Problemi i Kiralitetit

Kur kimia ishte në fillimet e saj, besohej se substancat që ndërtonin qeniet e gjalla ishin të një lloji krejtësisht të ndryshëm nga ato që gjenden në male, ajër, dete dhe liqene. Por do të rezultonte se ata kishin gabuar. Kur Friedrich Wöhler arriti të prodhonte[1] ure në fillim të viteve 1920, ai tregoi se nuk kishte asnjë kufi absolut midis dy kategorive të substancave. Kjo nuk e pengon që kimia organike – kimia e komponimeve të karbonit – të studiohet ende si një zonë e veçantë e kimisë. Për më tepër, koncepti është i dobishëm kur studiohet ekologjia bazë, pasi zakonisht flitet për organizma autotrofikë dhe heterotrofikë , përkatësisht. Kategoria e parë ka aftësinë të krijojë ushqimin e vet duke shfrytëzuar rrezet e diellit dhe substancat inorganike (p.sh. bimët e gjelbra dhe bakteret e caktuara), ndërsa këto të fundit, duke përfshirë edhe ne, kemi nevojë për ushqim ushqyes në formën e substancave organike që të mund të rriten dhe të jetojnë.

Mëngjarash apo i djathtë?

Edhe pse në fakt nuk ka asnjë ndryshim thelbësor midis materies së pajetë dhe asaj të gjallë, ekziston një veti e veçantë që është në të vërtetë unike për substancat që gjenden në qeniet e gjalla: ato janë pothuajse gjithmonë qartësisht asimetrike , ose, siç quhet ndryshe – homokirale . Emri vjen nga greqishtja homo , që do të thotë “i barabartë” dhe kheir , që do të thotë “dorë”. Nëse do t’u kërkonit nxënësve të një klase shkolle të bënin modele molekulare të një aminoacidi, rreth gjysma e nxënësve do t’i bashkonin atomet në një mënyrë dhe gjysma tjetër në një tjetër. Të dyja janë të sakta. Dallimi është se të dy janë imazhe pasqyruese të njëri-tjetrit. Fenomeni quhet izomerizëm i pasqyrës dhe studiohet brenda një zone të veçantë të kimisë organike të quajtur stereokimi. Ka aplikime të rëndësishme, ndër të tjera, në industrinë farmaceutike[2]. Situata lind për shkak se atomi i karbonit (i shënuar C në figurë) lidhet me katër grupe të ndryshme atomike.[3] Dy format pasqyruese të aminoacideve – ose çfarëdo lloj molekule që është – zakonisht quhen respektivisht format L- dhe D.[4].

Në fakt, ishte shkencëtari i famshëm francez Louis Pasteur (shih artikullin Origjina e jetës në një këndvështrim historik ) që ishte pionieri në këtë fushë. Ai madje e formuloi atë si një ligj të natyrës që qeniet e gjalla, ndryshe nga bota minerale, përbëhen nga molekula asimetrike. Kjo doli të mos ishte e vërtetë. Kristalet individuale (shpesh mikroskopike) që përbëjnë minerale të ndryshme, si kuarci (SiO2), janë ose të tipit L ose të tipit D, por shpërndarja ndërmjet tyre është 50:50.

Proteinat janë grupi i substancave që u japin të gjitha gjallesave formën dhe funksionin e tyre. Formohet përmes të ashtuquajturave proteina strukturore, funksioni zakonisht përmes enzimave që ndikojnë dhe rregullojnë reaksionet kimike të qelizës – metabolizmin e saj. Nga pikëpamja kimike, proteinat janë zinxhirë aminoacidesh. Numri i aminoacideve (formalisht “mbetjet e aminoacideve”) varion nga disa dhjetëra në dhjetë mijë. Por gjithmonë vetëm forma L e aminoacideve individuale. Kjo është e jashtëzakonshme, pasi prodhimi i aminoacideve rezulton gjithmonë në përzierje me 50% të secilit lloj. Madje është rasti që nëse treteni pastër[5] Nëse shtoni formën L- ose D të një aminoacidi në pak ujë në një epruvetë, pas një kohe do të ketë një sasi të barabartë të të dyja formave në epruvetë – kimistët atëherë e quajnë atë një përzierje racemike ose një racemate . Se pavarësisht kësaj, ekziston vetëm një lloj në të gjitha[6] proteinat janë për shkak të pranisë së enzimave të veçanta në qeliza që sigurojnë që vetëm njëra prej tyre të mblidhet. Me fjalë të tjera, molekulat e proteinave homokirale sigurojnë që vetëm molekulat e proteinave homokirale të formohen në qeniet e gjalla. Nuk është ndryshe nga enigma klasike e së cilës erdhi e para – pula apo veza…

