerkedjünk meg néhány kémiai alapfogalommal.

Mit értünk homokiralitáson?

A királis, kiralitás szavak a görög cheir szóból származnak, ami kezet jelent. Királisnak nevezzük azokat a testeket, térbeli szerkezeteket, amelyek saját tükörképükkel nem hozhatók fedésbe. Ilyen pl. a jobb és a bal kezünk, amelyek – és ez könnyen belátható – bár tükörképei egymásnak, de nem egyformák. Mindennapos tapasztalat, hogy a balkezes kesztyûnk nem illik a jobb kezünkre.

  A hétköznapi életben számos királis tárggyal találkozhatunk, ezek közül most csak még egyre kell felfigyelnünk, a csavarvonalra. A jobb- és balmenetes csavarok egymásnak tükörképei, és nagyon jól tudjuk, hogy a balmenetes anyát a jobbmenetes csavarra nem lehet ráhajtani.
 
1. ábra Az aminosavak egyszerû-
sített térszerkezeti képlete
  A kiralitás a molekulák világában is ismert jelenség, így pl. a már többször idézett, igen fontos biomolekulák, az aminosavak és a cukrok is királis szerkezetûek. Ez azt jelenti, hogy ezeknek a molekuláknak az õket felépítõ atomok térbeli elrendezése következményeként két, egymással fedésbe nem hozható tükörképi viszonyban álló formája létezik. Ez a tény különösen jól szemléltethetõ az aminosavak egyszerûsített térszerkezeti képletével (1. ábra).

  Látható, hogy az ábra szerinti központi szénatomhoz, a tetraéder négy csúcsának megfelelõ helyzetben, négy különbözõ atom, vagy atomcsoport kapcsolódik. Az ilyen tetraédereknek, amelyeknek mind a négy csúcsa különbözõ, két, egymással fedésbe nem hozható térbeli tükörképi alakjuk van, vagyis királis testek. Errõl magunk is meggyõzõdhetünk, ha kartonpapíron megszerkesztünk, majd kivágunk és összeragasztunk tetraédereket és ezek négy-négy csúcsát négyféle színnel megkülönböztetjük. Az ilyen, tetraéderes elrendezésben négy különbözõ atomhoz vagy atomcsoporthoz kapcsolódó szénatomokat aszimmetrikus szénatomoknak nevezzük.

  Az L és D megnevezés a latin laevus (bal) és dexter (jobb) szavakból ered. Alkalmazásuk az ábrán megadott szerkezeti formákra a század elejére visszanyúló konvencióra vezethetõ vissza. A két formát L és D enantiomereknek nevezzük, 50–50%-os elegyüket racém elegynek. Amennyiben a két enantiomer aránya az elegyben eltér az 50–50%-tól, definiálhatjuk a többségben lévõ enantiomer tisztaságát (te). Ez százalékban kifejezve (az L enantiomer túlsúlya esetén)

te = [(L–D)/(L+D)]·100.

  Az enantiomer molekulák a legtöbb fizikai tulajdonságukban (olvadáspont, forráspont, oldhatóság, szín stb.) megegyeznek, ezek alapján nem különböztethetõek meg és nem is választhatók el egymástól. Egy lényeges fizikai tulajdonságukban azonban különböznek: a kettõ ugyanolyan mértékben, de ellenkezõ irányban (balra vagy jobbra) forgatja el a síkban polározott fény síkját. Ezt a tulajdonságot optikai aktivitásnak nevezzük, a királis vegyületek tehát “optikailag aktív” vegyületek. Az optikai forgatóképesség meghatározása a legegyszerûbb módszer a két enantiomer megkülönböztetésére és egyben az enantiomer tisztaságának megállapítására is. (Szokás ezért az enantiomer tisztaság kifejezés helyett az optikai tisztaság kifejezést is használni.) A racém elegy – értelemszerûen – nem forgat. A forgatás iránya és a molekula L vagy D abszolút térbeli szerkezete között nincs egyszerû összefüggés, azaz pl. nem minden L-aminosav forgat balra és nem minden D-cukor jobbra.

  A természetben elõforduló aminosavak, így a fehérjéket felépítõ, már említett 20 aminosav is, az R csoport kémiai szerkezetében különböznek egymástól, ezekkel a szerkezetekkel azonban most nem foglalkozunk. Számunkra sokkal fontosabb az a tény, hogy a 20 legfontosabb és egyben leggyakoribb aminosav mindegyike, továbbá a természetben még ezeken felül elõforduló számos, ritkább aminosavak túlnyomó többsége az L enantiomer sorozatba tartozik. Vagyis (igen ritka kivételektõl eltekintve) mindegyik azonos kiralitású. A természetes aminosavak tehát homokirálisak.

