A hétköznapi életben jól tudjuk, mit jelent az, ha valaki balkezes. Bármilyen nehéz elképzelni, ez a tulajdonság molekulák esetében is megfigyelhető, bár a jelentése korántsem annyira kézenfekvő. Viszont ha elfogadjuk azt, hogy egy molekula is lehet balkezes, akkor abból egyből következik, hogy ugyanolyan gyakori az ő jobbkezes párja is? A kémia ebből a szempontból nagyon kiegyenlített: jobb- és balkezes molekulák azonos arányban keletkeznek, egyforma tulajdonságokkal rendelkeznek, és azonos módon alakulnak át más vegyületekké. Ez az egyensúly akkor borul fel a legszembetűnőbben, amikor az élő anyag molekuláit kezdjük el vizsgálni. Az élőlények szervezetét alkotó fehérjék ugyanis szinte kizárólag balkezes aminosavakból épülnek fel, míg a bennük található cukrok (vagyis szénhidrát-molekulák) kivétel nélkül jobbkezesek. Ez az aszimmetria már önmagában is szokatlan, de a dolog akkor válik igazán rejtélyessé, ha hozzátesszük, hogy a nem földi mintákból származó aminosavak megoszlása is hasonlóan aszimmetrikus. Vajon honnan indult, és mi vezetett el a szimmetria megtöréséhez? Hova lettek a jobbkezes aminosavak?
Asztrokémiai témájú bejegyzéseink Vendégszerző írásai – korábbiakban olvashattatok tőle a Jupiter fémes hidrogénjéről, a Titan hold metántavairól és az azt vizsgáló űrszondákról, valamint a csillagközi molekulák kialakulásáról.
Mitől lesz balkezes egy molekula?
A szimmetria számtalan formában jelen van a világegyetemben, az elemi részecskék legbelső tulajdonságaitól kezdve egészen az emberi test felépítéséig. Ezért sem lehet túlságosan meglepő, hogy a kémiában is léteznek szimmetrikus és kevésbé vagy akár egyáltalán nem szimmetrikus anyagok. A szerves vegyületek között például gyakoriak az olyan molekulák, amik kétféle térbeli szerkezetet vehetnek fel, ahol a két szerkezet egymás tükörképe, de bárhogy is forgatjuk, sehogy sem tudjuk fedésbe hozni őket egymással. Ezt a fajta aszimmetriát nevezzük kiralitásnak, az egymással fedésbe nem hozható tükörképpárokat pedig – ilyen például az ember jobb és bal keze is – egymás enantiomereinek hívjuk.
Az enantiomereket elég nehéz egymástól megkülönböztetni, gyakorlatilag az összes fizikai és kémiai tulajdonságuk megegyezik. Az egyetlen eset, amikor különbséget lehet felfedezni köztük, ha egy másik királis dologgal kerülnek kapcsolatba, mert ilyenkor a tükörképi pár két tagjára eltérő hatást gyakorol a másik királis rendszer. Az enantiomerek megkülönböztetésére használt egyik legrégebbi módszer a polarizált (azaz egyetlen kitüntetett irányba haladó) fény alkalmazásán alapszik. Ha síkban polarizált fénysugár halad keresztül olyan királis anyagon, ami csak az egyik enantiomert tartalmazza, akkor a királis molekulák a fény síkját vagy jobbra vagy balra forgatják. Ha a tükörkép-molekulákon halad keresztül ugyanaz a fénysugár, az elforgatás az előzőhöz képest ellentétes irányú lesz. Ez a jelenség az alapja annak, hogy beszélhetünk jobbra, illetve balra forgató, más szóval jobb- és balkezes molekulákról.
