SZERVES KÉMIA
MARKÓ LÁSZÓ
Miért “balkezesek” a fehérjéket felépítõ aminosavak?

A biomolekulák homokiralitásának eredete

Második rész


Az élõ szervezetet felépítõ, többszörösen igen összetett, nagy tömegû molekulák viszonylag egyszerû szerkezetû, kisebb egységekbõl épülnek fel. E cikkben azzal a kérdéssel foglalkozunk, vajon honnan ered a biomolekulák homokiralitása. E molekuláknak az õket felépítõ atomok elrendezése következményeként két, egymással fedésbe nem hozható tükörképi formája létezik, ám az élõ szervezet csak az egyik változatot képes hasznosítani. Erre vonatkozóan három kritikus kérdést fogalmaztunk meg cikkünk elsõ részében, amelyekre a következõkben próbálunk választ keresni.

Lejátszódhattak-e aszimmetrikus
szintézisek az élet kialakulása elõtt?

Az elsõ részben tárgyalt véletlen-alapú magyarázatnál sokkal érdekesebb feladat annak a tisztázása, nem befolyásolhatta-e az említett reakciósorozathoz hasonló, tiszta enantiomerek kiválasztódásához vezetõ kémiai folyamatokat valami olyan külsõ hatás, amely eleve kedvezett az egyik enantiomer felülkerekedésének. Különösen az volna érdekes eredmény, ha találnánk olyan effektust, amely pl. az aminosavak esetében az L enantiomerek kialakulását favorizálná, hiszen így nem kellene az élet jelenlegi szimmetriaviszonyait a prebiotikus evolúció véletlenszerû eredményének tekintenünk.

  Kétféle típusú külsõ effektusra gondolhatunk:

  a) Olyan fizikai vagy kémiai hatások, amelyek a Földön a “nagy bombázás” során felgyülemlett, majd a forró óceánban sokféle kémiai átalakulás révén képzõdött racém királis vegyületeknek egyik, vagy másik enantiomerjét szelektíven (úgy nevezzük ezt, hogy enantioszelektíven) vagy elbontották, vagy képzõdését enantioszelektíven elõsegítették (katalizálták). Ilyen hatásuk természetesen csak olyan fizikai vagy kémiai tényezõknek lehet, amelyek maguk is királisak.

  b) Az élet Földön kívüli eredetének és valamilyen égitest (pl. nagyobb meteor, aszteroida) becsapódása útján a Földön való megtelepedésének gondolata nem új, de meglehetõsen romantikus ötlet és aligha állja ki a komoly természettudományos kritikát. Gondoljunk csak arra, hogy a Földre hulló meteorok elõtte évmilliókon át keringtek a –270 oC-os világûrben, majd a Föld légkörébe érve felizzottak, megolvadtak, sõt szétrobbantak – élõlény ilyen megpróbáltatásokat aligha élhet túl. Különben is, miért volna nagyobb valószínûsége annak, hogy az élet a világûrbõl jött (hol alakult ki?) és nem itt a Földön keletkezett? Nem lehet viszont mint tudománytalant elvetni annak lehetõségét, hogy esetleg már a nagy bombázás során érkezett királis szerves vegyületek egyike vagy másika nem volt tökéletesen racém elegy, hanem azokban valamelyik enantiomer nagyobb mennyiségben volt jelen, mint a másik, azaz részlegesen tiszta enantiomerek voltak. Az ugyanis nem irreális, hogy valamilyen a) típusú hatás még a világûrben, a Földdel való találkozásuk elõtt érhette azokat az égitesteket, illetve a bennük lévõ szerves vegyületeket.

  Számos ötlet vetõdött fel és javaslat született már eddig a) típusú hatásokra, azonban nincs értelme ezek mindegyikét e cikk keretében tárgyalni. Azokat igyekeztem kiválasztani, amelyek komolyabb megfontolást érdemelnek. Ez nem annyira az effektus nagyságától, hanem inkább a gondolat tudományos megalapozottságától függ, hiszen láttuk már az elsõ részben, hogy elegendõ, ha a kialakuló enantiomer-tisztaság csekély, mert az autokatalitikus folyamatok majd kellõképpen felerõsítik a különbségeket.

