Die Evolution des Lebens bevorzugt eine einzige Chiralität: Warum sind Proteine ​​fast alle „linkshändig“?

Die wichtigen Substanzen, aus denen das Leben besteht, haben die Eigenschaft der „Händigkeit“. Interessanterweise existieren DNA und RNA nur in Rechtshändigkeit, während Proteine ​​„linkshändig“ sind. Warum braucht das Leben Chiralität? Der Ursprung der Chiralität im Leben und die Vorliebe der Lebensmoleküle für eine einzige Chiralität haben den Wissenschaftlern schon immer Rätsel aufgegeben. Ein kürzlich durchgeführtes Experiment zur Aminosäuresynthese könnte eine Erklärung dafür liefern, warum Proteine ​​die Linkshändigkeit bevorzugen.

Geschrieben von Li Na (Forscher am Shanghai Advanced Research Institute, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Im Jahr 2005 feierte das Magazin Science sein 125-jähriges Jubiläum mit der Veröffentlichung einer Liste der 125 schwierigsten wissenschaftlichen Probleme, die die Grundlagenforschung vorantreiben [1]. Im Bereich der Chemie stellt sich die tiefgründige Frage: „Warum ist Chiralität für das Leben erforderlich?“ wird angehoben (Abbildung 1). Wie die Chiralität des Lebens entstand und warum die Evolution des Lebens eine einzige Chiralität bevorzugt, sind zwei große Rätsel bei der Erforschung des Mysteriums der Entstehung des Lebens.

Abbildung 1. Wissenschaft 125 – Grenzwissenschaftliche Fragen: „Warum braucht das Leben Chiralität?“

Was ist Chiralität?

Der Begriff „Chiralität“ kommt vom griechischen Wort „cheir“, was „Hand“ bedeutet; Wie der Name schon sagt, bezieht es sich auf den Unterschied zwischen der linken und der rechten Hand.

Abbildung 2. Die linke und die rechte Hand einer Person sind spiegelsymmetrisch und können sich nicht überlappen, sie weisen also Chiralität auf; Die Flasche ist rotationssymmetrisch und weist keine Chiralität auf.

Eigentlich ist es ganz einfach, diesen Unterschied zu verstehen. Sie müssen lediglich Ihre rechte Handfläche nach unten legen und dann Ihre linke Handfläche auf Ihre rechte Hand legen. Sie werden feststellen, dass sich die beiden scheinbar identischen Hände tatsächlich nicht vollständig überlappen können. Dies bedeutet, dass Ihre linke und rechte Hand „händig“ sind. Wenn Sie genauer hinschauen, werden Sie feststellen, dass Ihre linke und Ihre rechte Hand tatsächlich Spiegelbilder voneinander sind. Ihre rechte Hand kann sich nicht mit dem Spiegelbild ihrer eigenen rechten Hand überlappen, sondern nur mit dem Spiegelbild Ihrer linken Hand. Ebenso kann Ihre linke Hand nur mit dem Spiegelbild Ihrer rechten Hand überlappen. Dies erklärt, warum sich Ihre linke und rechte Hand perfekt überlappen können, wenn Sie Ihre Hände zusammenlegen (Abbildung 2). Durch die Beobachtung der „Hand“ kann man meiner Meinung nach verstehen, dass alles, was sich nicht mit seinem eigenen Bild im Spiegel überschneiden kann, Chiralität aufweist[2].

Chiralität ist im täglichen Leben weit verbreitet. Die Fäden der Schneckenhäuser am Strand; die Gewinde von Schrauben, Schraubglühbirnen und Bohrern; die Wendeltreppen in Sternehotels; und sogar Taifune, die Naturkatastrophen verursachen, sind chiral. Diese Eigenschaft ist nicht nur in der makroskopischen Natur vorhanden, auch mikroskopische Lebensaktivitäten hängen von der Chiralität der Moleküle ab.

Auf der Erde sind wichtige organische Moleküle, aus denen das Leben besteht, oft chiral. Interessanterweise zeigen lebende Organismen eine extreme Präferenz für die Konfiguration dieser Grundeinheiten organischer Moleküle. Beispielsweise sind die genetischen Codes des Lebens, DNA und RNA, beide rechtshändig; Während Proteine, die wichtigen Bestandteile des Lebens, meist linkshändig sind (Glycin ist chiral), wird dies oft als „linkshändig“ bezeichnet (Abbildung 3). Der Zustand, in dem eine chirale Konfiguration bei lebenden Organismen desselben Molekültyps dominant ist, wird üblicherweise als „Homochiralität“ bezeichnet.

Abbildung 3. Chiralität ist eine grundlegende Eigenschaft der Natur. DNA- und RNA-Moleküle sind beide rechtshändig, während Proteinmoleküle überwiegend linkshändig sind.