Csak egy maradhat
Az élővilágban fontos szerepet betöltő molekulák között különösen elterjedt a kiralitás: a legtöbb esszenciális aminosav, a cukrok vagy éppen a DNS kettős spirálja mind rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal. Ami különösen érdekessé teszi ezeket a biológiailag fontos vegyületeket, az nem is maga a kiralitás, hanem az, hogy a kétféle lehetséges enantiomer közül, néhány nagyon ritka kivételtől eltekintve, csak és kizárólag az egyik fordul elő az élő szervezetekben. A különböző élőlények fehérjéi mind-mind balra forgató aminosavakból épülnek fel, a DNS- és RNS-molekulák kizárólag jobbkezes cukoregységeket tartalmaznak, a DNS hélix formája szintén minden esetben jobbra forgató.
Ez az úgynevezett biológiai homokiralitás elsőre elég furcsának tűnhet, hiszen korábban már szó volt róla, hogy a tükörkép viszonyban álló enantiomereket szinte lehetetlen megkülönböztetni. Mi lehet akkor az oka annak, hogy a legkülönfélébb élő szervezetek csak az egyik formát használják fel? A választ a fehérjék és más biomolekulák szerkezete adja meg.
Az aminosavak és a cukrok is az úgynevezett biopolimerek építőkövei. Az aminosavak egymással összekapcsolódva fehérjéket hoznak létre, a cukrok pedig foszforsav-molekulákkal reagálva hozzák létre a DNS és az RNS gerincét. Ahhoz, hogy a biopolimerek el tudják látni a szervezetben a feladatukat, elengedhetetlen, hogy egy pontosan meghatározott háromdimenziós szerkezetet tudjanak kialakítani. Ez a szerkezet önrendeződés útján jön létre, amit kizárólag az építőelemek sorrendje és megfelelő illeszkedése határoz meg. Ha ez a szerkezet nem tud kialakulni, a fehérje vagy a nukleinsav nem fogja tudni betölteni a szerepét. Ezt az egészet úgy is elképzelhetjük, mintha egy egydimenziós puzzle-t próbálnánk összerakni. Minden puzzle-darabka tökéletesen illeszkedik a szomszédaihoz, feltéve, hogy a megfelelő oldalukkal kapcsoljuk őket össze. Amint megfordítunk akár csak egyet is, az illeszkedés nem fog működni, a lánc megszakad. Vagyis ha a bal- és jobbkezes építőelemeket véletlenszerűen válogatnánk össze a biopolimerek felépítésekor, semmi sem garantálná, hogy működőképes makromolekulákat kapunk. Ezt segít elkerülni a homokiralitás.
Mi volt előbb?
Mindezek alapján már érthető, hogy miért van szükség a biológiai homokiralitásra, de ez még mindig nem magyarázza meg, hogy mi hozta azt létre. Hogyan jutottunk el a prebiotikus kor akirális, vagyis szimmetrikus állapotából a mai királis, aszimmetrikus világig?
Ahogy már szó volt róla, egy hétköznapi kémiai reakcióban a királis molekula két enantiomere mindig azonos arányban keletkezik. Ennek ellenére valamikor az evolúció során az élő szervezetek elkezdtek csak balkezes aminosavakat és csak jobbkezes cukrokat használni. Ez egy igazi tyúk-tojás probléma, ami már több mint száz éve vár a megoldásra. Ahhoz, hogy működő biomolekulákat állítsunk elő, homokirális elemekre van szükség, ezeknek a létrehozásához viszont elengedhetetlenek a szelektivitást biztosító biomolekulák. Kísérleti úton sikerült már például bebizonyítani, hogy az RNS-molekula szintézise nem működik olyankor, amikor a ribóz nevű cukor mindkét enantiomere jelen van. Egy másik, pontosan hetven évvel ezelőtti kísérlettel Stanley Miller először igazolta, hogy a kb. 4 milliárd évvel ezelőtti Földön a biomolekulák létrejöhettek az akkoriban jelenlévő prebiotikus masszából, pontosabban az abban megtalálható biogén elemekből. A kísérlet során Miller elektromos szikrával villámlást szimulált egy vizet, metánt, ammóniát és hidrogént tartalmazó elegyben. Az eredmény: az elegyben egy sor szerves molekula jött létre, köztük 11 esszenciális aminosav. Csakhogy az aminosavak mind egyenlő arányban tartalmazták a jobbra és a balra forgató formákat.
