Piotr Wojciechowski , Roman Gancarz

It is well know that living organisms show strong enantiomeric selectivity in their molecular level. The enantiomorphic discrimination is sometimes manifested in the shape of the animal or plant. It was Paster who in 1857 discovered that the chemistry of life had a preferred handedness. ”Life is manifested to us as a function of the dyssymetry of the universe” he wrote. Pasteris work was carried out well before the recognition of the quadrivalence of the carbon by Kekule and Couper (1858). He did far more that simply discover the underlying theory of molecular asymmetry, he foresaw most of the consequences of that theory, he understood the principle of a transference of the asymmetric property from one set of molecules to another. Finally he clearly understood the biological implications of the discovery of asymmetry. The theory of organic stereochemistry has been established independently by van’t Hoff and Le Bel in 1874.

Now, very frequently we have the question why is no ”mirror life”. Would not biochemistry like ours with every configuration inverted be just as good? Was our way better or lucky? In 1957 it was found that mirror symmetry is broken on the subatomic level. Some elementary particles, like neutrino, exist only as a left-handed object. Thus, in fact, there are no exact enantiomers in our world. They are rather diastereoisomers of different energy. Thus, our mirror images friends living on the other side of the looking glass, with all the biological molecules with opposite configurations would not be as perfect as we are.

Stając codziennie przed lustrem, z pewnością choć raz zadaliśmy sobie pytanie czy mógłby istnieć świat będący lustrzanym odbiciem naszego świata? Przypuśćmy, podnosimy prawą rękę w geście pozdrowienia. Nasze lustrzane odbicie odpowie nam pozdrowieniem lewą ręką. Naukowo, zachowanie symetrii zwierciadlanej nazywamy zachowaniem parzystości. Do stycznia 1957 nie znano żadnych zjawisk fizycznych łamiących regułę symetrii zwierciadlanej. Innymi słowy uważano, że świat, w którym zamienione byłyby wszystkie rzeczy lewe na prawe mógłby istnieć równie prawdopodobnie jak nasz [1].

Gdyby któregoś dnia nasze odbicie w lustrze odpowiedziało nam pozdrowieniem prawą ręką przeżylibyśmy szok. Jest mało prawdopodobne aby komukolwiek to się przydarzyło, ale podobne zjawisko zaobserwowano w przypadku cząstki elementarnej zwanej mionem. Upadek parzystości, bo tak później określano te wydarzenia, nastąpił w styczniu 1957. Stwierdzono, że NIE ISTNIEJE lustrzane odbicie mionu, tzn. że zarówno w naszym eksperymencie jak i w tym przeprowadzonym po drugiej stronie lustra, zaobserwujemy mion lewoskrętny.

Z pojęciem symetrii nierozerwalnie związane jest pojęcie chiralności. Wszystkie otaczające nas przedmioty możemy zakwalifikować jako chiralne bądź achiralne. Przykładem tych pierwszych może być rękawiczka. Prawa pasuje do prawej dłoni, a jej lustrzane odbicie (lewa rękawiczka) do odbicia prawej dłoni (czyli lewej ręki). W przeciwieństwie do rękawiczki, skarpetka zalicza się do przedmiotów achiralnych, więc równie dobrze będzie ona pasować na prawą, jak i na lewą nogę. Podobnie związki chemiczne mogą być chiralne lub achiralne. Do takiego wniosku doszedł w swoich pierwszych pracach Louis Pasteur badając kryształy kwasu winowego. Stwierdził, iż występuje on w kilku odmianach. Jedna z nich skręca płaszczyznę polaryzacji światła w lewo , druga w prawo a trzecia odmiana jest optycznie nieczynna (kwas mezo winowy). Późniejsze wyjaśnienie tego zjawiska (prace Fischera i Bijvoeta, Le Bella i Van't Hoffa [3]) dały podstawy stereochemii.