  A következõ a) típusú effektusokat vizsgáljuk meg:

  1.Aszimmetrikus katalízis királis kristályok (ásványok) hatására;
  2.Cirkulárisan polározott fény fotokémiai hatása;
  3.A radioaktív b-bomlás paritássértése;
  4.A gyenge semleges áram paritássértése.

  Mindezek után pedig a b) pontban felvetett gondolattal foglalkozunk, azaz az L-enantiomerekben dúsabb aminosavelegyek Földön kívüli eredetének lehetõségével.

Aszimmetrikus katalízis királis
kristályok (ásványok) hatására

Kísérletileg igazolt tény, hogy megfelelõ királis adalékanyagokkal módosított katalizátorokkal részlegesen enantioszelektív kémiai átalakításokat (pl. hidrogénezéseket) lehet megvalósítani akirális kiindulási vegyületekbõl kiindulva is. Az ilyen folyamatokat aszimmetrikus katalízisnek nevezzük. Ezek analógiájára reális annak a lehetõsége, hogy az eleve királis kristályszerkezetû ásványok felülete aszimmetrikus szerves szintéziseket katalizáljon.
 
 
2. ábra. A kvarckristály tükörképi változatai
  Ez a gondolat, mint lehetséges magyarázat, elsõ pillanatra igen vonzónak hat, mivel a talán leggyakoribb ásvány, a kvarc királis kristályokat alkot és ezért két tükörképi formában kristályosodik: a kvarckristályok egyik fele ún. l-kvarc, a másik fele d-kvarc (1. ábra).

  Két nehézség is adódik azonban: az egyik, hogy a kvarc az egyik kémiailag legkevésbé aktív szilárd anyag (nem ismerünk tiszta kristályos kvarc által katalizált szerves kémiai reakciókat); a másik, hogy ha a természetben elõforduló kvarc fele-fele arányban l, illetve d, akkor – ha volna is enantioszelektív katalitikus hatás – a kettõnek a valószínûsége azonos lenne és így ismét csak a véletlenen múlna, hogy pl. az aminosavaknak az L, vagy a D formája dúsulna-e fel.

  Teljesen elvetni azonban a kvarckristályok esetleges szerepét nem lehet. Ami az elsõ problémát illeti, igaz ugyan, hogy jelenleg nem ismerünk kvarckristályok által katalizált enantioszelektív szerves kémiai reakciókat, de azt pl. sikerült kimutatni, hogy aminosavak, vagy egyszerû származékaik racém elegyébõl királis kvarckristályok felületére az egyik enantiomer nagyobb arányban adszorbeálódik, mint a másik. Az effektus szerény ugyan (néhány százalékos enantioszelektivitásokat értek el), de bizonyítja, hogy a kvarckristály felülete szelektálni tud az aminosavak két tükörképi formája között. Ezért nem zárhatunk ki pl. egy olyan közvetett hatást, hogy kvarckristályokkal érintkezõ oldatok valamelyikében, amelyikben az említett szelektív adszorbció következtében az egyik aminosav enantiomer már részlegesen feldúsult, beindulhat egy, az elõzõ fejezetben tárgyalt autokatalitikus folyamat.

  A második problémára is érdemes visszatérni. A világ nyilvános ásványgyûjteményeiben õrzött kvarckristályok közül 16807 (!) példányt megvizsgálva ugyanis kiderült, hogy az l és d forma aránya nem pontosan 50:50%, hanem mintegy 1%-os elõny mutatkozik az l forma javára. Ez a különbség – ha a kvarc rendelkezne megfelelõ katalitikus hatással – messze elegendõ lehetne az egyik aminosav enantiomer kiválasztódásához. Mai tudásunk szerint az l formának ez a túlsúlya valószínûleg nem véletlen, de erre a kérdésre majd csak egy késõbbi fejezetben térek vissza részletesebben.

  A kvarcon kívül ismerünk még más királis természetes ásványokat is, ezek azonban igen ritkák. Ezekkel ez idáig kísérleteket nem végeztek.