A homokiralitás eredete a Miller-kísérlet után hetven évvel is megfejtésre vár. A mostani tudásunk alapján nagyon valószínű, hogy annak a folyamatnak a megértése, amelynek eredményeként az élő anyag homokirális lett, nagyon fontos láncszemet jelentene az élet eredetének megismerésében, de ezt a láncszemet egyelőre még nem ismerjük. Egymással versengő elméletek viszont már léteznek.
Az egyik elképzelés szerint a homokiralitást valamilyen alapvető természeti törvénynek köszönhetjük, vagyis egyértelműen determinisztikus folyamat eredménye. Az egyik szóba jöhető fizikai tényező az úgynevezett gyenge kölcsönhatás, ami maga is aszimmetrikus, rendelkezik kitüntetett iránnyal. Annak, hogy valóban fizikai törvények diktálják a balkezességet, az lehetne a bizonyítéka, ha sikerülne megmutatni, hogy a balra forgató aminosavak stabilabbak, mint a tükörképeik. Ilyen számításokat már többen végeztek, és minden esetben sikerült kimutatni, hogy valóban létezik a feltételezett stabilitás-különbség, ami a balkezes aminosavak javára billentheti a mérleget. A probléma az, hogy a kiszámolt energiakülönbség annyira elenyésző (~10-12 Joule/mol), hogy esély sincs a megmérésére.
Egy másik lehetséges magyarázat szerint viszont a biológiai homokiralitás pusztán a véletlen műve volt. Úgy alakult, hogy közvetlenül az élet megjelenésekor az első sejtek csupa balkezes aminosavból és jobbkezes szénhidrátból álltak, és ez örökre eldöntötte a kiralitás kérdését. A legkorábbi élőlények ugyanekkora eséllyel tartalmazhatták volna a tükörképi párokat, és akkor ma minden fordítva lenne. Ennek az elméletnek nagy előnye, hogy a lehető legkevesebb feltételezést igényli, az esélyek viszont elsőre nem tűnnek kedvezőnek. Egy tíz aminosavból álló peptid esetében például mindössze 1:1024 az esélye annak, hogy minden aminosav balkezes lesz. Ám ha utánaszámolunk, kiderül, hogy 1 gramm peptidben kb. 1018 homokirális molekula fordul elő. Ha ez a néhány peptid jobban elősegíti az élő szervezet működését, mint a heterokirális változatok, akkor a sejtek az evolúció során egyre inkább ezeket favorizálták, a többit pedig szépen lassan elfelejtették. Arra a kérdésre pedig, hogy miért pont a balkezes molekulák maradtak fenn, és miért nem a jobbkezesek, ezek után már egészen nyugodtan felelhetjük azt, hogy 50%-os esélye volt mindkét enantiomernek, és a szerencse ezúttal a balkezeseknek kedvezett, ők értek oda előbb
És akkor jöjjön az asztrokémia
A véletlenre alapozó elmélet csak akkor állja meg a helyét, ha azt is feltételezzük, hogy az élet kezdetekor valamennyi királis molekula enantiomerei fele-fele arányban voltak jelen. De vajon mi a helyzet akkor, ha valamelyik változat már kezdetben is túlsúlyban volt, még ha csak nagyon csekély mértékben is? Ebben az esetben az újabb és újabb aminosavak szintézise már „királis környezetben” zajlana, ahol az egyik enantiomer feleslege eltolhatta az egyensúlyt a saját maga javára. Vajon mi lehetett az a szigorúan nem biológiai hatás, ami elindította az élő anyag molekuláit a homokiralitáshoz vezető úton? Hiszen mindeddig azt hangsúlyoztuk, hogy a fizikai és kémiai változások mindig szimmetrikusan hozzák létre a bal- és jobbkezes enantiomereket. A mostani tudásunk alapján úgy tűnik, hogy erre a kérdésre az asztrokémia adhatja meg a választ.