Istnienie chiralności pociąga za sobą szereg konsekwencji wynikających ze wzajemnego oddziaływania przedmiotów (związków) chiralnych, które w skrócie można przedstawić jako oddziaływania typu: “pasuje” lub “nie pasuje”. Proces ten możemy prześledzić na wspomnianym przykładzie rękawiczki: lewa rękawiczka pasuje do lewej dłoni, z ubraniem jej na prawą na ogół są kłopoty. To samo zjawisko bardzo często obserwuje się w chemii tak działają również niektóre enzymy i większość receptorów.

Odkrycie tych zjawisk również przypisywane jest L. Pasteurowi. W 1857 badając proces fermentacji cukru winogronowego, zauważył, że w naczyniu zawierającym optycznie nieczynny roztwór pojawiła się pleśń. Okazało się, że “zakażony” roztwór stał się optycznie czynny, a więc mikroorganizmy przetworzyły optycznie nieczynną mieszaninę w roztwór optycznie aktywny. Ciekawe przykłady różnej aktywności dla form "lewych" i "prawych" można znaleźć wśród feromonów - substancji chemicznych odpowiedzialnych za łączność pomiędzy zwierzętami. Północnoamerykańskie chrząszcze Ips pini ze stanu Idaho wydzielają (-) ipsendiol, a chrząszcze tego samego gatunku ze stanu Nowy Jork mieszaninę (+) i (-) ipsendiolu.

Okazuje się, ze chrząszcze z Idaho “nie rozumieją” swoich krewniaków ze stanu Nowy Jork. Także ludzki zmysł węchu rozróżnia formy enancjomeryczne, np.: “lewy” (L) limonen ma zapach cytryny, “prawy” (D) limonen zapach pomarańczy. “Lewy” izomer karwonu ma zapach mięty, natomiast “prawy” kojarzy się z zapachem kminku lub kopru.

Przykładem jak diametralnie różnie mogą oddziaływać enancjomery danego związku może być Talidomid. Badania kliniczne przeprowadzone tylko na jednym enancjomerze związku wykazały, że (R)-Talidomid jest wysoce bezpieczny. W sprzedaży ukazał się jednak lek w postaci racemicznej mieszaniny obu enancjomerów. Drugi z enancjomerów-(S), nie tylko, że nie posiadał spodziewanych właściwości leczniczych, ale okazał się wysoce mutagenny i wywoływał uboczne skutki zwyrodnieniowe w rozwoju płodu (deformacje organów, zanik kończyn).

Obecny w roślinie Polygonum hydropiper (-) poligodial, chroni ją przed mszycami a otrzymany syntetycznie jego enancjomer jest dla tej rośliny wysoce toksyczny. Już przy stężeniu 0,01% powoduje uszkodzenia tkanki.

Symetria zwierciadlana polega na tym, że jeżeli jakiś proces zachodzi, to również z takim samym prawdopodobieństwem możliwy jest proces analogiczny do rozpatrywanego, w którym wszystkie konfiguracje i ruchy są takie, jakie widziałby obserwator pierwszego procesu w zwierciadle. Sztandarowym przykładem takich relacji jest zwykła śruba prawoskrętna z odpowiadającą jej nakrętką [5]. Możemy wykonać replikę takiej śruby i nakrętki z lewoskrętnym gwintem. Układ taki będzie równie skuteczny jak prawoskrętny oryginał, a proces skręcania i rozkręcania takiego układu będzie identyczny z tym jaki obserwowaliśmy w lustrze dla pary śruba-nakrętka z gwintem prawoskrętnym.

