Однородность хиральности: от молекул к организмам.

Введение

Однородность хиральности
Гомохиральность – это однородность хиральности, или ручной активности. Объекты являются хиральными, когда они не могут быть совмещены со своими зеркальными отражениями. Например, левая и правая руки человека являются приблизительно зеркальными отражениями друг друга, но не являются зеркальными отражениями самих себя, следовательно, они хиральны. В биологии 19 из 20 природных аминокислот являются гомохиральными, имея L-хиральность (левосторонняя), в то время как сахара – D-хиральность (правосторонняя). Гомохиральность также может относиться к энантиомерно чистым веществам, в которых все компоненты представляют собой один и тот же энантиомер (право- или левосторонний вариант атома или молекулы), однако некоторые источники не рекомендуют такое использование этого термина. Неясно, имеет ли гомохиральность какую-либо цель, однако она представляется формой хранения информации. Одна из гипотез заключается в том, что она снижает энтропийные барьеры при образовании крупных организованных молекул. Экспериментально подтверждено, что аминокислоты образуют более крупные агрегаты из энантиомерно чистых образцов, чем из рацемических (энантиомерно смешанных). В биологических организмах аминокислоты почти исключительно представлены левосторонней формой (L-аминокислоты), а сахара – правосторонней формой (R-сахара). Поскольку ферменты катализируют реакции, они обеспечивают гомохиральность широкого спектра 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 различной хиральностью. Это может влиять на физиологические реакции, такие как обоняние и вкус. Карвон, терпеноид, содержащийся в эфирных маслах, в L-форме пахнет мятой, а в R-форме – тмином. Гомохиральность также влияет на реакцию на лекарственные препараты. Талидомид в левосторонней форме излечивает утреннюю тошноту, а в правосторонней – вызывает врожденные дефекты. Многие лекарства доступны как в виде рацемической смеси (равное количество обоих энантиомеров), так и в виде энантиомерно чистого препарата (только один энантиомер). В зависимости от производственного процесса, энантиомерно чистые формы могут быть дороже в производстве, чем стереохимические смеси. Завивание растений может иметь предпочтительную хиральность, и даже движение жевания у коров имеет 10-процентный избыток в одном направлении.

Uniformity of handedness
Homochirality is a uniformity of chirality, or handedness. Objects are chiral when they cannot be superposed on their mirror images. For example, the left and right hands of a human are approximately mirror images of each other but are not their own mirror images, so they are chiral. In biology, 19 of the 20 natural amino acids are homochiral, being L chiral (left handed), while sugars are D chiral (right handed). Homochirality can also refer to enantiopure substances in which all the constituents are the same enantiomer (a right handed or left handed version of an atom or molecule), but some sources discourage this use of the term. It is unclear whether homochirality has a purpose; however, it appears to be a form of information storage. One suggestion is that it reduces entropy barriers in the formation of large organized molecules. It has been experimentally verified that amino acids form large aggregates in larger abundance from an enantiopure samples of the amino acid than from racemic (enantiomerically mixed) ones. In biological organisms, amino acids appear almost exclusively in the left handed form (L amino acids) and sugars in the right handed form (R sugars). Since the enzymes catalyze reactions, they enforce homochirality on a great variety of other chemicals, including hormones, toxins, fragrances and food flavors. Glycine is achiral, as are some other non proteinogenic amino acids that are either achiral (such as dimethylglycine) or of the D enantiomeric form. Biological organisms easily discriminate between molecules with different chiralities. This can affect physiological reactions such as smell and taste. Carvone, a terpenoid found in essential oils, smells like mint in its L form and caraway in its R form. Homochirality also affects the response to drugs. Thalidomide, in its left handed form, cures morning sickness; in its right handed form, it causes birth defects. Many drugs are available as both a racemic mixture (equal amounts of both chiralities) and an enantiopure drug (only one chirality). Depending on the manufacturing process, enantiopure forms can be more expensive to produce than stereochemical mixtures. The coiling of plants can have a preferred chirality and even the chewing motion of cows has a 10% excess in one direction.

Нарушение симметрии

Теории происхождения гомохиральности в молекулах жизни можно классифицировать как детерминированные или основанные на случайности, в зависимости от предложенного механизма. Если существует связь между причиной и следствием – то есть, конкретное хиральное поле или влияние, вызывающее нарушение зеркальной симметрии – теория классифицируется как детерминированная; в противном случае она классифицируется как теория, основанная на механизмах случайности (в смысле случайного процесса). Другая классификация различных теорий происхождения биологической гомохиральности может быть проведена 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 автоамплификации жизни: либо формирование жизни с предпочтением одной из хиральностей было редким случайным событием, которое произошло именно с наблюдаемыми нами хиральностями, либо все хиральности жизни возникли быстро, но из-за катастрофических событий и жесткой конкуренции другие, не зафиксированные хиральные предпочтения были подавлены преобладанием и метаболическим энантиомерным обогащением от "выигравших" вариантов хиральности. Если бы это было так, должны были бы сохраниться следы вымершей хиральности. Поскольку это не так, в настоящее время биотические теории не поддерживаются. Возникновение хирального консенсуса как естественного процесса автоусиления также связывают со вторым законом термодинамики.

