středa, srpna 31, 2005

Vesmírné záření vybralo orientaci aminokyselin všech organismů


Vesmírné záření vybralo orientaci aminokyselin všech organismů


Ukázalo se, že vesmírné záření neničí všechny aminokyseliny stejně účinně. Dík tomu jsou například bílkoviny všech organismů na Zemi tvořeny jen jedním z těchto dvou teoreticky zcela rovnocenných typů aminokyselin.To že při laboratorní přípravě aminokyselin vzniká směs obou jejich forem je argumentem pro odpůrce evoluční teorie a abiogeneze: v rozšíření pouze jedné formy vidí zásah vnějšího činitele-tedy Boha.

Takže:proč a jak byla upřednostněna jedna forma aminokyselin nad jinou?

( podobně jako: “ proč jsou lidé většinou praváci ?“)

Nezbytný úvod

Mnoho organických látek se vyskytují ve dvou izomerních formách (enantiomery) označovaných D a L: na první pohled by se daly jednoduše zaměnit, jelikož jedna forma se získá pouhým zrcadlovým převrácením druhé formy. Jde ale o různé látky(tato vlatnost molekuly, kdy jejím zrcadlovým převrácením získáme molekulu, která není s původní molekulou ztotožnitelná žádným libovolným otočením, se nazývá také chiralita, takže symetrické molekuly které i když se zrcadlově převrátí, jsou totožné, vůbec enantiomery netvoří=nevykazují chiralitu ). Zdá se že rozdíl v jejich vlastnostech bude minimální: tyto obě formy mají opravdu stejné fyzikální i chemické vlastnosti, ovšem rozdíl se projeví při reakci s nějakou jinou opticky aktivní látkou, a jelikož nejen aminokyseliny(v přírodních bílkovinách se vyskytují pouze v L-formě) ale i například mnohé cukry(ty mají pro změnu „pravorukou“orientaci-D) jsou chirální, nejde jen o okrajově významnou vlastnost. Jak již bylo řečeno, při výrobě chirálních látek v běžně vzniká směs obou enantiomerů v poměru 1:1( tzv. racemická směs).

(nicméně některé bakterie mají v buněčné stěně i D-aminokyseliny: D-glutamát a D-alanin ,bílkoviny však netvoří ani zde)

Interakce chirálních látek se zářením

Látkám, které tvoří enantiomery se také říká opticky aktivní látky, protože jsou schopny stáčet rovinu polarizovaného světla.(racemická směs však rovinou polarizovaného světla nestáčí, tedy stáčí, ale oběma směry stejně, což se ve výsledku vyruší). Oba enantiomery stáčí rovinu polarizace o stejný absolutní úhel ale D-forma doprava a L-forma doleva. Kruhově polarizované světlo má také dvě polarizace: levou a pravou, přičemž levá je přednostně pohlcována L-formou a pravá D-formou. A jelikož při pohlcování světla dochází částečně k fotolýze(rozkladu světlem) pohlcujících aminokyselin, je pomocí světla s určitou polarizací možno ochudit racemický roztok o jeden z enantiomerů a tudíž vlastně obohatit o enantiomer, který absorbuje méně světlo o dané polarizaci.

(Takto však není možno vytvořit 100% roztok jednoho z enantiomerů, protože sice absorbuje méně světla než druhý enantiomer kterého se z rozotku zbavujeme, ale stejně se znatelně rozkládá...a tak třeba při zvýšení koncentrace jednoho z enantiomerů v původně racemickém roztoku o 20% se rozloží 99% původního celkového množství směsi-tedy při snaze o větší zkoncentrování je tato metoda nepoužitelná.)

Aminokyseliny by mohly být D a tvořil biologicky funkční bílkoviny(jak ukázaly pokusy): nutné je aby byly výhradně jedné orientace, kdyby se náhodně vyskytovaly pokaždé v jiné formě, potom by i vlastnosti bílkovin poskládaných z tohoto „mišmaše“ enantiomerů aminokyselin měli často náhodné vlastnosti(nebo alespoň těžko předpokládatelné), což je špatné pro organismy: vyrábět bílkoviny s nepředpokládatelnými proměnnými vlastnostmi- tendence je přesně opačná.

