Гомохиральность

Гомохиральность — это единообразие хиральности или рукости. Объекты являются хиральными, если их нельзя наложить на свои зеркальные изображения. Например, левая и правая руки человека являются примерно зеркальными отражениями друг друга, но не являются собственными зеркальными отражениями, поэтому они хиральны. В биологии 19 из 20 природных аминокислот являются гомохиральными, то есть L -хиральными (левосторонними), а сахара - хиральными D (правосторонними). Гомохиральность может также относиться к энантиочистым веществам, в которых все компоненты представляют собой один и тот же энантиомер (правостороннюю или левостороннюю версию атома или молекулы), но некоторые источники не рекомендуют такое использование этого термина.

Неясно, имеет ли гомохиральность цель; однако, похоже, это форма хранения информации. Одно из предположений состоит в том, что он снижает энтропийные барьеры при образовании крупных организованных молекул. Экспериментально подтверждено, что аминокислоты образуют крупные агрегаты в большем количестве из энантиомерно чистых образцов аминокислоты, чем из рацемических (энантиомерно смешанных).

Неясно, возникла ли гомохиральность до или после жизни, и было предложено множество механизмов ее возникновения. Некоторые из этих моделей предлагают три отдельных этапа: нарушение зеркальной симметрии создает незначительный энантиомерный дисбаланс, киральная амплификация строится на этом дисбалансе, а хиральная передача — это передача хиральности от одного набора молекул к другому.

В биологии

Аминокислоты являются строительными блоками пептидов и ферментов , а сахаропептидные цепи являются основой РНК и ДНК . В биологических организмах аминокислоты встречаются почти исключительно в левосторонней форме ( L -аминокислоты), а сахара — в правосторонней форме (R-сахара). Поскольку ферменты катализируют реакции, они обеспечивают гомохиральность множества других химических веществ, включая гормоны , токсины, ароматизаторы и вкусовые добавки. Глицин является ахиральным, как и некоторые другие непротеиногенные аминокислоты , которые либо ахиральны (например, диметилглицин ), либо имеют D- энантиомерную форму.

Биологические организмы легко различают молекулы с разной хиральностью. Это может повлиять на физиологические реакции, такие как запах и вкус. Карвон , терпеноид, содержащийся в эфирных маслах , пахнет мятой в L-форме и тмином в R-форме. Лимонен по вкусу напоминает цитрусовые, когда правша, и сосну, когда левша.

Гомохиральность также влияет на реакцию на лекарства. Талидомид в своей левосторонней форме излечивает утреннюю тошноту ; в своей правосторонней форме он вызывает врожденные дефекты. К сожалению, даже если вводится чистая левосторонняя версия, часть ее может преобразоваться в правостороннюю форму у пациента. Многие лекарства доступны как в виде рацемической смеси (равные количества обеих хиральностей), так и в виде энантиочистых препаратов (только одна хиральность). В зависимости от производственного процесса производство энантиочистых форм может оказаться дороже, чем стереохимические смеси.

Хиральные предпочтения также можно обнаружить на макроскопическом уровне. Раковины улиток могут иметь право- или левоповоротные спирали, но у данного вида настоятельно предпочтительна та или иная форма. У съедобной улитки Helix pomatia только одна из 20 000 левовинтовая. Скручивание растений может иметь предпочтительную хиральность, и даже жевательные движения коров имеют 10%-ное избыток в одном направлении.

Происхождение

Нерешенная задача по химии :

Какова природа гомохиральности в живых организмах?

(еще нерешенные задачи по химии)

Нарушение симметрии

Теории происхождения гомохиральности в молекулах жизни можно классифицировать как детерминистические или основанные на случайности, в зависимости от предлагаемого ими механизма. Если существует связь между причиной и следствием, то есть определенное киральное поле или влияние, вызывающее нарушение зеркальной симметрии, теория классифицируется как детерминированная; в противном случае ее классифицируют как теорию, основанную на случайных (в смысле случайности) механизмах.

Другая классификация различных теорий происхождения биологической гомохиральности может быть сделана в зависимости от того, возникла ли жизнь до этапа энантиодискриминации (биотические теории) или после него (абиотические теории). Биотические теории утверждают, что гомохиральность — это просто результат естественного процесса самоусиления жизни — что либо формирование жизни, предпочитающей одну хиральность, либо другую, было случайным редким событием, которое произошло с наблюдаемыми нами киральностями, или что все киральности жизнь возникла быстро, но из-за катастрофических событий и сильной конкуренции другие ненаблюдаемые хиральные предпочтения были уничтожены преобладанием и метаболическим энантиомерным обогащением «победивших» хиральных вариантов. Если бы это было так, то должны быть найдены остатки вымершего знака киральности. Поскольку это не так, в настоящее время биотические теории больше не поддерживаются.