Детерминистические теории

Детерминистские теории можно разделить на две подгруппы: если первоначальное хиральное влияние произошло в определенном месте пространства или времени (в среднем равное нулю на достаточно больших областях наблюдения или в течение достаточно длительных периодов времени), то теория классифицируется как локально детерминистическая; если хиральное влияние является постоянным в момент хирального отбора, то она классифицируется как универсально детерминистическая. Классификационные группы для локально детерминистических теорий и теорий, основанных на случайных механизмах, могут пересекаться. Даже если внешнее хиральное влияние вызвало начальный хиральный дисбаланс детерминированным образом, конечный знак может быть случайным, поскольку внешнее хиральное влияние имеет свой энантиомерный аналог в другом месте. В детерминистских теориях энантиомерный дисбаланс создается под действием внешнего хирального поля или влияния, и окончательный знак, зафиксированный в биомолекулах, будет определяться им. Детерминистские механизмы получения нерацемических смесей из рацемических исходных материалов включают: асимметричные физические законы, такие как электрослабое взаимодействие (через космические лучи) или асимметричные среды, такие как те, что создаются циркулярно поляризованным светом, кварцевыми кристаллами или вращением Земли, β-радиолиз или магнитохиральный эффект. Наиболее общепринятой универсально детерминистской теорией является электрослабое взаимодействие. После установления хиральность подвергается отбору. Одно из предположений состоит в том, что обнаружение энантиомерного дисбаланса в молекулах метеорита Мёрчисона подтверждает внеземное происхождение гомохиральности: имеются данные о существовании циркулярно поляризованного света, возникающего в результате рассеяния Ми на ориентированных межзвездных пылинках, что может спровоцировать образование энантиомерного избытка в хиральном материале в космосе. Другая гипотеза (гипотеза Вестера Ульбрихта) предполагает, что фундаментальная хиральность физических процессов, таких как бета-распад (см. Нарушение чётности), приводит к незначительно различному периоду полураспада биологически значимых молекул.

Deterministic theories can be divided into two subgroups: if the initial chiral influence took place in a specific space or time location (averaging zero over large enough areas of observation or periods of time), the theory is classified as local deterministic; if the chiral influence is permanent at the time the chiral selection occurred, then it is classified as universal deterministic. The classification groups for local determinist theories and theories based on chance mechanisms can overlap. Even if an external chiral influence produced the initial chiral imbalance in a deterministic way, the outcome sign could be random since the external chiral influence has its enantiomeric counterpart elsewhere. In deterministic theories, the enantiomeric imbalance is created due to an external chiral field or influence, and the ultimate sign imprinted in biomolecules will be due to it. Deterministic mechanisms for the production of non racemic mixtures from racemic starting materials include: asymmetric physical laws, such as the electroweak interaction (via cosmic rays) or asymmetric environments, such as those caused by circularly polarized light, quartz crystals, or the Earth's rotation, β Radiolysis or the magnetochiral effect. The most accepted universal deterministic theory is the electroweak interaction. Once established, chirality would be selected for. One supposition is that the discovery of an enantiomeric imbalance in molecules in the Murchison meteorite supports an extraterrestrial origin of homochirality: there is evidence for the existence of circularly polarized light originating from Mie scattering on aligned interstellar dust particles which may trigger the formation of an enantiomeric excess within chiral material in space. Another speculation (the Vester Ulbricht hypothesis) suggests that fundamental chirality of physical processes such as that of the beta decay (see Parity violation) leads to slightly different half lives of biologically relevant molecules.

Трансмиссия

После того, как в системе достигнуто значительное энантиомерное обогащение, обычно происходит передача хиральности по всей системе. Этот заключительный этап известен как стадия передачи хиральности. Многие стратегии асимметричного синтеза построены на использовании передачи хиральности. Особое значение имеет так называемый органокатализ органических реакций, например, катализ пролином в реакциях Манниха. Некоторые предложенные модели передачи хиральной асимметрии включают полимеризацию, эпимеризацию или сополимеризацию.

Оптическое разрешение в рацемических аминокислотах

Не существует теории, объясняющей корреляции между L-аминокислотами. Если взять, например, аланин, который имеет небольшую метильную группу, и фенилаланин, который имеет большую бензильную группу, то возникает простой вопрос: в каком отношении L-аланин больше похож на L-фенилаланин, чем на D-фенилаланин, и какой механизм обуславливает отбор всех L-аминокислот, поскольку теоретически возможно, что аланин был L, а фенилаланин – D.

В 2004 году было сообщено, что избыток рацемического D,L-аспарагина (Asn), который спонтанно образует кристаллы любого из изомеров при рекристаллизации, индуцирует асимметричное разделение сопутствующей рацемической аминокислоты, такой как аргинин (Arg), аспарагиновая кислота (Asp), глутамин (Gln), гистидин (His), лейцин (Leu), метионин (Met), фенилаланин (Phe), серин (Ser), валин (Val), тирозин (Tyr) и триптофан (Trp). Энантиомерный избыток этих аминокислот был почти линейно связан с энантиомерным избытком индуктора, то есть Asn. При рекристаллизации 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 у Asn, предпочтительно кокристаллизовались. Однако в последнее время термин "гомохиральный" используется в том же смысле, что и "энантиомерно чистый". Это допускается в некоторых журналах (но не приветствуется), и его значение меняется, приобретая смысл предпочтения процесса или системы к одному оптическому изомеру в паре изомеров в этих журналах.