  Hasonló a helyzet a másik igen fontos királis biomolekulacsalád, a cukrok esetében. Ezen molekulák szerkezetének részletes tárgyalását most mellõzve csak annyit fontos megjegyeznünk, hogy a természetes cukrok viszont szinte kivétel nélkül a D enantiomer sorozatba tartoznak. Azaz ezek a biomolekulák is homokirálisak.

  Itt, a cukroknál azonban most meg kell állnunk egy pillanatra. Ezeknél a molekuláknál a szimmetriaviszonyok sokkal bonyolultabbak, mint az aminosavaknál, mivel nemcsak egy, hanem 2, 3, 4, sõt 5 aszimmetrikus szénatommal is rendelkezhetnek. Ezért az élet kialakulása során azok a hatások, amelyek ezek optimális szerkezetének kiválasztásához vezettek (és amelyeket a továbbiakban részletesebben fogok tárgyalni), sokkal bonyolultabb módon érvényesülhettek, mint az aminosavak esetében. Ezeket a hatásokat ma még megközelítõleg sem tudjuk áttekinteni. Ezért a továbbiakban figyelmünket kizárólag az aminosavakra összpontosítjuk.

  Az a tény, hogy a természetes aminosavak az L, a természetes cukrok a D sorozatba tartoznak, nem jelenti azt, hogy ezek – térbeli szerkezetüket tekintve – két ellentétes (vagy akár csak különálló) vegyületcsoportot alkotnának, hiszen, mint már említettem, az L vagy D elnevezés megállapodáson alapszik. A helyes következtetés ehelyett az, hogy ez a két fontos biomolekulacsalád két homokirális és egymással szerkezetileg összeillõ, “összecsiszolódott” csoportot alkot. Mint kémikus azt kell mondjam, számomra ez is egyik megnyilvánulása a természeti világ logikájának és szépségének.

Három kérdés

Felismerve a biomolekulák homokiralitását, óhatatlanul kérdések vetõdnek fel ennek eredetére vonatkozóan. Mielõtt azonban az ezzel kapcsolatos három legfontosabb kérdést feltehetnénk, meg kell még ismerkednünk egy alapvetõ kémiai törvényszerûséggel. Ez pedig az, hogy ha szintetikus úton, nem királis (akirális) vegyületekbõl királis szerkezetû vegyületet állítunk elõ, az utóbbi mindig racém alakban keletkezik, azaz a két enantiomer (az L és a D) azonos mennyiségben lesz jelen a termékben. A két enantiomer képzõdési valószínûsége tehát azonos. Ez természetesen nemcsak az ember által, laboratóriumokban végrehajtott kémiai kísérletekre érvényes, hanem minden olyan, a természetben lejátszódó kémiai folyamatra is, amelyben a kiindulási vegyületek nem királisak, a termékek viszont azok.

  Akkor tehát laboratóriumainkban nem tudunk tiszta enantiomereket elõállítani, csak racém elegyeket? Vagyis nem tudunk ún. aszimmetrikus szintézist megvalósítani? De igen, ehhez azonban a természethez kell folyamodnunk segítségért. Mégpedig oly módon, hogy az elõállított racém elegyben lévõ két enantiomer elválasztásához valamilyen, a természetben tisztán egyik enantiomerje formájában elõforduló vegyületet (pl. a boroshordókban kiváló borkõbõl felszabadítható borkõsavat) használunk fel.

  Alapvetõ tétel ugyanis a kémiában, hogy az enantiomerek kémiai tulajdonságai minden akirális vegyülettel szemben ugyan azonosak (ugyanúgy, mint a fizikai tulajdonságai), egy másik királis vegyület tiszta enantiomerjével szemben azonban nem. Ennek magyarázata az, hogy ha az (L, D) összetételû racém elegy egy másik, tiszta L’ enantiomerrel reagál, akkor a keletkezõ két vegyület, az LL’ és a DL’ egymásnak már nem tükörképei (az LL’-nek a DD’, míg a DL’-nek az LD’ volna a tükörképe), ezek tehát már minden (fizikai és kémiai) tulajdonságukban különbözõ, vagyis egymástól elválasztható vegyületek (pl. kristályosítással). Amennyiben tehát az LL’ és DL’ termékeket elválasztjuk és ezekbõl az L’ komponenst lehasítjuk, külön-külön megkaphatjuk a tiszta L és D enantiomereket.