A cirkulárisan polározott fény fotokémiai hatása

A látható vagy ultraibolya fény hatására számos szerves vegyület lép reakcióba (átalakul, más vegyületekkel reagál, elbomlik stb.), az ilyen átalakulásokat fotokémiai reakcióknak nevezzük. Közismert példaként megemlíthetem a D-vitamin kialakulását szervezetünkben a természetes napfény hatására. Fotokémiai hatás indítja el pl. a szem recehártyájában is azt a reakciósorozatot, amelynek eredményeként agyunk a kapott információkat képpé dolgozza fel, azaz látunk.

  A közönséges fénnyel szemben – amelynek a terjedési irányra merõleges rezgései (hullámai) minden irányban azonos intenzitásúak – a királis vegyületek enantiomerjei azonosan viselkednek, ezért nincs pl. különbség az enantiomerek színe között. Miként viszont arról már a bevezetésben szóltam, a síkban polározott fény síkját a két enantiomer ellenkezõ irányba forgatja el. Ahhoz, hogy ezt a jelenséget megérthessük, azt kell tudnunk, hogy a síkban polározott fény – amelynek rezgései egyetlen síkba esnek – tulajdonképpen két, egymással ellentétes irányba (balra, illetve jobbra) forgó, ún. cirkulárisan polározott fénynyalábból áll. Ez a két – képletesen szólva bal- és jobbmenetes – csavarvonal akirális közegben, pl. levegõben, azonos sebességgel mozog és ezért a kettõ kombinációjából kialakuló egysíkú rezgés síkja sem változik.

  Megváltozik a helyzet akkor, ha a síkban polározott fény királis vegyületek oldatán halad át. Ekkor ugyanis a két csavarvonalban terjedõ – tehát királis tulajdonságú – fénynyaláb királis szerkezetekkel kerül kölcsönhatásba és az enantiomerek ilyenkor már különbséget tesznek a két komponens között. Racém elegyekben ezek a különbségek természetesen kiegyenlítik egymást, de ha az egyik enantiomer feleslegben van jelen az oldatban, akkor ez a diszkrimináció azt eredményezi, hogy a két cirkulárisan polározott fénynyaláb közül az egyik (amelyikkel a feleslegben jelen lévõ enantiomer kölcsönhatása erõsebb) kissé lelassul a másikhoz képest. Ennek pedig az lesz az eredménye, hogy az eredõként kialakult lineáris polarizáció rezgési síkja elfordul: mérhetõvé válik a vegyület optikai aktivitása.

  Ezek után érthetõ, hogy amennyiben királis vegyület racém elegyének oldatán cirkulárisan polározott fény halad át, az a két enantiomer közül az egyikkel erõsebb kölcsönhatásba lép, vagyis enantioszelektív kémiai folyamatokat indíthat el. Egy adott esetben például a cirkulárisan jobbra polározott fény a vegyület D enantiomerjét hatékonyabban tudja átalakítani, mint az L enantiomerjét.

  Ezt a szelektív hatást kísérletileg is sikerült igazolni. Elméletileg és kísérletileg egyaránt kimutatták, hogy a szelektivitás annál nagyobb, minél nagyobb a két enantiomer fényelnyelése közötti különbség és minél nagyobb átalakulást (konverziót) sikerül elérni. Az utóbbi természetesen a besugárzás intenzitásának fokozásával és az idõ növelésével egyszerûen elérhetõ; az enantiomerek fényelnyelése közötti különbség pedig az alkalmazott fény hullámhosszának függvénye. Az optimális hullámhossz vegyületenként eltérõ és csak kísérletileg határozható meg. Így pl. racém leucint (ez egyike a 20 legfontosabb aminosavnak) 213 nm-es (ultraibolya), cirkulárisan jobbra polározott fénnyel 75%-os bomlásig besugározva 2,5%-os enantiomer tisztaságú L-leucint kaptak, azaz a D enantiomer bomlott el nagyobb mennyiségben. Ennél az igen szerény eredménynél sokkal jobbat értek el pl. racém kámfor esetében, ahol 99%-os konverzió esetén már 20%-os volt a kevésbé bomló enantiomer tisztasága.