Появление консенсуса киральности как естественного процесса автоусиления также было связано со 2-м законом термодинамики .

Детерминистические теории

Детерминистические теории можно разделить на две подгруппы: если первоначальное киральное влияние имело место в определенном пространстве или времени (усреднение нуля по достаточно большим областям наблюдения или периодам времени), теория классифицируется как локальная детерминистическая; если киральное влияние является постоянным в момент, когда произошел киральный отбор, то оно классифицируется как универсальное детерминированное. Классификационные группы локальных детерминистских теорий и теорий, основанных на случайных механизмах, могут пересекаться. Даже если внешнее хиральное влияние детерминированным образом вызвало первоначальный хиральный дисбаланс, знак результата может быть случайным, поскольку внешнее хиральное влияние имеет свой энантиомерный аналог в другом месте.

В детерминистских теориях энантиомерный дисбаланс создается за счет внешнего хирального поля или влияния, и именно ему будет обусловлен окончательный знак, запечатленный в биомолекулах. Детерминированные механизмы производства нерацемических смесей из рацемических исходных материалов включают: асимметричные физические законы, такие как электрослабое взаимодействие (через космические лучи ) или асимметричной среды, например, вызванной круговой поляризацией света, кристаллами кварца или вращением Земли, β-радиолизом или магнитохиральным эффектом. Наиболее распространенной универсальной детерминированной теорией является электрослабое взаимодействие. После установления будет выбрана хиральность.

Одно из предположений состоит в том, что открытие энантиомерного дисбаланса в молекулах метеорита Мерчисон подтверждает внеземное происхождение гомохиральности: есть свидетельства существования циркулярно поляризованного света, возникающего в результате рассеяния Ми на выровненных частицах межзвездной пыли, которые могут вызвать образование энантиомерного избыток хирального материала в пространстве. Межзвездные и околозвездные магнитные поля могут таким образом выравнивать частицы пыли. Другое предположение (гипотеза Вестера-Ульбрихта) предполагает, что фундаментальная хиральность физических процессов, таких как бета-распад (см. Нарушение четности ), приводит к несколько разным периодам полураспада биологически значимых молекул.

Случайные теории

Теории случайности основаны на предположении, что « Абсолютный асимметричный синтез, т. е. образование энантиомерно обогащенных продуктов из ахиральных предшественников без вмешательства хиральных химических реагентов или катализаторов, практически неизбежен только по статистическим причинам ».

Рассмотрим рацемическое состояние как макроскопическое свойство, описываемое биномиальным распределением; Эксперимент по подбрасыванию монеты, в котором двумя возможными результатами являются два энантиомера, является хорошей аналогией. Дискретное распределение вероятностей $P_{p}(n,N)$ получения n успехов из $N$ Испытания Бернулли, где результат каждого испытания Бернулли происходит с вероятностью. $p$ и обратное происходит с вероятностью $q=(1-p)$ дается:

$P_{p}(n,N)={\binom {N}{n}}p^{n}(1-p)^{N-n}$ .

Дискретное распределение вероятностей $P(N/2,N)$ иметь именно $N/2$ молекулы одной хиральности и $N/2$ другого, определяется:

$P_{1/2}(N/2,N)={\binom {N}{N/2}}\left({\frac {1}{2}}\right)^{N/2}\left({\frac {1}{2}}\right)^{N/2}\approx {\sqrt {\frac {2}{\pi N}}}$ .

Как и в эксперименте с бросанием монеты, в этом случае мы предполагаем оба события ( $L$ или $D$) быть равновероятным, $p=q=1/2$. Вероятность наличия одинакового количества обоих энантиомеров обратно пропорциональна квадратному корню из общего числа молекул. $N$. На один моль рацемического соединения $N=N_{A}\approx 6.022\cdot 10^{23}$ молекул, эта вероятность становится $P_{1/2}(N_{A}/2,N_{A})\approx 10^{-12}$. Вероятность обнаружения рацемического состояния настолько мала, что ее можно считать пренебрежимо малой.

В этом сценарии существует необходимость амплифицировать первоначальный стохастический энантиомерный избыток с помощью любого эффективного механизма амплификации. Наиболее вероятный путь этой стадии амплификации — асимметричный автокатализ . Автокаталитическая химическая реакция — это реакция, в которой продукт реакции сам по себе является реактивным, другими словами, химическая реакция является автокаталитической, если продукт реакции сам является катализатором реакции. В асимметричном автокатализе катализатором является хиральная молекула, что означает, что хиральная молекула катализирует собственное производство. Первоначальный избыток энантиомеров, например, который может быть получен с помощью поляризованного света, затем позволяет более распространенному энантиомеру вытеснить другой.