E njëjta gjë vlen edhe për sheqernat që janë pjesë e acideve nukleike ADN dhe ARN, të cilat merren me ruajtjen dhe transferimin e informacionit në qelizë, por me ndryshimin se vetëm forma D e molekulave të sheqerit është e pranishme. Në praktikë, problemi është edhe më i madh me këto molekula sheqeri. Ekzistojnë tetë molekula të ndryshme, por të ngjashme të sheqerit si riboza, por vetëm njëra prej tyre gjendet në ARN. Si mund të ishte kështu, dikush mund të pyesë veten. Sido që të jetë rasti, shkencëtarët pajtohen se duhet të ketë ndodhur në lidhje me shfaqjen e qelizës së parë të gjallë, pasi është një karakteristikë e zakonshme e të gjitha formave të jetës në Tokë.

Homokiraliteti është aq i rëndësishëm sa një aminoacid i vetëm i variantit të gabuar mjafton që një molekulë proteine ​​të humbasë plotësisht formën e saj 3D dhe kështu funksionin e saj. Dhe e njëjta gjë vlen edhe për molekulën e ADN-së – një molekulë e dobët e sheqerit L midis qindra mijëra molekulave D në spiralen e ADN-së dhe molekula do të merrte një kthesë të çuditshme dhe do të ndalonte së funksionuari si një bartës informacioni.

Të formosh në mënyrë të rastësishme një zinxhir prej 300 molekulash të vetëm një varianti (që korrespondon me gjatësinë e një proteine ​​mesatare dhe një acidi nukleik të shkurtër) nga një përzierje e sasive të barabarta të molekulave L dhe D do të ishte si të kthesh një monedhë dhe të bësh të njëjtën anë të monedhës që të dalë 300 herë me radhë. Përpiquni të keni sukses 10 herë dhe do të kuptoni problemin me teorinë se si proteinat, ADN dhe ARN lindën spontanisht! Nëse dikush do të përdorte statistikat matematikore për ta llogaritur këtë, së shpejti do të kuptonte se vetëm rastësia nuk mund të jetë shkaku. Probabiliteti i nxjerrjes së rastësishme të një sekuence prej 300 L- (ose D-) aminoacide nga një oqean i një përzierje racemike të aminoacideve mund të krahasohet me zgjedhjen e rastësishme të 300 shkronjave të mëdha në një rresht nga një oqean me shkronja të mëdha dhe të vogla (të mëdha dhe të vogla). Probabiliteti për këtë është 50% (½) çdo herë, dhe në total (½) ³⁰⁰ . Nëse e kryeni atë llogaritje në një kalkulator, rezultati është një shans prej 2 x 10 ⁹⁰ . Numri shkruhet si dy i ndjekur nga 90 zero dhe është 20 miliardë herë më shumë se sa thuhet se ka grimca elementare në univers.

Nga kjo, mund të nxirret përfundimi i thjeshtë se duhet të ketë arsye të tjera përveç rastësisë për asimetrinë e jetës.[7] Gjatë viteve, studiuesit kanë propozuar një sërë hipotezash të ndryshme rreth asaj se si mund të ketë ndodhur kjo. Një prej tyre është se një formë e veçantë e dritës ultravjollcë të polarizuar mund të ketë shkaktuar formimin e më shumë njërës ose tjetrës formë pasqyre. Problemi është se kjo lloj drite deri më tani është prodhuar vetëm teknikisht dhe është përdorur në laborator. Sugjerime të tjera kanë qenë mineralet e argjilës me disa aftësi për të favorizuar një formë pasqyre. Janë sugjeruar gjithashtu fusha të forta magnetike dhe një lloj i caktuar zbërthimi radioaktiv. Megjithatë, asnjë nga këto alternativa nuk është treguar të çojë në asimetri kaq të fortë sa do të ishte statistikisht e arsyeshme të pritej zinxhirë më të gjatë të vetëm një lloji. Mos harroni se duhet vetëm një bllok ndërtimi i gabuar diku në zinxhirë për të shkatërruar gjithçka. Të paktën në botën e sotme – por është e vështirë të thuhet për ndonjë botë tjetër përveç kësaj. Prandaj homokiraliteti i zinxhirëve molekularë të jetës mbetet një nga sfidat më të mëdha të kimisë primordiale.