Vyšinutí ze symetrie

Je mnoho teorií, všechny se snaží najít nějaký přirozený zdroj asymetrie a ten aplikovat na prapůvodní směs obou aminokyselin v počátcích vývoje země tak, aby vzniklo jednoho enantiomeru více.

Tak například: Zdrojem nadbytku jedné z forem aminokyselin by mohly být křemeny nebo jíly, na které by se obě formy aminokyselin nestejně ochotně(selektivně) adsorbovaly. Nebo by malý krystalek tvořen výhradně jednou formou aminokyseliny mohl podnít krystalizaci aminokyselin z okolních roztoků obou forem.A vznikající krystal by byl tvořen aminokyselinami jediné formy:formy původního iniciačního krystálku. Nebo by homochirální polymer aminokyselin(složen jen z L-aminokyselin) mohl sloužit jako templát a vázat na sebe aminokyseliny( z okolního roztoku) do větších rozměrů a tak tvořit stále delší strukturu tvořenou jediným enantiomerem, tedy taková autokatalýza.

(ale pak ještě následuje hodně dlouhá a neznámá cesta k tomu, aby se výhradně jedna forma začlenila do biochemie organismů, ovšem tohoto se studie netýkají, jde jim pouze o dokázání, že se samovolnými procesy(bez účasti složitšjího tvůrce:boha nebo i jen samotných organismů) může vytvořit nadbytek jedné z forem.Tuto formu by si snad první praorganismy mohly nějak osvojit: necílevědomě,čistě proto že byla v nadbytku a dále ji propagovat(vystihuje to pojem “zmražená náhoda“ = “frozen accident“ :víceméně náhodná událost, která ovšem vývoj nasměruje jedním směrem, a postupem času již není žádný důvod a je to navíc nepravděpodobné, aby se tento vývoj přesmýkl na paralelní kolej, i téměř identickou: je zde aktivační energie, kterou organismy samovolně nepřekonají. Takto by se i z malého nebo lokálního nadbytku L-enantiomeru mohlo propagací organismy dosáhnout současného stavu, kdy je 100% aminokyselin v přírodních bílkovinách L-enantiomer) )

V této nejnovější studii na dané téma tedy vědci předpokládali, že Země byla infiltrovaná bílkovinami původem z vesmíru, které přicestovaly v meteoritu. A ve vesmíru(přinejmenším naše sluneční soustava, někde jinde by aminokyseliny mohly být přednostně D) by mělo být v nadbytku záření o polarizaci, která více rozkládá D-aminokyseliny za vznikajícího nadbytku L-aminokyselin.Jako důkaz mimo jiné slouží i na Zemi nalezené meteority, které skutečně obsahovaly nadbytek(ovšem jen několikaprocentní) L-aminokyseliny, data nemohla být zkreslena infiltrací pozemskými L-aminokyselinami jelikož v meteoritu byly objeveny, mimo jiné, i na Zemi se pravděpodobně nevyskytující (nebo velmi zřídka se vyskytující) aminokyseliny(2-amino-2,3-dimethylpentová kyselina).


(V roce 2000 byl proveden experiment,kdy ozařováním racemické směsi zářením o určité kruhové polarizaci, byl získán 2,5% nadbytek jednoho z enantiomerů. Ovšem pokus byl proveden v roztoku, který se chová jinak než zmrzlá směs vody a prachu vyskytující se ve vesmírném prostoru.)