Zwei Hypothesen erklären das Geheimnis der Chiralität des Lebens

Was den Ursprung der Chiralität biologischer Moleküle betrifft, so glauben einige Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten, dass die wichtigen organischen Moleküle, aus denen das Leben besteht, zuerst im Weltraum entstanden und dann mit Meteoriten auf die Erde gelangten. Im Jahr 1969 wurde in der Nähe von Murchison in Australien ein etwa 100 Kilogramm schwerer Meteorit entdeckt[3]. Nach einer Elementaranalyse stellte sich heraus, dass es mehr als 90 Arten wichtiger Moleküle enthielt, aus denen das Leben besteht, darunter organische Moleküle wie Aminosäuren, Zucker, Alkohole usw.; und unter den nachgewiesenen Aminosäuremolekülen machten linkshändige Aminosäuren den Großteil aus.

Wie entsteht also Chiralität im Raum? Eine Hypothese besagt, dass dies auf den Spineffekt des zirkular polarisierten Lichts (CPL) zurückzuführen sein könnte, das von Sternen im Weltraum ausgestrahlt wird. CPL kann in linkshändige und rechtshändige unterteilt werden [4]. Chirale Moleküle absorbieren links- und rechtshändiges Licht unterschiedlich. Je stärker die Absorptionsfähigkeit, desto schneller erfolgt die chemische Reaktion. Der Inhalt des Meteoriten war im Weltraum lange Zeit einer CPL mit einfacher Chiralität ausgesetzt, was schließlich zu unterschiedlichen Verhältnissen links- und rechtshändiger organischer Moleküle im Meteoriten und zur kontinuierlichen Ansammlung organischer Moleküle einer bestimmten Chiralität im weiten Universum führte. Kosmischer Staub mit einem Überschuss an Enantiomeren[Anmerkung 1] organischer Moleküle aggregierte weiter und bildete Kometen und Meteoriten, die schließlich die Erdatmosphäre durchquerten und mit der Erde kollidierten, als sich die Erde in der Nähe ihrer Umlaufbahn befand. Dabei gelangten die ersten chiralen organischen Moleküle auf die Erde (Abbildung 4).

Abbildung 4. Australischer Murchison-Meteorit und ein Modell des hypothetischen kosmischen Ursprungs der Chiralität.

Eine weitere Hypothese besagt, dass die Chiralität von Biomolekülen auf der chiral-induzierten Spinselektivität (CISS) beruht. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, die kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde [5].

Der Spin eines Elektrons ist eine Quanteneigenschaft, die in einem von zwei möglichen Drehimpulszuständen existiert, die üblicherweise als „Spin-up“ oder „Spin-down“ bezeichnet werden. Chirale Moleküle[Anmerkung 2] „streuen“ Elektronen entsprechend der Richtung ihres Spins. Auf diese Weise sammeln sich Elektronen mit dem gleichen Spinzustand an der Polarität des chiralen Moleküls, und die linkshändige und die rechtshändige Version eines Moleküls haben an ihren jeweiligen Polaritäten entgegengesetzte Spinzustände. Die Umverteilung der Elektronen beeinflusst jedoch die Wechselwirkung chiraler Moleküle mit anderen Molekülen (Elektronen mit entgegengesetztem Spin ziehen sich an und Elektronen mit gleichem Spin stoßen sich ab). Wenn sich also ein chirales Molekül einer magnetischen Oberfläche nähert und das Molekül und die Oberfläche entgegengesetzte Spins haben, werden sie näher zusammengezogen. Wenn sie den gleichen Spin haben, stoßen sie sich gegenseitig ab.

Wissenschaftler glauben, dass der CISS-Effekt auf Magnetit zur Entstehung der molekularen Chiralität führt: Vor 1,8 bis 3,7 Milliarden Jahren bildeten sich auf der Erde in einer sauerstoffarmen Umgebung zahlreiche unterseeische Sedimentablagerungen von Magnetit, und ultraviolette Strahlung auf der Erdoberfläche führte zur Produktion spinpolarisierter Photoelektronen im gleichmäßig magnetisierten Magnetit. Aufgrund des CISS-Effekts fanden enantioselektive chemische Reaktionen bioorganischer Moleküle auf der Oberfläche von Magnetit statt, und verschiedene chirale organische Moleküle wurden herausgefiltert, wodurch der Prozess der Asymmetrie von Biomolekülen wie DNA, RNA und Aminosäuren eingeleitet wurde.

Warum werden bei der Entstehung und Evolution von Lebensmolekülen „linkshändige“ Moleküle bevorzugt?