Усиление

Теория

Фазовый портрет модели Франка: начиная практически со всех точек плоскости L - D (кроме линии L = D ), система приближается к одному из гомохиральных состояний (L=0 или D=0).

В 1953 году Чарльз Франк предложил модель, демонстрирующую, что гомохиральность является следствием автокатализа . В его модели энантиомеры L и D хиральной молекулы автокаталитически образуются из ахиральной молекулы A.

${\begin{aligned}A+L\xrightarrow {k_{a}} 2L,\\A+D\xrightarrow {k_{a}} 2D,\end{aligned}}$

подавляя друг друга посредством реакции, которую он назвал взаимным антагонизмом

${\begin{aligned}L+D\xrightarrow {k_{d}} \varnothing .\\\end{aligned}}$

В этой модели рацемическое состояние нестабильно в том смысле, что малейший избыток энантиомеров будет амплифицирован до полностью гомохирального состояния. Это можно показать, вычислив скорости реакций по закону действующих масс :

${\begin{aligned}{\frac {d[{\ce {L}}]}{dt}}&=k_{a}[{\ce {A}}][{\ce {L}}]-k_{d}{\ce {[L][D]}}\\{\frac {d[{\ce {D}}]}{dt}}&=k_{a}[{\ce {A}}][{\ce {D}}]-k_{d}{\ce {[L][D]}},\end{aligned}}$

где $k_{a}$ – константа скорости автокаталитических реакций, $k_{d}$ — константа скорости реакции взаимного антагонизма, а концентрация A для простоты остается постоянной.

Аналитические решения для найдены $[L]/[D]=[L]_{0}/[D]_{0}\,e^{kd([L]_{0}-[D]_{0})(e^{k_{a}t}-1)}$ . Соотношение $[L]/[D]$ увеличивается более чем экспоненциально, если $([L]_{0}-[D]_{0})$ положителен (и наоборот). Каждые стартовые условия отличаются от

$[L]_{0}=[D]_{0}$ привести к одной из асимптот $[L]=0$ или $[D]=0$. Таким образом, равенство $[L]_{0}$ и $[D]_{0}$ и так из $[L]$ и $[D]$ представляет собой состояние неустойчивого равновесия, причем этот результат зависит от присутствия члена, обозначающего взаимный антагонизм.

Определив энантиомерный избыток $ee$ как

$ee={\frac {[{\ce {D}}]-[{\ce {L}}]}{[{\ce {D}}]+[{\ce {L}}]}},$

скорость изменения энантиомерного избытка можно рассчитать с помощью цепного правила по скорости изменения концентраций L и D. энантиомеров

${\frac {d(ee)}{dt}}=\left({\frac {2k_{d}{\ce {[L][D]}}}{[{\ce {D}}]+[{\ce {L}}]}}\right)ee.$

Анализ линейной устойчивости этого уравнения показывает, что рацемическое состояние $ee=0$ является нестабильным. Начиная практически с любого места концентрационного пространства, система переходит в гомохиральное состояние.

Обычно понимают, что сам по себе автокатализ не приводит к гомохиральности и наличие взаимно антагонистических отношений между двумя энантиомерами необходимо для нестабильности рацемической смеси. Однако недавние исследования показывают, что гомохиральность может быть достигнута в результате автокатализа при отсутствии взаимно антагонистических отношений, но основной механизм нарушения симметрии другой.

Эксперименты

Есть несколько лабораторных экспериментов, которые демонстрируют, как небольшое количество одного энантиомера в начале реакции может привести к большому избытку одного энантиомера в качестве продукта. Например, реакция Соаи является автокаталитической . Если реакция начинается с уже присутствующим одним из энантиомеров продукта, продукт действует как энантиоселективный катализатор для производства большего количества того же энантиомера. Первоначальное присутствие всего лишь 0,2 эквивалента до 93% одного энантиомера может привести к энантиомерному избытку продукта .

Еще одно исследование Речь пролином катализируемом аминоксилировании пропиональдегида идет нитрозобензолом . о В этой системе небольшой энантиомерный избыток катализатора приводит к большому энантиомерному избытку продукта.