Por imagjinoni se jeni edhe një herë duke qëndruar përballë atij oqeani me shkronja të mëdha dhe të vogla. Imagjinoni që këtë herë të hiqni sytë dhe të përdorni shqisat tuaja për të zgjedhur në mënyrë aktive 300 shkronja që janë të gjitha me shkronja të mëdha. Dhe ndoshta gjithashtu krijoni një histori të vogël prej tyre. Nuk do të duheshin shumë minuta. Imagjinoni fuqinë e pamasë shpjeguese që ka fenomeni i inteligjencës dhe qëllimshmërisë në lidhje me rastësinë. Dizajni inteligjent, një akt hyjnor krijimi, nuk është vetëm një shpjegim shumë i rëndësishëm – por në praktikë i vetmi realist – shpjegim për homokiralitetin e molekulave të jetës dhe informacionit gjenetik që ajo mbart.

[1] Urea ka disa sinonime. Njëra është ure, tjetra është karbamide. Në emërtimin e fundit përdoret ndër të tjera në pomada zbutëse. Formohet në veshkat e gjitarëve dhe qeniet e gjalla e përdorin atë për të hequr qafe substancën toksike amoniak që formohet gjatë zbërthimit të proteinave.

[2] Është shumë e vështirë të prodhosh vetëm një imazh pasqyre të një substance në një laborator. Dëshmi për këtë është se ai fitoi çmimin Nobel në Kimi në vitin 2001. Dy imazhe në pasqyrë të një substance, siç është një ilaç, mund të kenë efekte krejtësisht të ndryshme në trup. Ka shembuj tragjikë të kësaj, si talidomidi (“neurosedina”). Lexoni në lidhje me të në internet nëse dëshironi.

[3] Një prej aminoacideve natyrore – glicinës – i mungon një formë pasqyre. Kjo është për shkak se ai ka një atom hidrogjeni në vendin ku ka një R në figurë, dhe më pas atomi i karbonit ka vetëm tre grupe të ndryshme atomike të lidhura me të. Në 19 aminoacidet e tjera, ekziston një zinxhir më i madh ose më i vogël i atomeve të karbonit në pozicionin R.

[4] Në vend të emërtimeve L/D, nganjëherë përdoren majtas/djathtas ose S/R, por ato janë e njëjta gjë (përveç që aminoacidi cisteinë në qeniet e gjalla në sistemin e ri përkufizohet si R në vend të S).

[5] Ekziston një teknikë për prodhimin e formave të pastra të dy formave të imazhit të pasqyrës, por atëherë duhet të përdoren substanca homokirale të formuara biologjikisht si “shabllon”.

[6] Ka përjashtime të rastësishme, të tilla si në muret qelizore të baktereve të caktuara. Një interpretim i mundshëm i kësaj është se është një “strategji mbrojtëse” për bakteret, pasi enzimat janë përshtatur vetëm për të prerë zinxhirë me të njëjtën formë imazhi pasqyre.

[7] Disa studiues besojnë se mund të ketë pasur një situatë ku 90% e njërit variant dhe 10% e tjetrit ka ndodhur të jenë të pranishëm. Atëherë shansi do të ishte shumë më i madh. Por nëse bëni llogaritjen, mundësia është ende vetëm një në 5 x 10 13, pra një në 50 mijë miliardë (0.9 300 ). Sigurisht, është një shans shumë më i madh, por bëhet fjalë për një molekulë të vetme dhe të vetmuar. Dhe një qenie e gjallë nuk përbëhet nga një molekulë e vetme, por nga miliarda e miliarda.

Dikush mund të shtojë gjithashtu se edhe nëse rastësia do të kishte arritur vërtet të prodhonte një zinxhir prej vetëm një imazhi pasqyrë të aminoacideve, ai do të përmbajë po aq informacion kuptimplotë sa një sekuencë e rastësishme shkronjash të mëdha, pra asnjë. Krijimi i informacionit kuptimplotë mbi një zinxhir molekular me 300 mbetje aminoacide do të ishte sfida tjetër e madhe. Do të ishte edhe më pak e mundshme se formimi i zinxhirëve proteinikë, pasi nuk ka dy alternativa të aminoacideve, por 20 (29 nëse do të kishte qenë për shkronjat e mëdha.