Széntartalmú meteoritokban számtalanszor kimutattak már különböző aminosavakat, köztük olyanokat is, amik a földi élőlényekben megtalálhatók. Ha elfogadjuk, hogy ezek a molekulák élettelen környezetben, tehát nem biológiai folyamatok során jöttek létre (és lássuk be, ennek az ellenkezője elég nagy szenzáció lenne…), akkor azt várnánk, hogy az aminosav-enantiomerek azonos mennyiségben vannak jelen a meteoritmintákban. Csakhogy a vizsgálatok egészen mást mutatnak. Az 1980-as évektől kezdve egy sor kísérletet végeztek különböző széntartalmú meteoritmintákon, és az eredmény rendre ugyanaz volt: a legkülönfélébb aminosavak mindegyikében túlsúlyban voltak a balkezes változatok. Vagyis a jelenleg legvalószínűbb elképzelés szerint az ide érkező, nem földi eredetű meteoritok módosították a bolygó prebiotikus szervesmolekula-készletét, és az addig meglévő egyensúlyt a balkezes molekulák javára tolták el, még az élet megjelenése előtt.
De vajon mi az oka annak, hogy a meteoritokban talált, nem biológiai eredetű molekulák között feleslegbe kerültek a balkezes aminosavak? Valószínűleg senki sem lepődik meg azon, hogy egyértelmű válasz egyelőre erre a kérdésre sincs, mindössze az elméletekig jutottunk el.
.
Az egyik lehetséges elképzelés szerint eredetileg ezek az aminosavak is azonos enantiomer-arány mellett jöttek létre, viszont a későbbiekben valamilyen külső hatásnak, például a polarizált fénynek köszönhetően az egyik forma gyorsabban elbomlott, mint a másik, amelyik így győztesen került ki az evolúciós csatából. Egy másik elmélet szerint a homokiralitás nem „menet közben” alakult ki, hanem már a kezdetekkor, a királis molekulák létrejötte óta jelen volt. Ez például abban az esetben lehetséges, ha a tükörkép-molekulák külön-külön kristályosodnak ki, és így egyből megvalósul az elválasztásuk.
Egy további lehetséges magyarázatot jelenthetnek az autokatalitikus reakciók, vagyis az olyan kémiai folyamatok, ahol a keletkező anyag felgyorsítja a reakciót, vagyis a saját maga keletkezését. Bár egy királis molekulát eredményező reakcióban a kétféle enantiomer végső soron azonos mennyiségben keletkezik, a reakció végbemenetele közben, különösen a folyamat elején, a számuk sosem egyezik meg pontosan, valamelyik forma szinte mindig feleslegben van, még ha csak minimálisan is. Ha erre az átmenetileg feleslegbe kerülő formára nézve autokatalitikus a reakció, akkor az exponenciálisan felgyorsíthatja ennek a formának a keletkezését, és a reakció végére elvezethet a csaknem teljesen tiszta enantiomerhez is.
Akárhogy is történt, mostanra mindenhol megvalósult a biológiai homokiralitás: az élőlények csak balkezes aminosavakat és jobbkezes cukrokat állítanak elő és építenek be a fehérjékbe és a nukleinsavakba. Ebben a pillanatban nagyon valószínűnek tűnik, hogy a homokiralitás és az élet eredetét közös ponton kell keresnünk, de továbbra is nyitott a kérdés, hogy vajon az előbbi szükséges feltétele-e az életért felelős makromolekulák kialakulásának, vagy csupán egy véletlen, az élet megjelenésével párhuzamos folyamat eredménye. Egy biztos, ha valamilyen módszerrel, leginkább spektroszkópiával kimutatható lenne a homokiralitás például egy másik naprendszerben, az nagyon erős érv lenne a földönkívüli élet létezése mellett.
(A szerző semmilyen közösséget nem vállal a fenti szóviccel.)
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat – tudományról és science fictionről egyaránt.