Сериновые октамерные кластеры тоже претенденты. Эти кластеры из 8 молекул серина проявляются в масс-спектрометрии с необычным гомохиральным предпочтением, однако нет никаких доказательств того, что такие кластеры существуют в неионизирующих условиях, а фазовое поведение аминокислот гораздо более актуально с пребиотической точки зрения. Недавнее наблюдение о том, что частичная сублимация образца лейцина, обогащенного 10% энантио , приводит к обогащению сублимата до 82%, показывает, что энантиообогащение аминокислот может происходить в космосе. Процессы частичной сублимации могут происходить на поверхности метеоров, где существуют большие колебания температуры. Это открытие может иметь последствия для разработки марсианского органического детектора, запуск которого запланирован на 2013 год, целью которого является извлечение следовых количеств аминокислот с поверхности Марса именно методом сублимации.

Высокая асимметричная амплификация энантиомерного избытка сахаров также присутствует при катализируемом аминокислотами . асимметричном образовании углеводов,

Одно классическое исследование включает в себя эксперимент, который проводится в лаборатории. Когда хлорату натрия дают кристаллизоваться из воды и собранные кристаллы исследуют в поляриметре , каждый кристалл оказывается хиральным и имеет либо L - форму, либо D - форму. В обычном эксперименте количество собранных кристаллов L равно количеству кристаллов D (с поправкой на статистические эффекты). Однако, когда раствор хлората натрия перемешивается во время процесса кристаллизации, кристаллы представляют собой либо исключительно , либо исключительно D. L Из 32 последовательных экспериментов по кристаллизации в 14 экспериментах были получены D -кристаллы, а в 18 других - L -кристаллы. Объяснение этого нарушения симметрии неясно, но оно связано с автокатализом, происходящим в процессе нуклеации .

В аналогичном эксперименте кристаллическая суспензия производного рацемической аминокислоты при непрерывном перемешивании приводит к образованию 100% кристаллической фазы одного из энантиомеров, поскольку энантиомерная пара способна уравновешиваться в растворе (сравните с динамическим кинетическим разрешением ).

Передача инфекции

Как только в системе происходит значительное энантиомерное обогащение, обычным является перенос хиральности по всей системе. Этот последний этап известен как этап хиральной передачи. Многие стратегии асимметричного синтеза построены на хиральной передаче. Особенно важен так называемый органокатализ органических реакций пролином, например в реакциях Манниха .

Некоторыми предложенными моделями передачи хиральной асимметрии являются полимеризация, эпимеризация или сополимеризация.

Новое вращение

Исследование/эксперимент по гомохиральности, проведенный Ш. Фуркана Озтюрка Книга «Новый взгляд на происхождение биологической гомохиральности» дает нам «новый взгляд на происхождение биологической гомохиральности».

В своей диссертации он говорит : «Мы изучали спин-селективную кристаллизацию рацемического рибоаминооксазолина (RAO), центрального предшественника РНК , на поверхностях магнетита ( Fe3O4 ), достигая гомохиральности на двух стадиях кристаллизации. Более того, мы показали хиральность- индуцированная лавинная намагниченность магнетита молекулами РАО, что подтверждает взаимный характер эффекта и обеспечивает кооперативную обратную связь между хиральными молекулами и магнитными поверхностями. Наконец, на основе эмпирических данных мы предлагаем путь, посредством которого достигается гомохиральность в одиночной хиральной поверхности. соединение РАО может эффективно распространяться по всей пребиотической сети, начиная от D-нуклеиновых кислот до L-пептидов , а затем до гомохиральных метаболитов.

Наши результаты демонстрируют пребиотически приемлемый способ достижения гомохиральности на системном уровне из полностью рацемических исходных материалов посредством процесса, инициируемого физической средой».

Оптическое разрешение в рацемических аминокислотах

Не существует теории, объясняющей корреляции между L -аминокислотами. Если взять, например, аланин , имеющий небольшую метильную группу, и фенилаланин , имеющий большую бензильную группу, то простой вопрос заключается в том, в каком аспекте L напоминает L -аланин больше -фенилаланин, чем D -фенилаланин, и какой вид Этот механизм вызывает отбор всех L -аминокислот, поскольку вполне возможно, что аланин был L был D. , а фенилаланин