Nyní byla tedy tenká pevná vrstva rovnovážné směsi L i D formy aminokyseliny leucinu ozařována ultrafialovým světlem(pravděpodobně o kruhové polarizaci „vpravo“ , v článku není uvedeno) o vlnové délce 180nm. Výsledkem byl 2,6% nadbytek L-leucinu. Výzkumníci předpokládají, že výzkum bude pokračovat variováním vlnových délek záření a parametrů pevných ozařovaných vzorků.A další důkaz, finální, by mohla dodat sonda Rosetta v srpnu 2014, kdy přistane na kometě Churyumov-Gerasimenko (respektive z oběžné dráhy, kde bude fotografovat povrch komety, vyšle menší modul určený pro přistání na povrchu komety). Tato sonda je vybavena měřícími přístroji pro rozeznání chirality…a vědci samozřejmě doufají že naleznou přehršel L aminokyselin.

Dodatky:

[ další z možností, jak získat nadbytek jednoho enantiomeru je ozařování směsi enantiomerů zářením(nemusí být ani polarizované) v magnetickém poli]


[ Časem dochází k samovolné racemizaci: tedy u mrtvých organismů se zvyšuje koncentrace druhého optického izomeru na úkor původního výhradně zastoupeného. Tento jev slouží i jako metoda datování stáří: odhad před jakou dobou organismus zemřel. Ale není ji možno srovnávat třeba s radiokarbonovou metodou datování, protože je značně závislá na podmínkách, kterým byly bílkoviny při svém rozkladu vystaveny:pH, teplota, navíc různé aminokyseliny se racemizují nestejně rychle.K racemizaci aminokyselin dochází také při syntéze nebo naopak hydrolýze bílkovin. ]


[ Thalidomid je názorným příkladem rozdílných vlastností enantiomerů.V 50. a na počátku 60. let byl používán jako lék na ranní nevolnosti pro těhotné matky. Prošel klinickými testy, ale po nasazení ve 48 zemích(v Československu použit nebyl) se projevil jako silný teratogen: narodilo se 12 000 postižených dětí s nevyvinutými končetinami, bez uší etc. Jeden enantiomer je skutečně účinný při ranních nevolnostech a pravděpodobně i bez vedlejších účinků, již jeho zrcadlově převrácená forma způsobuje masivní tělesná postižení plodu.


(ovšem samotná jeho schopnost tvořit opticky aktivní izomery se nejspíše nijak neprojevila na tom, že proklouzl testy, i když byl škodlivý: výsledky klinických zkoušek byly buď chybně vyhodnoceny nebo přímo zfalšovány. Odpůrci testů na zvířatech tohoto často neprávem využívají jako argument: “ani testy na zvířatech nepomohly odhalit škodlivé účinky“, ve skutečnosti dodatečné správně provedené testy na březích savcích škodlivost Thalidomidu odhalily) ]


[ Na internetu je lehko k nalezení pomocí hesla „chirality problem“ množství článků na toto téma, většinou jako součást bitky mezi táborem bojujícím proti evoluční teorii a táborem obraňujícím ]

[ teď jsem zjistil, že mě někdo tak trochu už předběhl:( ]

mimochodem: myslíte si, že je nějaká souvislost mezi chiralitou na molekulární úrovní a třeba preferovaným praváctvím?praváctví pravděpodobně bude taky jednou z „frozen accidents“, ovšem jak vzniklo?

5 Comments:

At 3:40 odp., Anonymous Martin - Techblog said...

Mi se nezdá, že by pro převážen jednoho druhu aminokyselin nad druhým byla nutná byť jen několika procentní převaha na začátku. Nechal bych to na Darwinovi. Organismy se mohly začít vyvýjet s oběma druhy aminokyselin, ale díky náhodě (dodnes zmrazené) lehounce převýšili ti s L, a pak už to jelo. Déčkaři i eLkaři se mohli úspěšně množit jen mezi sebou takže malý rozdíl na začátku se exponenciálně promítnul do dalšího vývoje. Déčkaři se z nějaké "rány osudu" už nevzpamatovali nebo prostě takový tvar aminokyselin není tak vhodný, pro chemické reakce s dalšími organickými látkami.

Totéž bych viděl pro praváky. Evolučně výhodnější je být pravákem mezi praváky, i když být levák není žádná zásadní existenční nevýhoda.

Obojí jsou asi zmrazené náhody, ale neviděl bych za tím nějaký hlubší důvod. Je to samozřejmě můj laický pohled.

