|
Почему ваши молекулы являются правосторонними
|
|
|
|
Вытяните руки перед собой, обе ладони обращены в одну сторону. Для большинства людей можно с уверенностью сказать, что их руки являются довольно хорошими зеркальными отражениями друг друга — идентичными, но перевернутыми относительно центральной вертикальной оси. Теперь сведите руки вместе, не переворачивая их, так чтобы одна лежала на другой. Хотя ваши средние три пальца могут довольно хорошо совпадать, мизинцы и большие пальцы не будут иметь ничего, к чему можно было бы идеально привязаться. Даже несмотря на то, что ваши руки являются зеркальными отражениями друг друга, когда вы накладываете их друг на друга, они не идеально совпадают. Это свойство называется хиральностью, и помимо того, что оно позволяет создавать странно выглядящие теневые куклы, оно часто наблюдается в квантовой физике.
|
|
|
|
В частности, хиральность часто встречается в молекулах вашего тела, которые, как правило, являются правосторонними или левосторонними. На самом деле, большинство биологических молекул являются хиральными, и две химически идентичные формы молекулы, которые выглядят как отражения, известны как энантиомеры. Более полутора столетий причина, по которой организмы имеют негласное предпочтение к тому или иному энантиомеру — явление, известное как гомохиральность, — ставила ученых в тупик. В поисках ответа физики Йосси Палтиель (из Еврейского университета в Израиле) и Рон Намаан (из Института Вайсманна в Израиле) возглавили исследовательскую группу, которая изучала, почему жизнь постоянно выбирает одну зеркальную молекулу вместо другой.
|
|
|
|
|
|
|
«За эти годы было предложено несколько схем относительно возникновения хиральности в жизни, но ни одна из них не объяснила конкретную хиральность», — написала группа в исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances. «На основе идентичной энергетики двух энантиомеров и симметрично обусловленного отображения их свойств, обычно ожидалось, что абсолютное значение любого физического эффекта будет одинаковым для двух энантиомеров».
|
|
|
|
|
|
Чтобы попытаться разгадать эту загадку, команда сосредоточилась на эффекте, открытом десятилетия назад, — эффекте хиральности-индуцированной спиновой селективности (CISS), — который частично объясняет хиральность в биомолекулах. Эффект CISS создает впечатление, что движение электронов через оба энантиомера молекулы будет одинаковым, поскольку технически оно одинаково во всех остальных отношениях. Однако, как оказалось, способы вращения электронов через энантиомеры часто схожи, но они не совсем симметричны. И поскольку спин электрона в одном энантиомере может обеспечивать его более эффективное движение, этот эффект постоянно повторяется в живых организмах.
|
|
|
|
Направление вращения электронов внутри молекулы зависит от их углового момента (импульса вращения, в отличие от движения вперед или назад). Исследовательская группа выяснила, что проецирование траектории этих электронов включает в себя спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие внутри атома, связывающее спин электрона с его вращательным моментом при вращении вокруг ядра, — и именно этот спин заставляет энантиомеры вести себя по-разному в определенных биологических процессах. Несмотря на одинаковую энергию, энантиомеры, находящиеся в движении или функционирующие в качестве переносчиков, ведут себя несколько по-разному из-за противоположных спинов электронов. Обычно оказывается, что одно направление спина (и, следовательно, один энантиомер) работает эффективнее, чем другое, поэтому организм использует именно этот вариант. Аминокислоты, например, почти исключительно левосторонние, в то время как сахара, как правило, правосторонние.
|
|
|
|
Команда считает, что это исследование может открыть портал в далекое прошлое, когда предок всего живого на Земле возник в трещинах древней породы или в сгустке первобытной жижи. Магнитные породы, такие как железо и магнетит, были в изобилии на ранней Земле. Считается, что рибоза аминооксазолин (RAO) мог быть предшественником РНК, и что взаимодействие с магнитной поверхностью могло сформировать молекулы в геноме первой формы жизни таким образом, чтобы отдавать предпочтение одной хиральности по сравнению с другой.
|
|
|
|
Магнитная порода имеет два полюса (северный и южный), и в зависимости от того, какой полюс обращен вверх, она будет притягивать и удерживать одну версию хиральной молекулы на своей поверхности, оставляя другую версию свободной. Это происходит потому, что когда хиральная молекула притягивается к магнитной поверхности, ее электрический заряд и электронный спин поляризуются. Какой полюс притягивает какую молекулу, зависит от того, является ли она лево- или правосторонней. Другими словами, магнитная порода может действовать как фильтр, собирая один энантиомер, игнорируя его зеркальное изображение. Исследователи проверили эту идею, используя рибоза-аминооксазолин (RAO), молекулу, которая, как считается, является предшественником РНК. Их анализ предполагает, что взаимодействие с магнитными поверхностями на ранней Земле может объяснить, почему в биологии повсеместно предпочтение отдается D-сахарам (используемым в РНК) и L-аминокислотам (используемым в белках).
|
|
|
|
«Эта работа предоставляет правдоподобный и универсальный путь для лучшего понимания происхождения биомолекулярной гомохиральности и специфической хиральности хиральных молекул в природе», — написали они. «Кроме того, это дает новое понимание спин-зависимых энантиоспецифических процессов и устройств».
|
|
|
|
Источник
|