Do połowy naszego wieku uważano zgodnie z intuicją, iż symetria zwierciadlana zachowana jest dla wszystkich układów fizycznych. Prawdziwy przełom nastąpił w latach pięćdziesiątych kiedy to zaproponowano, a następnie wykonano pierwsze doświadczenie wykazujące możliwość łamania symetrii zwierciadlanej w przyrodzie [6]. Doświadczenie to przeprowadziła w 1957 roku pani C.S. Wu, w tym samym roku dostali nagrodę Nobla fizycy N.C. Yang i T.D. Lee - autorzy hipotezy o naruszeniu symetrii zwierciadlanej poprzez oddziaływania słabe. Doświadczenie to polegało na obserwowaniu w bardzo niskiej temperaturze i w silnym polu magnetycznym rozpadu b izotopu 60 jąder kobaltu: 60Co ® 60Ni + e- + . W warunkach eksperymentu, praktycznie wszystkie jądra 60Co zaczynały wirować w tę samą stronę, w płaszczyznach wzajemnie do siebie równoległych. W przypadku nienaruszenia symetrii zwierciadlanej w opisywanym przypadku, możliwość uniesienia elektronu powstającego podczas rozpadu b - w “dół” jak i w “górę” powinna być taka sama. Doświadczenie pokazało jednak, iż zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, elektrony preferują ucieczkę w “dół”, a więc symetria zwierciadlana jest łamana. Na rysunku pokazano dozwoloną konfiguracje po rozpadzie jąder 60Co oraz jej obraz w zwierciadle poziomym, który jest niezgodny z prawami zachowania oraz ustaloną skręcalnością antyneutrina.

Obecnie znamy szereg procesów naruszających symetrię zwierciadlaną. Współczesna mechanika kwantowa zakłada istnienie tylko neutrin o spinie -˝h (“wirujących w lewo”) oraz antyneutrin o spinie +˝h (“wirujących w prawo”). Neutrin i antyneutrin o przeciwnych spinach po prostu nie ma w naszym świecie! Stwierdzenie to pociąga za sobą bardzo poważne konsekwencje.
W przypadku wspomnianego rozpadu b , neutron rozpada się na elektron, proton i antyneutrino. Gdybyśmy oglądali ten proces w zwierciadle, zaobserwowalibyśmy antyneutrino wirujące w lewo - w rzeczywistości jednak proces ten nigdy nie może mieć miejsca.

W tym miejscu musimy powiedzieć, że nie istnieje atomowy świat lustrzany! Mówiąc inaczej świat odbity w lustrze nie będzie się rządził tymi samymi prawami co nasz, bowiem nie jest dokładnie symetrycznym odwzorowaniem naszego świata.

W 1984 zostało eksperymentalnie potwierdzone [7], że jeżeli zanurzamy elektron w powłoce elektronowej, na odległość około 10-18 metra od jądra, to jego orbita zostanie zdeterminowana jako prawoskrętna (nie należy mylić tego pojęcia ze spinem elektronu). Co więcej, wszystkie orbity elektronów krążących wokół jąder atomowych są prawoskrętne! A więc oddziaływania obserwowane na poziomie subjądrowym, pociągają za sobą dyssymetrię na poziomie atomowym. Atomy są chiralne i co więcej w naszym świecie nie mają swoich odpowiednich form enancjomorficznych.

Organizmy żywe zbudowane są z szeregu cząsteczek. Cząsteczki, jak już wspomniano, podobnie jak rękawiczka, mogą być “lewe” (-) albo “prawe” (+). Formy “prawe” - “dexotrorotary” - skręcają płaszczyznę polaryzacji światła zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, formy “lewe” - “levorotary” - skręcają światło w przeciwnym kierunku. Szukając analogii np. w świecie roślin możemy zauważyć, że niektóre rośliny pnące owijają się wokół podpór zawsze w jedną stronę. Np. w przypadku Lonicera sempervirens odpowiada to helisie prawoskrętnej, a Convolvulus arvensis lewoskrętnej [8]. Podobnie w świecie zwierząt możemy zaobserwować ślimaki gatunku Liguus virgine o muszlach prawoskrętnych oraz formy zmutowane o muszlach lewoskrętnych. Ciekawe, że bakterie Bacillus subtilis normalnie tworzą kolonie w formie helisy prawoskrętnej, natomiast w podwyższonej temperaturze lewoskrętnej.