 
At 8:11 odp., Blogger al-ash said...

Stejně ale na místě vzniku prvních organismů musela být nějaká nerovnováha enatiomerů, protože jak bylo řečeno, bílkoviny složené z obou typů enantiomerů jsou "nespolehlivé"...a tahle studie řešila jak ona nerovnováha vznikla...i kdyby paralelně vznily dvě nerovnováhy:na jednom místě nadbytek D a na jednom L eanntiomerů

Otázkou ovšem také je, jak vznikly ty nejprimitivnější živé struktury:jestli
na více místech současně nebo to opravdu byla jen obrovská náhoda,a z místa kde se tahle náhoda udála,se ty praorganismy rozšířily...
pokud je pravda to první,klidně mohly koexistovat praorganismy s D i L aminokysleinami,pokud ovšem vznikly na jediném místě,vyvstane otázka "proč právě L" ještě naléhavěji...

Déčkaři i eLkaři se mohli úspěšně množit jen mezi sebou

-pohlavní rozmnožování je až hodně pozdní, ale možná tím myslels obecně jakékoliv vzájemné interakce:prapůvodní organismy totiž asi nemuseli mít tak ochraněný svůj genom(který vlastně tvořil celé jejich tělo) před vnějšími zásahy jiných organismů...jejich těla(tedy genomy) se tudíž mohly různě prolínat a kombinovat


nebo prostě takový tvar aminokyselin není tak vhodný, pro chemické reakce s dalšími organickými látkami.
-vlastnosti obou enantiomeru by skutečně měly být stejné(právě proto je to tak zajímavý problém),kromě tedy vyjmenovaných případů...řeší se proto,jestli jeden z těch případů, kdy se oba enantiomery chovají rozdílně, je při interakci s různě polarizovaným zářením


a co se týče té rány osudu:jo ,to je další velká otázka: nakolik se na výsledku evoluce(podobě dnešního života)podílela náhoda a na kolik třeba různé obecné principy a v té době panující podmínky

 
At 10:37 odp., Anonymous martin - techblog said...

Nevím, jestli jsem to špatně pochopil, ale z Tvého článku jsem se dozvěděl, že zrcadlová varianta molekuly nějaké účinné látky poškozovala plod a druhá ne. Z toho mi jednoznačně plyne, že se nechovají v organizmech stejně. (A to že by měly, je problém pro vědce.) A z toho mi plyne možnost hendikepu D aminokyselin.

Určitě jsem nemyslel pohlavní rozmnožování, ale díky nestabilitě směsi, jsem mixy nebral v úvahu. A nějak se šířit (či vznikat) určitě musely.

 
At 2:05 dop., Blogger al-ash said...

opravdu poškozoval jen jeden enantiomer
ale proto že:

Aminokyseliny všech organismů jsou L a řekl bych,že ta forma Thalidomidu, která poškozovala byla D zatímco L-forma byl lék.Kdyby ovšem byly všechny aminokyseliny člověka D, tak by to nejpíše bylo naopak:lékem by byla D-forma thalidomidu a L by byl teratogen...

...protože my jsme "náhodou" z L aminokyselin, jsou pro nás D-aminokyseliny něco cizorodého,
ovšem kdyby sme byli z D-aminokyselin,viděli by sme to úplně jinak

Nějaké škodlivé vlastnosti
D formy vůči L formě se nemohly projevit v době, o kterou jde(v době,kdy došlo k tomu "rozhodnutí" která forma převáží)protože ještě nebylo něčeho nadbytek:existovala jen racemická směs s rovným zastoupením obou forem...a NĚJAK(vnější vliv nebo jen amplifikovaná náhoda) se tato rovnováha porušila

...ovšem chemické vlastnosti v tomto rozdělení úlohu skoro určitě nehrály:L se chová k D naprosto stejně jak se chová D k L

 
At 3:35 odp., Anonymous martin - techblog said...

Díky za polopatičtější vysvětlení, snad už tomu začínám trochu rozumět.

 

Okomentovat

<< Home