  A kísérletek tehát azt igazolják, hogy ez a mechanizmus mûködik, a kérdés most már csak az, hogy van-e (volt-e 3,8 milliárd évvel ezelõtt) a természetben cirkulárisan polározott fény, ami ezt a hatást kifejthette? Kimutatták, hogy a napfény napfelkeltekor és naplementekor – aeroszolok okozta szóródása következtében – tartalmaz egy kevés cirkulárisan polározott komponenst: napkeltekor a jobbra, naplementekor a balra forgó komponens van csekély túlsúlyban. Mivel naplementekor általában melegebb van, tehát ilyenkor a kémiai folyamatok gyorsabbak, ez azt jelenti, hogy igen hosszú idõ alatt a balra forgó komponens hatása dominálhat.

  Ez a magyarázat – egyszerûsége okán – tetszetõs, de két lényeges nehézséget meg kell említeni. Az egyik az, hogy a napfénynek ez a cirkulárisan polározott komponense csupán néhány tized százalék, tehát rendkívül csekély. A másik, hogy a napfény hullámhossztartománya igen széles és az egyik hullámhossznál jelentkezõ pozitív hatást a másik hullámhossznál jelentkezõ negatív hatás kompenzálhatja. Elméletileg igazolható ugyanis, hogy tökéletesen “fehér” (tehát a teljes hullámhossz-tartományban azonos intenzitású) cirkulárisan polározott elektromágneses sugárzás a két enantiomer között nem tesz különbséget. A Föld felszínére érkezõ napfény ugyan nem ilyen tökéletesen fehér elektromágneses sugárzás, de mindenképpen igen messze van egy, a jó enantioszelektivitáshoz szükséges szûk hullámhossz-tartományú fénytõl. Nem tökéletesen fehér egyrészt azért, mert már magának a Napnak a sugárzása sem ilyen (intenzitása a látható fény energiatartományában a maximális, felette és alatta kisebb), másrészt a légköri gázok szûrõhatása is érvényesül.

A radioaktív b-bomlás paritássértése

A radioaktív elemek b-bomlása az ún. gyenge kölcsönhatás következménye, amely a gravitáció, az elektromágneses kölcsönhatás és az atommagokat összetartó erõs kölcsönhatás mellett a negyedik, az elemi részecskék között ható kölcsönhatás. A gyenge kölcsönhatás különlegessége, hogy – a másik hárommal szemben – nem irányultságszimmetrikus, azaz nem õrzi meg a paritást. Ennek az az egyik következménye, hogy a b-bomlás során az atommagból kilépõ, és spinnel rendelkezõ (a haladási irányukkal párhuzamos tengelyük körül “forgó”) elektronok között a balra forgó elektronok többségben vannak. Ezt a jelenséget nevezzük a b-bomlás paritássértésének.

  A haladási iránnyal párhuzamos tengely körül balra forgó elemi részecske – szimmetriáját tekintve – balmenetes spirálisnak felel meg, tehát a cirkulárisan polározott fénynyalábhoz hasonlóan királis. A különbség csak az, hogy míg a cirkulárisan polározott fényben a rezgési sík ír le csavarvonalat és az energiát fotonok hordozzák, a b-sugárzásban maguk az elektronok “forognak” és ezek viszik át az energiát is.

  A jelenség felfedezése után hamar felvetõdött az a gondolat, hogy a cirkulárisan polározott fény által fotokémiailag indukált enantioszelektív bomláshoz hasonlóan, a b-sugarak is képesek lehetnek királis vegyületek racém elegyében az egyik enantiomer szelektív bontására. A hatást egyrészt maguk a molekulákkal ütközõ elektronok közvetlenül válthatják ki, másrészt számolni kell az elektronok ütközése (energiavesztése) során keletkezõ, ún. fékezési g-sugárzással is, mivel ilyenkor az is cirkulárisan polarizált.

  Igen intenzív 90Sr–90Y b-sugárforrással 16 hónapon át besugározva racém tirozint (ez is egyike a 20 legfontosabb aminosavnak) azonban nem tudtak enantioszelektív bomlást kimutatni. A kísérletet racém leucinnal és lineáris gyorsítóval, megfelelõ technikával elõállított, polarizált elektronnyalábbal megismételték. 34 párhuzamos kísérletben, 50–75%-os bomlást elérve azonban mindössze 0,74–1,42%-os enantioszelektivitásokat értek el.