W chemii, cząsteczki D- i L- nazywamy enancjomerami danego związku. Dziś wiemy, że DNA, które zawiera kod genetyczny wszystkich organizmów ma strukturę helisy prawoskrętnej. Kwasy nukleinowe z których DNA jest zbudowane składa się wyłącznie z D-deoksycukrów. Skrobia i celuloza zbudowana są natomiast z cząsteczek D-glukozy. Gdy komórka umiera, to zgodnie z zasadami termodynamiki, cząsteczki z których jest zbudowana ulegają racemizacji. Dzięki temu, badając stopień racemizacji DNA jesteśmy w stanie określić wiek komórek sprzed 40000 lat i to znacznie dokładniej niż tradycyjną metodą opartej na oznaczaniu zawartości węgla 14C. Według Pasteura przewaga jednej formy oznacza życie, racemizacja - śmierć!

Dlaczego Natura mając do wyboru cząsteczki “lewe” i “prawe” wykorzystuje tylko jedne enancjomery związków, a prawie nigdy obydwa? Być może wynika to z oszczędności. Gdybyśmy zsyntezowali peptyd o określonej sekwencji, złożony tylko z dziesięciu różnych aminokwasów wykorzystując zarówno enancjomery D- i L- moglibyśmy otrzymać, aż 210 różnych peptydów, a szereg z nich mogło by mieć różne działanie fizjologiczne. Wybierając natomiast do syntezy wyłącznie L-aminokwasy otrzymamy jeden peptyd o określonej konfiguracji i właściwościach.

Czy są jednak jakieś przesłanki do tego iż Natura, zdecydowała się wykorzystywać np. do syntezy białek głównie L-aminokwasy, a nie ich enancjomery? Z poprzednich rozważań wynika, że świat odbity w lustrze nie jest izoenergetyczny z naszym tzn. jest nie równie prawdopodobny. Czyżby zatem Natura wybrała trwalszą wersję naszej rzeczywistości? Od niedawna wiemy, iż łańcuchy zbudowane z L-aminokwasów są trwalsze od ich analogów zbudowanych z D-aminokwasów. Z obliczeń ab initio dla struktury a i b dwóch regularnych konformacji peptydów wynika, iż różnica ta jest niewielka i wynosi 10-14 J/mol, czyli w warunkach równowagi enancjomer L- stanowi 50.0000000000000001 % ogólnej mieszaniny. Czy tak minimalna różnica energii mogła jednak zdecydować o tym, że jesteśmy zbudowani z białek zawierających wyłącznie L-aminokwasy?

Aby odpowiedzieć sobie na pytanie postawione na końcu poprzedniego rozdziału musimy odpowiedzieć sobie na pytanie jak mogło wyglądać życie u jego zarania. Najprostsze koncepcje zakładają iż pierwotny organizm powinien być zdolny metabolizować cząsteczki chemiczne, reprodukować się oraz powinien być zdolny do mutacji [9]. Jako integralny układ powinien on wymieniać ze środowiskiem pewne składniki budowlane i energetyczne. Niezależnie od budowy chemicznej pierwotnego organizmu zakłada się, iż początkowo mógł być zbudowany z obydwu enancjomerów, później jednak na drodze ewolucji nastąpił wybór określonego, “prawego” lub “lewego” enancjomeru. W efekcie wszystkie żyjące współcześnie organizmy są zbudowane w oparciu o ten sam zestaw dwudziestu aminokwasów. Wybór określonego enancjomeru mógł nastąpić na wskutek losowej fluktuacji lub pod wpływem czynników fizycznych preferujących określoną strukturę. Losową fluktuacją mógł być zwykły zbieg okoliczności, który zadecydował o chwilowej przewadze jednego enancjomeru. Takiej fluktuacji niestety nie jesteśmy w stanie przewidzieć, potrafimy jedynie określić prawdopodobieństwo jej zajścia. Sceptycy tej teorii obrazują ją w sposób: gdy Bóg tworzył świat, grał z Szatanem w kości. Gdy wygrywał Szatan, Bóg tworzył “lewe” enancjomery, kiedy wygrywał Bóg powstawały “prawe”.

