早期生物学中分子惯用手是如何出现的

分子通常具有一种称为手性的结构不对称性，这意味着它们可以以类似于人手左右手的替代镜像形式出现。关于地球生命起源的最大谜团之一是，几乎所有的生物学基本分子，例如蛋白质和 DNA 的组成部分，都只以一种手性形式出现。

斯克里普斯研究中心的化学家在两项备受瞩目的研究中提出了解决这一谜团的优雅解决方案，展示了这种单手性或“同手性”如何在生物学中建立起来。

该研究发表在《美国国家科学院院刊》和《自然》杂志上。他们认为，同手性的出现很大程度上是由于一种称为动力学拆分的化学现象，其中一种手性形式由于更快的产生和/或更慢的消耗而变得比另一种更丰富。

“对于同手性如何在特定分子(例如特定氨基酸)中出现有很多建议，但我们确实需要一个更通用的理论，”教授兼约翰·C·马丁教授唐娜·布莱克蒙德博士说。斯克里普斯研究中心化学系领导了这两项研究。

研究生于金瀚和博士后研究员邓敏博士是这两项研究的第一作者。

同手性难题

在上个世纪的大部分时间里，“生命起源”化学一直是一个繁忙的领域。它的实践者发现了数十种关键反应，这些反应似乎发生在早期的“生命起源之前”的地球上，产生了第一个维持生命的DNA、RNA、糖、氨基酸和其他分子。然而，这项工作中缺少一个关于同手性出现的看似合理的生命起源理论。

布莱克蒙德说：“在寻找可能产生第一个生物分子的合理反应时，该领域一直存在忽视手性问题的趋势。” “这令人沮丧，因为如果没有有利于同手性的反应，我们就不会有生命。”

产生手性分子的普通化学反应往往会产生左旋和右旋形式的等量(“外消旋”)混合物。在生物学之外，这种混合通常并不重要，因为两种形式通常具有相似或相同的特性。

然而，在生物学中，由于广泛的同手性，通常情况下，只有手性分子的左手或右手形式具有有用的特性，另一种可能是惰性的，甚至是有毒的。因此，细胞通常使用高度进化的酶引导反应产生特定的手性形式。

然而，生命起源之前的地球不会有这样的酶——那么同手性是如何产生的呢?

矛盾的结果

在《美国国家科学院院刊》上的研究中，布莱克蒙德和她的团队解决了氨基酸的这个问题。这些有机小分子被地球上所有生物用作蛋白质的构建模块，但在生物学中仅以左手手性形式存在。

研究人员特别寻求通过使用相对简单、看似合理的益生元化学(排除复杂的酶)，在氨基酸生产的一个称为转氨作用的核心过程中重现同手性。

在早期测试中，该团队的实验反应有效并产生了一种手性形式相对于另一种手性形式富集的氨基酸。问题是最受青睐的形式是右手形式——生物学不使用这种形式。

布莱克蒙德说：“我们被困了一段时间，但后来灵光一现——我们意识到我们可以反向进行部分反应。”

当他们这样做时，反应不再优先产生右手氨基酸。在动力学分辨率的一个引人注目的例子中，它反而优先消耗和耗尽右手型氨基酸，留下更多所需的左手氨基酸。因此，它作为活细胞中使用的氨基酸的同手性的合理途径。

将它们结合在一起

在《自然》杂志的研究中，化学家探索了一种简单的反应，通过这种反应，最早的生命形式中的氨基酸可能被连接在一起形成第一个短蛋白质(也称为肽)。该反应已由另一位研究人员早些时候发表，但从未研究过其从外消旋或近外消旋氨基酸混合物生产纯手性肽的能力。

化学家们再次遇到了似乎无法克服的障碍：他们发现，在形成氨基酸肽链时，左手氨基酸与右手氨基酸的连接反应速度更快，这与所需的纯手性肽相反。

尽管如此，团队还是坚持了下来。最终，他们发现，当起始氨基酸池中的一种氨基酸具有中等程度的左手形式优势时(正如他们的另一项研究所证明的那样)，左手到右手的反应速度更快——手性连接优先耗尽右手氨基酸，留下浓度更高的左手氨基酸。

此外，左-右-左-右肽更容易聚集在一起并以固体形式从溶液中脱落。因此，这些与动力学分辨率相关的现象最终产生了几乎完全左手肽的令人惊讶的纯溶液。

对布莱克蒙德来说，这些研究中发现的看似矛盾的机制为同手性的出现提供了第一个令人信服的广泛解释——她说，这种解释可能不仅适用于氨基酸，也适用于其他生物学基本分子，如 DNA 和 DNA 分子。核糖核酸。