  Az effektus tehát kísérletileg ugyan igazolható volt, de olyan gyengének bizonyult, hogy természetes körülmények között nem lehet hatásos. A természetben ugyanis csak a kísérletekben alkalmazottaknál sokkal, de sokkal gyengébb b-sugárforrásokkal számolhatunk.

A gyenge semleges áram paritássértése

A gyenge kölcsönhatás és az elektromágneses kölcsönhatás elméletének egyesítésére irányuló törekvések vezettek arra a felismerésre, hogy létezik még egy, gyenge semleges áramnak nevezett kölcsönhatás is, amely az atomokban lévõ elektronok valamint az elektronok és neutronok között lép fel és amely ugyancsak paritássértõ. Felismerték továbbá azt is, hogy ez a gyenge semleges áram befolyásolhatja azokat az elektromágneses kölcsönhatásokat is, amelyek mind az atomokon belül, mind a molekulákban az atomok között fellépnek (tehát pl. a kémiai kötéseket is).

  Ennek a paritássértõ kölcsönhatásnak a legfeltûnõbb következménye az, hogy – meglepõ módon – az elektromágneses sugárzásokkal szemben (tehát a fénnyel szemben is) az atomok királisak, vagyis optikailag aktívak! Elméleti számítások szerint ugyan ez az optikai aktivitás rendkívül csekély mértékû, de az atom rendszámának hatodik hatványával növekszik. Valóban, a legnehezebb elemek esetében a jelenséget kísérletileg is sikerült igazolni: ólomgõz a lineárisan polározott fényt (1500 K, 1 m úthossz) –4·10–5 fokkal, bizmutgõz (1500 K, 40 cm úthossz) –5·10–5 fokkal (vagyis balra) forgatta el. Ez az atomi kiralitás tehát valóban igen kismértékû, de mérhetõ és el kell fogadnunk azt, hogy ezek szerint minden atom és molekula rendelkezik kisfokú kiralitással.

  Ennek a ténynek messzire ható következményei vannak. A gondolatsort továbbfûzve ugyanis ezek után azt kell mondanunk, hogy valamely királis szerkezetû szerves molekulának, tehát pl. egy L-aminosavnak az enantiomerje, vagyis a D-aminosav, annak nem tökéletes tükörképe. Mert igaz ugyan, hogy a térbeli szerkezetet tekintve a kettõ tükörképe egymásnak, de ugyanakkor ugyanolyan kiralitású atomokból épülnek fel, az atomok tehát egymásnak nem tükörképei.

  Amennyiben viszont az L- és a D-aminosav egymásnak nem pontosan tükörképe, akkor a két enantiomer energiatartalma sem lehet pontosan egyenlõ! Ezt a rendkívül kis energiakülönbséget, amit paritássértõ energiakülönbségnek neveznek (DEps), elméletileg több aminosavra is kiszámították és értéke mólonként 2·10–14 J-nak adódott. Ennek következtében a

D-aminosav <=> L-aminosav

racemizálódási reakció egyensúlyi állandója nem pontosan 1, hanem annál kicsit nagyobb, 1+2·10–17, vagyis 1,000 000 000 000 000 02. Molekuláris szinten ez azt jelenti, hogy az egyensúlyi elegyben mólonként átlagosan kb. 1 millióval, grammonként kb. 10000-rel több L-aminosav-molekula van, mint D-aminosav-molekula. Az L-enantiomerek tehát kissé stabilisabbak, mint a D-enantiomerek.

  (Közbevetõleg: mi akkor a tökéletes tükörképe az L-aminosav-molekulának? Az antianyagból felépített D-aminosav, amelynek atomjai protonok helyett antiprotonokat és elektronok helyett pozitronokat tartalmaznak és ennek folytán kiralitásuk – elméletileg levezethetõen – az anyagi atomokéval ellentétes. Ennek kísérleti igazolása természetesen aligha lehetséges, hiszen antianyagból felépített atomok vagy molekulák a mi anyagi világunkban azonnal megsemmisülnének.)