Nehmen wir für den Moment an, dass eine „äußere Kraft“ den Molekülen die anfängliche Tendenz zur Chiralität verliehen hat. Welche Faktoren führten dann im Laufe der langen Evolution der Erde dazu, dass sich die grundlegende Struktureinheit des Lebens – die Aminosäuremoleküle – immer weiter in Richtung „linkshändig“ entwickelte?

Der Chemiker Matthew Powner vom University College London, der sich mit der Entstehung des Lebens beschäftigt, und seine Kollegen haben Hinweise auf diese Frage geliefert. In den letzten fünf Jahren hat Powners Team eine Gruppe schwefelbasierter Moleküle entdeckt, die möglicherweise auf der frühen Erde existiert haben, und gezeigt, wie sie mühelos einzelne Aminosäuren mit Aminosäurevorläufern, Aminonitrilen, verknüpfen konnten, um Dipeptide zu bilden [Anmerkung 3]. Dipeptide spielen in lebenden Organismen eine wichtige Rolle. Sie sind nicht nur am Aufbau funktioneller Proteinmoleküle beteiligt, sondern fungieren auch als Signalmoleküle zur Regulierung physiologischer Prozesse wie Stoffwechsel, Wachstum und Entwicklung. Noch wichtiger ist, dass Dipeptidmoleküle chiral sind. Wir haben bereits gelernt, dass mit Ausnahme einiger weniger Tiere, Algen und Samenpflanzen, die eine kleine Menge rechtshändiger Aminosäuren enthalten (wie etwa das Vorhandensein von rechtshändigem Alanin und rechtshändigem Glutamat im Peptidoglykan der Zellwände vieler Bakterien), die Aminosäuren, aus denen das Leben auf der Erde besteht, fast alle in der linkshändigen Konformation vorliegen. Da Dipeptidmoleküle durch die Verknüpfung einer einzelnen Aminosäure mit einem Aminosäurevorläufer, Aminonitril, gebildet werden, wobei die Chiralität des Aminonitrils durch chemische Synthesemethoden reguliert werden kann, hilft das Verständnis des Ursprungs der Chiralität von Dipeptiden dabei, die Entscheidungen bei der Evolution von Lebensmolekülen zu verstehen.

Die Dipeptid-bildenden Reaktionen in Powners Team finden in Wasser statt und interagieren mit allen in lebenden Organismen vorkommenden Aminosäuren. Daher bietet die Arbeit einen plausiblen experimentellen Weg, um herauszufinden, wie die ersten Proteine ​​entstanden sind. Allerdings untersuchte Powners Team nicht, ob der von ihnen hergestellte schwefelbasierte Katalysator eine chirale Präferenz aufwies.

Erst im Februar 2024 veröffentlichten Donna Blackmond, Chemikerin am Scripps Research Institute in den USA, und ihre Kollegen einen Forschungsbericht in Nature [6]. Sie verwendeten optimierte Reaktionsbedingungen, um eine katalytische Peptidligationsreaktion zwischen Aminonitrilen und Aminosäuren zu erreichen, wodurch zwei enantiomere Dipeptidprodukte erzeugt wurden; Das Enantiomerenverhältnis des Produkts wird als relative Konzentration heterochiraler und homochiraler Dipeptidprodukte in den Stereozentren der beiden Produkte definiert. Durch Überwachung der Geschwindigkeit der Aminosäurepaarbildung von Dipeptiden unter verschiedenen experimentellen Bedingungen (einzelnes chirales Molekül, verschiedene Kombinationen einzelner chiraler Moleküle und racemischer Reaktanten, verschiedene Katalysatoren) fand Blackmonds Team heraus, dass die katalytische Peptidverbindungsreaktion dazu neigt, heterochirale Dipeptidprodukte zu erzeugen (d. h. L-Monomer verbunden mit D-Monomer) und dass in komplexen Reaktionsgemischen Symmetriebrechung, Chiralitätsverstärkung und Chiralitätstransfer auftreten. Obwohl katalytische Peptidreaktionen dazu neigen, die heterochirale Ligation zu begünstigen, bietet diese Auswahl einen Mechanismus zur Erzeugung homochiraler Dipeptidprodukte und zur chiralen Anreicherung nicht umgesetzter Substrate in Experimenten. Das Team kombinierte außerdem kinetische Computersimulationen, um vorherzusagen, dass die katalytische Peptidligationsreaktion dazu neigt, ein Dipeptidprodukt mit Homo-Linkshändigkeit zu erzeugen, was mit den experimentellen Daten übereinstimmt (Abbildung 5).

Obwohl dieser Mechanismus zur Erzeugung der Chiralität in bioorganischen Molekülen bisher nur bei Dipeptiden nachgewiesen wurde, deuteten vorläufige Arbeiten laut Blackmond darauf hin, dass der gleiche chirale Auswahlprozess auch dann stattfindet, wenn Schwefelkatalysatoren kurze Peptide zu längeren Peptidketten verbinden. Diese Entdeckung eröffnet nicht nur eine neue Perspektive für unser Verständnis der Entstehung des Lebens, sondern liefert auch neue Ideen für die Erforschung möglicher Lebensformen auf anderen Planeten.