  A királis vegyületek valamelyik kívánt enantiomerjét akirális alapanyagokból tehát csak kerülõ úton, az élõ szervezetek által már létrehozott tiszta enantiomerek segítségével tudjuk elõállítani. Az elõbbiekben vázolt elvnek ugyan vannak ma már kifinomultabb megoldásai is, de valamennyinek közös jellemzõje, hogy segítségért az élõvilág által “termelt” királis molekulák tiszta enantiomerjeihez kell folyamodnia.

  Ezen ismeret birtokában most már megfogalmazhatjuk három alapvetõ kérdésünket:

  1. A szintetikus szerves kémikusok sokszoros laboratóriumi tapasztalatai ellenére fel kell tételeznünk azt, hogy az élet kialakulásának legkezdetibb szakaszában, vagy akár azt megelõzõen, bizonyos királis vegyületek egyik enantiomerjének legalábbis igen kis feleslegben kellett keletkeznie, vagy már jelen kellett lennie, hiszen különben az élõvilág sehogyan sem tudott volna kikerülni a racém élettelen világ fogságából. Feltéve, hogy valamilyen módon létrejöttek ezek az elsõ, csak részlegesen racém (tehát az egyik enantiomerben kissé dúsabb) királis anyagok, milyen folyamatok eredményeként tudott kialakulni az a mai állapot, hogy a biomolekulák enantiomerjeinek tisztasága gyakorlatilag 100%-os? Milyen kémiai mechanizmus eredményezheti a kezdeti kis aszimmetria növekedését?

  2. Milyen elfogadható magyarázatot tudunk adni arra, hogy az õs-földön ezek szerint vagy már jelen lehettek, vagy az akkor uralkodó körülmények között kialakulhattak az elsõ, nem tökéletesen racém elegyet alkotó királis vegyületek? Hogyan alakulhattak ki akirális vegyületekbõl az elsõ királis vegyületek?

  3. Mi lehet a magyarázata annak, hogy a két lehetséges és egyenrangúnak látszó alternatíva közül az L-aminosavakat és (feltehetõen ezzel összhangban) a D-cukrokat választotta a természet és nem a D-aminosavakat és az L-cukrokat?

  A továbbiakban tehát ezekre a kérdésekre keresünk válaszokat. Mielõtt azonban ezt elkezdhetnénk, meg kell ismerkednünk azokkal az anyagokkal (vegyületekkel), amelyek az élet feltételezhetõ kialakulása idején jelen voltak a Földön és azokkal a körülményekkel, amelyek abban az idõben a Föld felszínén uralkodtak. Ehhez pedig röviden át kell tekintenünk az erre az idõszakra nézve ma rendelkezésükre álló ismereteket.

Az élet kémiai feltételeinek
kialakulása a Földön

Mindenekelõtt tekintsük át röviden a Föld korai fejlõdéstörténetét, különösen az élet kialakulása (és fennmaradása) szempontjából legfontosabb külsõ réteg, a földkéreg kialakulásának folyamatát. Ez, az óceánok alatt átlagosan 10, a kontinensek alatt átlagosan 30 km vastagságú – tehát a Föld méreteihez képest igencsak vékony – kéreg a Föld tömegének csak mintegy 0,4%-a (2,4·1019 tonna).

  A kéreg anyaga a kisebb törmelékek egyesülése révén már kialakult forró, részben olvadt tömegre, amely ma a Föld magját és köpenyét alkotja, kb. 4,4 milliárd évvel ezelõtt kezdett rárakódni oly módon, hogy az akkor már a környezetében messze legnagyobb tömegû Föld magához vonzotta a közelében mozgó kisebb-nagyobb törmelékdarabokat. A sûrû és igen nagy energiájú becsapódások miatt meglehetõsen viharos és mozgalmas idõszak (a “nagy bombázás”) mintegy 600 millió évig tartott és a Föld kb. 3,8 milliárd évvel ezelõtt hûlt le annyira, hogy megjelenhetett a folyékony víz, kialakultak az óceánok. Addigra a Föld már “összesöpörte” a közeli törmeléket, a becsapódások üteme erõsen lelassult és beállt nagyjából a mai értékre.