  A DEps értékét más anyagokra is kiszámították és néhány kivételtõl eltekintve mindig az adódott, hogy a természetben ma elõforduló enantiomerek a stabilisabbak. Így pl. kedvezményezett a D-2-dezoxiribóz (a DNS egyik komponense) az L-enantiomerjéhez, valamint az l-kvarc a d-kvarchoz képest. Az l-kvarc már említett mintegy 1%-os túlsúlya a természetben persze sokkal nagyobb, mint ami az egy SiO2 egységre kiszámítható DEps értékbõl adódna, de ez az anomália talán értelmezhetõ, amint arra rövidesen még visszatérek.

  A DEps aminosavakra kiszámított értékébõl számítható L-enantiomer felesleg nagyságrendileg megegyezik az L–D egyensúly dinamikus jellegébõl fakadó termikus ingadozások során idõnként, statisztikusan fellépõ enantiomer feleslegekkel és azon a határon van, amely már képes elindítani az aszimmetria növekedésének már tárgyalt mechanizmusát. Most azonban már nem a véletlenen múlik, hogy melyik enantiomer kerül végül abszolút túlsúlyba, hanem a DEps erõsen megnöveli az L-izomer “gyõzelmének” esélyét.

  Három tényezõ még tovább erõsítheti a DEps hatását. Az egyik az azonos kiralitású molekulák polimerizációja: egy n tagból álló polimer DEps értéke az egy molekulára számítható DEps értékének n-szerese. A másik a molekulák kristályokon belüli kölcsönhatása, amely az egyedi kristályt felépítõ molekulák nagy száma miatt – a polimerizációhoz hasonló módon – szintén erõsen megnöveli a DEps értékét. (Ez az effektus lehet az oka az l-kvarc 1%-os túlsúlyának?) A harmadik, hogy a DEps értéke jelentõsen megnõ, ha nagyobb a molekulát felépítõ atomok tömegszáma. A DEps ugyanis N·Z5-nel arányos, ahol N az atommag neutronjainak, Z az atommag protonjainak száma (azaz az elem rendszáma). Így pl. oxigén helyett kenet tartalmazó DNS-analógokra is végeztek számításokat, amelyek azt mutatták, hogy a DEps értéke ebben az esetben akár három nagyságrenddel is megnövekedhet. Mivel az élet kialakulása során uralkodó reduktív környezetben kénvegyületek valószínûleg fontosabb szerepet játszottak, mint manapság, ez figyelemre méltó eredmény.

  Mondhatjuk ezek után, hogy az anyag inherens tulajdonságai által meghatározott DEps döntötte el az élet homokiralitásának mai irányultságát? Kísérleti bizonyítékok nélkül bizonyára nem, de ez a következtetés mindenesetre csábító. Milyen kísérleti bizonyítással lehetne megpróbálkozni? Olyan körülményeket kell teremtenünk, amelyek között a DEps megsokszorozódik, tehát vagy nagy tagszámú, királis szerves polimereket kell szintetizálnunk, vagy királis kristályokat kell növesztenünk. E két lehetõség közül gyakorlatilag csak a másodiknak van reális esélye a sikerre, hiszen ahhoz, hogy a DEps 10–17-es nagyságrendjét a kísérletileg már megbízhatóan igazolható, néhány tized százalékos nagyságrendre megnöveljük, 1014...1015 molekulából álló halmazokat kellene létrehoznunk. Ilyen óriási szerves polimerek szintézise azonban irreális célkitûzés.

  A másik lehetõséget kiaknázandó, több kísérlet is történt királis kristályok növesztésére vagy királis szerves molekulák racém elegyébõl (nátrium-ammónium-tartarát, a, a-binaftil) vagy olyan akirális szervetlen vegyület (nátrium-klorát) oldatából, amely a kvarchoz hasonlóan két enantiomer formában kristályosodik. Az eddigi eredmények nem tekinthetõk bizonyító erejûnek. Talán több sikerrel kecsegtetne olyan vegyületek kristályosítása, amelyek kifejezetten nagy rendszámú elemeket (nehéz átmenetifémeket) is tartalmaznak, mert ezeknél a két DEps növelõ effektus egymást erõsítheti.

Folytatás


Természet Világa, 130. évf. 2. sz. 1999. február, 54–59. o.
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/TermVil/ 

Vissza a tartalomjegyzékhez