Об этом сообщили в 2004 году избыток рацемического D , L -аспарагина (Asn), который спонтанно образует кристаллы любого изомера во время рекристаллизации, вызывает асимметричное расщепление сосуществующих рацемических аминокислот, таких как аргинин (Arg), аспарагиновая кислота (Asp), глютамин ( Gln), гистидин (His), лейцин (Leu), метионин (Met), фенилаланин (Phe), серин (Ser), валин (Val), тирозин (Tyr) и триптофан (Trp). Энантиомерный избыток этих аминокислот ee = 100×( L - D )/( L + D ) почти линейно коррелировал с энантиомерным избытком индуктора, т.е. Asn. При перекристаллизации из смеси 12 D , L -аминокислот (Ala, Asp, Arg, Glu, Gln, His, Leu, Met, Ser, Val, Phe и Tyr) и избытка D , L -Asn все аминокислоты с той же конфигурацией, что и Asn, преимущественно сокристаллизовались. Не имело значения, происходило ли обогащение L- или D -Asn, однако, как только выбор был сделан, сосуществующая аминокислота с той же конфигурацией у α-углерода была предпочтительно вовлечена из-за термодинамической стабильности в образовании кристаллов. . Сообщалось, что максимальный ee составляет 100%. На основании этих результатов предполагается, что смесь рацемических аминокислот вызывает спонтанное и эффективное оптическое разрешение, даже если асимметричный синтез одной аминокислоты не происходит без помощи оптически активной молекулы.

Это первое исследование, убедительно объясняющее образование хиральности рацемических аминокислот с экспериментальными доказательствами.

История термина

Этот термин был введен Кельвином в 1904 году, в год, когда он опубликовал свою Балтиморскую лекцию 1884 года. Кельвин использовал термин гомохиральность как отношение между двумя молекулами, т.е. две молекулы являются гомохиральными, если они имеют одинаковую хиральность. Однако в последнее время гомохиральный термин стали использовать в том же смысле, что и энантиомерно чистый. Это разрешено в некоторых журналах (но не поощряется). в этих журналах его значение меняется на предпочтение процесса или системы одному оптическому изомеру в паре изомеров.

См. также

• Концепция хиральной жизни - искусственного синтеза хирально-зеркальной версии жизни.
• CIP-система
• Стереохимия
• Эффект Пфайфера
• Нерешенные задачи по химии

Дальнейшее чтение

• Бейли, Джереми (28 августа 1998 г.). «Звездная круговая поляризация и биомолекулярная гомохиральность» . Неделя науки . Архивировано из оригинала 30 ноября 2010 года . Проверено 5 мая 2018 г.
• Болл, Филип (24 апреля 2009 г.). «Круговой аргумент?». Природа . дои : 10.1038/news.2009.390 .
• Бразилия, Рэйчел (26 октября 2015 г.). «Происхождение гомохиральности» . Химический мир . Проверено 10 августа 2018 г.
• Блэкмонд, Донна Г.; Миллер, Ром (21 июня 2004 г.). «Как левосторонние аминокислоты продвинулись вперед: демонстрация эволюции биологической гомохиральности в лаборатории» . www.imperial.ac.uk (пресс-релиз). Имперский колледж Лондона . Проверено 5 мая 2018 г.
• Гихарро, Альберт; Юс, Мигель (2008). Происхождение киральности в молекулах жизни: пересмотр понимания современных теорий и перспектив этой нерешенной проблемы . Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество. ISBN  9780854041565 .
• Хегстром, Роджер А.; Кондепуди, Дилип К. (1990). «Рукость Вселенной». Научный американец . 262 (1): 108–115. Бибкод : 1990SciAm.262a.108H . doi : 10.1038/scientificamerican0190-108 . JSTOR   24996649 .
• Джафарпур, Фаршид; Бьянкалани, Томмазо; Голденфельд, Найджел (10 марта 2017 г.). «Вызванное шумом нарушение симметрии вдали от равновесия и возникновение биологической гомохиральности» (PDF) . Физический обзор E . 95 (3): 032407. Бибкод : 2017PhRvE..95c2407J . дои : 10.1103/PhysRevE.95.032407 . ПМИД   28415353 .
• Наньшэн, Чжао (1999). «Роль гомохиральности в эволюции». В Зукки, К.; Кальоти, Л.; Палий, Г. (ред.). Достижения в области биохиральности . Берлингтон: Эльзевир. стр. 105–114. дои : 10.1016/B978-008043404-9/50008-5 . ISBN  9780080526621 .
• Руи, А. Морин (17 июня 2004 г.). «О генезисе гомохиральности» . Новости химии и техники . Американское химическое общество . Проверено 5 мая 2018 г.
• Седбрук, Даниэль (28 июля 2016 г.). «Должны ли молекулы жизни всегда быть левыми или правыми?» . Смитсоновский институт . Проверено 10 августа 2018 г.

Внешние ссылки

• Наблюдения подтверждают теорию гомокиральности . Photonics TechnologyWorld, ноябрь 1998 г.
• Истоки гомохиральности. Архивировано 21 августа 2010 г. в Wayback Machine . Конференция в Нордите, Стокгольм, февраль 2008 г.