Abbildung 5. Laborstrategie zur Herstellung vollständig linkshändiger Dipeptide auf Basis von schwefelhaltigen Molekülen.

Chirale Moleküle bestimmen das Überleben der Menschheit

Stellen Sie sich vor, dass die Menschheit bei der interstellaren Erkundung einen Planeten entdeckt, der „Rechtshänder“ bevorzugt. Die geografischen Bedingungen und das Klima auf diesem außerirdischen Planeten sind genau dieselben wie auf der Erde. Können Menschen auf diesem Planeten überleben? Es ist unnötig zu sagen, dass die Antwort nein ist. Denn die Lebensformen auf der Erde bestehen aus linkshändigen Aminosäuren und können rechtshändige Moleküle nicht gut verstoffwechseln. Wenn alle Lebensmoleküle auf diesem außerirdischen Planeten rechtshändige Moleküle wären, wären sie „Abfall“, der vom Leben auf unserer Erde nicht verwendet werden kann und sogar giftig sein könnte. In den 1960er Jahren enthielt ein chirales Medikament namens Thalidomid ein Paar chiraler Isomere, „Zwillingsschwestern“ (das rechtshändige Isomer hat eine beruhigende Wirkung und das linkshändige Isomer hat eine starke teratogene Wirkung). Infolgedessen brachten schwangere Frauen, die das Medikament einnahmen, 15.000 missgebildete Föten mit kurzen Gliedmaßen wie Robben zur Welt. Dies ist eine große Tragödie in der Geschichte der Arzneimittelforschung und ein wichtiger Wendepunkt in der Geschichte der Arzneimittelherstellung.

Die Chiralität von Aminosäuremolekülen bestimmt, wie wir auf der Erde existieren. Die Forschung der Wissenschaftler über die „linkshändigen“ Eigenschaften von Proteinmolekülen im Prozess der Lebensevolution liefert einen Schlüssel zur Lösung des Rätsels um die Entstehung des Lebens. So wie Leonardo da Vinci, der berühmte „linkshändige“ Künstler der Renaissance, stolz auf seine „Spiegelschriftmethode“ war (er schrieb von rechts nach links und jeder Buchstabe ist seitenverkehrt; der Inhalt der Spiegelschrift muss in einem Spiegel reflektiert werden, um gelesen werden zu können), hat sie uns zu der Erkenntnis inspiriert, dass wir dem Wesen des Problems näher kommen können, wenn wir den Blickwinkel und die Denkweise ändern.

Abbildung 6. Der Slogan für den Internationalen Tag der Linkshändigkeit und Leonardo da Vincis spiegelverkehrtes Manuskript im Codex Atlanticus.

Terminologiehinweise

1. Enantiomere: Stereoisomere, die Spiegelbilder voneinander sind. Sie haben die gleiche Molekülformel, aber unterschiedliche räumliche Anordnungen. Enantiomere sind Moleküle, bei denen eines linkshändig und das andere rechtshändig ist.

2. Chirales Molekül: bezeichnet eine Molekülstruktur mit einem chiralen Zentrum, wobei das chirale Zentrum üblicherweise ein Kohlenstoffatom (chirales Kohlenstoffatom) ist, das mit vier verschiedenen Atomen oder Gruppen verbunden ist.

3. Dipeptid: Ein Dipeptid ist ein Molekül, das aus zwei Aminosäureresten besteht, die durch eine Peptidbindung verbunden sind. Es hat wichtige physiologische Funktionen und kann durch die Regulierung chemischer Synthesemethoden zum Aufbau von Isomeren unterschiedlicher Chiralität verwendet werden.

Verweise

[1] 125 Fragen: Erkundung und Entdeckung | Wissenschaft | AAAS

[2] Chiralität, wikipedia.org

[3] https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/murchison-meteorite

[4] M. Avalos, R. Babiano, P. Cintas, JL Jiménez, JC Palacios, LD Barron, Absolute asymmetrische Synthese unter physikalischen Feldern: Fakten und Fiktionen. Chem. Rev. 1998, 98, 2391–2404.

[5] SF Ozturk, DD Sasselov, Über die Ursprünge der Homochiralität des Lebens: Induktion eines Enantiomerenüberschusses mit spinpolarisierten Elektronen. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft USA 2022, 119:28, e2204765119

[6] M. Deng, JH Yu, DG Blackmond, Symmetriebrechung und chirale Verstärkung in präbiotischen Ligationsreaktionen. Natur. 2024, 626, 1019-1024

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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