Znacznie ciekawsze z naukowego punktu widzenia są koncepcje zakładające, iż istnieje jakiś czynnik fizyczny preferujący określone formy enancjomeryczne. Obecnie lansowanych jest kilka teorii:

• indukcji (autokatalizy) - jeżeli do środowiska wprowadzimy nadmiar chociaż jednej substancji chiralnej to całe środowisko stanie się chiralne. Przykładowo jeżeli do nasyconego roztworu danej substancji mogącej krystalizować w formie “lewej” lub “prawej” wprowadzimy zarodki “lewych” kryształów to naruszymy tym samym równowagę w roztworze i w efekcie większość powstałych kryształów będzie “lewych”. Jeżeli będzie to możliwe zaczną one oddziaływać z innymi substancjami narzucając określoną ich chiralność. Kryształem takim mógł być kwarc, niektóre publikacje bowiem sugerują nadmiar od około 0,5% do 1,4% form enancjomerycznych kwarcu o prawoskrętnej helisie krzemotlenkowej [10]. Otwartym zagadnieniem pozostaje, czy powstanie chiralnego środowiska było koniecznym prerekwizytem powstania życia, czy jego konsekwencją. Odpowiedzi (przynajmniej pośredniej) na to pytanie możemy spodziewać się już na początku przyszłego wieku, w zależności od tego czy zostanie potwierdzone istnienie przewagi określonych form chiralnych poza naszą planetą [11],[12];
• przewagi określonego enancjomeru w określonych warunkach fizycznych - przykładem tutaj może być synteza DOPA warunkach homogennej katalizy Wilkinsona [13]. Czynnikiem takim mogło być również spolaryzowane światło katalizujące w niektórych reakcjach powstawanie określonego enancjomeru [14];
• model Franka - ogłoszony w 1953 przez Sir Frederica Charlsa Franka z Uniwersytetu w Bristolu. Oparty był on na założeniu konkurencji między formami, pomiędzy którymi równowaga jest niestabilna. Jeżeli zaistnieje jakiś czynnik (jak choćby fluktuacja losowa) zaburzający symetrie, to układ spontanicznie przejdzie w stan asymetryczny w którym może dojść do całkowitej dominacji jednej formy;
• "dog eat dog" - bez wątpienia jedna z najbardziej modnych teorii ewolucji, zakładająca iż jeden organizm zjadał drugi. Istnieje szereg różnych odmian tej teorii. My dla potrzeb tego artykułu zmodyfikujemy nieco tą teorie i załóżmy, że: 1° jeżeli organizm “lewy” zetknie się z “prawym” stają się one achiralne, czyli “obojętne”, 2° jeżeli organizm “obojętny” zetknie się z “lewym” lub “prawym” to stają się one odpowiednio “lewe” lub “prawe”. Prowadząc symulację komputerową dla tak zdefiniowanego układu możemy powiedzieć, iż jeżeli na początku chociaż w minimalnym stopniu przeważała jedna forma to po odpowiednio długim czasie symulacji wszystkie osobniki będą jednego “gatunku”. Różnica ta może być nawet rzędu 0,0000000000001 % dla odpowiednio licznej populacji!

Gdybyśmy sporządzili roztwór cukru w wodzie i zmierzyli zmianę kąta płaszczyzny polaryzacji światła, i gdyby Alicja w swoim świecie przygotowała taki sam roztwór “swojego” cukru i zmierzyła jego skręcalność, otrzymała by wynik (co do wartości bezwzględnej) o około 10-5 stopnia inny od nas. Oznacza to, że odbicie lustrzane nie daje nam enancjomeru o takiej samej energii , co zwykło się powszechnie sądzić.