  A nagy bombázás során a Földre hullott anyag legnagyobb része a felszínen maradt, mert a Föld egésze már nem volt annyira olvadt állapotban, hogy jelentõs átrétegzõdés következhessék be. A Föld mai felszínének kialakításában döntõ szerepet játszó anyagnak a mennyiségére és összetételére a következõ adatokból következtethetünk. A becsapódások száma és a becsapódott darabok nagysága becsülhetõ a Hold krátereinek számából és nagyság szerinti eloszlásából. A Hold ugyanis röviddel a nagy bombázás kezdete elõtt szakadhatott ki a Földbõl, talán annak az utolsó hatalmas ütésnek a hatására, amit egy kb. Mars nagyságú égitest becsapódása okozhatott. Valószínûleg az ütés hatására kiszakadt törmelék állt össze Holdunkká, mely kis mérete miatt a Földnél sokkal gyorsabban lehûlt. A megszilárdult Holdra a nagy bombázás idõszakában ugyanúgy záporoztak a befogott törmelékdarabok, mint a Földre, ezeknek a becsapódásoknak a nyomait azonban a Hold nagyrészt megõrizte a ma is látható kráterek formájában. Ez utóbbiak száma és mérete alapján a nagy bombázás alatt a Földre érkezõ anyag mennyiségét 1,5·1019 tonnára becsülik, ami – figyelembe véve a módszerben rejlõ sok bizonytalanságot – meglepõen jól egyezik a földkéreg tömegével.

  A nagy bombázás során a Földre érkezõ kozmikus anyag összetételére is vannak támpontok, amely lényegében azonos lehetett egyrészt a Földre érkezõ mai meteoritok, másrészt az üstökösök összetételével. A meteoritoknak kb. a fele ún. kondritos típusú (kõmeteorit), amelyek általában 13–20% vizet és 2–3% szenet (részben széntartalmú szerves vegyületek formájában) tartalmaznak. Ezekbõl az adatokból megint felállíthatunk egy közelítõ anyagmérleget. Ha elfogadjuk azt az értéket, hogy a nagy bombázás idején 1,5·1019 t anyag érkezett a Földre és ennek fele kondritos meteoritok formájában, akkor ez 1–1,5·1018 t vizet és 1,5–2,2·1017 t szenet jelent. Ezek az adatok is meglepõen egybevágnak azzal, hogy az óceánok tömege 1,4·1018 t és a földkéreg széntartalma 0,9·1017 t.

  A nagy bombázás során érkezett víz és szén tömege azonban még nagyobb is lehetett, ha számottevõ volt a becsapódott üstökösök aránya. Ezek ugyanis a meteoritoknál lényegesen több vizet (akár 50%-ot is) és szenet tartalmazhatnak (jég, illetve szerves vegyületek formájában). A Halley-üstökös széntartalmát pl. 14%-ra becsülik. Erre a nagyobb mennyiségû vízre és szénre valószínûleg szükség is lehetett, hiszen a földfelszín akkor még igencsak forró volt és az illékony anyagok (víz, szén-dioxid, metán és egyéb szerves vegyületek) egy része bizonyára megszökhetett.

  A lényeges kérdés a továbbiakban az, hogy melyek voltak azok a szerves vegyületek, amelyek ebben az idõszakban a Földön összegyûlhettek. Kondritos meteoritok kémiai vizsgálatával kimutatták, hogy a 2–3% széntartalmuk mintegy 70%-a nagy molekulatömegû, fõleg aromás polimer, de kimutattak bennük aminosavakat (~3%), továbbá kis molekulájú szénhidrogéneket, karbonsavakat és nitrogénbázisokat is.

  Igen érdekesek ebbõl a szempontból a Halley-üstökös porcsóvájáról (helyszíni tömegspektrométeres mérésekkel!) szerzett adatok is. Ezek szerint ezek az apró porszemcsék laza, vas–magnézium–szilikátos magból és laza, jeges-szerves burokból állnak. Bruttó összetételük: ~45% szervetlen anyag, ~30% (!) szerves anyag és ~20% víz. A szerves anyagnak ~4%-a formaldehid, ~5%-a metán és ~7%-a hidrogén-cianid. A szerves anyag többi része itt is polimer, ami a tömegspektrométerben kismolekulájú szerves vegyületek egész seregére töredezik szét. Találtak benne szénhidrogéneket, nitrileket, gyûrûs nitrogénbázisokat, aldehideket, karbonsavakat is.

Folytatás


Természet Világa, 130. évf. 1. sz. 1999. január, 2–6. o.
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/TermVil/ 

Vissza a tartalomjegyzékhez