Za tę różnicę odpowiedzialne są między innymi oddziaływania słabe, łamiące symetrię zwierciadlaną. Według współczesnej fizyki kwantowej bowiem neutrino i antyneutrino chociaż chiralne nie mają swych “lustrzanych” odpowiedników. Także elektrony poruszające się po orbitach atomowych nie mogą zmienić swoich obrotów na kierunek zabroniony! Zjawisko to, jak wcześniej wspomniano, znane jest w nauce pod nazwą łamania symetrii zwierciadlanej, czy niezachowania parzystości.

Cóż, świat tytułowej bohaterki książki, Alicja po drugiej stronie lustra [15], nawet gdyby mógł istnieć, w zwykłym lustrze nie byłby “idealnym” odbiciem naszego świata, zbudowany byłby bowiem z takich samych neutrin i antyneutrin. Elektrony krążyłyby w tą samą stronę. Zatem prawa w naszym świecie i w lustrze nie byłyby takie same.

Słynne twierdzenie CPT wyrażające głęboką symetrię Natury mówi, że mimo, iż poszczególne symetrie (sprzężenia ładunkowego C, zwierciadlana - parzystości P, odwrócenia czasu T) mogą być pojedynczo łamane, to ich złożenie CPT jest zawsze symetria ścisłą!

Czymże zatem jest naprawdę enancjomer? W naszym biegnącym do przodu świecie atomy są chiralne, bo zbudowane są z chiralnych fragmentów. Co więcej, ich formy enacjomorficzne nie istnieją. Zatem wszystkie cząsteczki chemiczne zbudowane są z jednych tylko enancjomorficznych struktur atomowych. Po odbiciu w lustrze zmieni się układ atomów na enacjomorficzny ale same chiralne elementy struktury pozostaną te same. To tak, jakbyśmy z lewych rękawiczek ułożyli lewą i prawą spiralę. Układ obiektów jest w tym przypadku odbiciem lustrzanym, ale same obiekty nie. Tak naprawdę więc są to struktury diastereomorficzne, a więc o różnej trwałości. L-aminokwasy i D-cukry, cząsteczki z których jesteśmy zbudowani, są trwalsze niż odpowiadające im D-aminokwasy i L-cukry. Możemy więc powiedzieć, że na Alicję po drugiej lustra będą czekać nie tylko niespodzianki wynikłe z zamiany przedmiotów “lewych” i “prawych”.

1. L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jakie jest pytanie?, Prószyński i S-ka, W-wa 1996.
2. K. Kelvin, Baltimore lectures, London1883 i 1884, C. J. Clay and Sons 1904.
3. Patrz prace w numerze specjalnym Tetrahedron 1974, 30, poświeconemu odkryciu chiralności w chemii.
4. R.Gancarz, Dyssymetria cząsteczki i co z tego wynika, Wyd. “Leopoldium” Fundacja dla Uniw. Wroc. 1993, 93.
5. Q. Ho-Kim, N. Kumar, C.-S. Lam, Wstęp do fizyki współczesnej, Stowarzyszenie Symetria i Właściwości Strukturalne, Poznań 1995.
6. A. Szymacha, Encyklopedia Fizyki Współczesnej - Oddziaływania słabe, PWN W-wa, 1983, 158.
7. M.-A. Bouchiat, L. Pottier, An atomic preference between left and right, Scientific American, June 1984.
8. D.K. Kondepudi, Scientific American, January 1990, 108.
9. P.Kafarski, B. Lejczak, Chemia bioorganiczna, PWN 1994.
10. C. Palache et al., Dena’s System of Mineralogy, 3, Wiley, N.Y. 1962.
11. M.H. Engel, S.A. Macko, Isotopic evidence for extraterrestrial non-racemic amino acids of the Murchinson meteorite, Nature 1997, 386, 265.
12. A.J.MacDermott et al., Chem. Phys. Lett. 1989, 1, 163.
13. Knowles, M.J. Sabacky, B.D. Vineyard, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1972, 10.
14. James H. Brewster, Stereochemistry and the Origins of Life, J. Chem. Educ. Aug 1980, 63, 667.
15. L. Carroll, Through the looking-glass and what Alice found there, 1862.