22/9/11

Γιατί τα αμινοξέα των ζωντανών οργανισμών στη Γη είναι αριστερόστροφα;

"...Με την εξέλιξη των μικροσκοπίων στα τέλη του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες ξαφνικά απέκτησαν πρόσβαση στον μικρόκοσμο, φέρνοντας στο φως έναν νέο στίβο δράσης της συμμετρίας στον φυσικό κόσμο. Οι δομικοί λίθοι των κρυστάλλων και των πολύτιμων λίθων, των ιστών και των οστών, των κυττάρων και των ιών, όλα βασίζονται σε μια ποικιλία συμμετριών των οποίων η εκδήλωση είναι δυνατή στον τρισδιάστατο χώρο.
 Ένα από τα σχήματα που οι χημικοί έβρισκαν παντού στον μοριακό κόσμο είναι το τετράεδρο – η πυραμίδα με την τριγωνική βάση την οποία φτιάχνουμε από τέσσερα τελείως συμμετρικά ισόπλευρα τρίγωνα. Το γεγονός ότι ο άνθρακας, το χημικό στοιχείο της ζωής, συνάπτει συχνά δεσμούς με τέσσερα άλλα άτομα σημαίνει ότι τα ανθρακούχα μόρια είναι συχνά τετραεδρικού σχήματος.
Το άτομο του άνθρακα βρίσκεται στο κέντρο του σχήματος, ενώ τα τέσσερα άλλα άτομα καταλαμβάνουν τις κορυφές της πυραμίδας.
Το πιο κοινό παράδειγμα τέτοιων μορίων είναι το μεθάνιο, το οποίο αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και τέσσερα άτομα υδρογόνου διατεταγμένα γύρω από το κεντρικό άτομο άνθρακα. Κάθε άτομο υδρογόνου είναι τοποθετημένο με τρόπο ώστε να βρίσκεται όσο πιο μακριά γίνεται από τα άλλα τρία άτομα υδρογόνου.
Όπως ένας ογκόλιθος κατρακυλά από την κορυφή προς τη βάση ενός λόφου μέχρι να ελαχιστοποιηθεί η ενέργειά του, έτσι και τα τέσσερα άτομα υδρογόνου αναζητούν τις κορυφές του τετραέδρου ως τη διάταξη με την ελάχιστη ενέργεια. Για το μεθάνιο, το τετράεδρο αποτελεί ότι αντιπροσωπεύει η σφαίρα για τη φυσαλίδα. Η συμμετρία προμηθεύει τη φύση με μια διάταξη μέσω της οποίας ελαχιστοποιείται η ενέργεια.
Οι χημικοί οπτικοποιούν τη διάταξη των μορίων φτιάχνοντας πλαστικά μοντέλα από διαφόρων χρωμάτων «μπαλίτσες» και «μπαστουνάκια». Στο μόριο του μεθανίου, τα άτομα του υδρογόνου αναπαρίστανται από τέσσερις μπάλες ίδιου χρώματος τοποθετημένες γύρω από μια μεγαλύτερη μπάλα, το άτομο του άνθρακα. Παρόλο που άλλα μόρια βασισμένα στον άνθρακα μπορεί να εμφανίζουν περισσότερο πολύπλοκη δομή, συχνά μπορούμε να τους δώσουμε χοντρικά ένα τετραεδρικό σχήμα. Οι χημικοί επιμένουν να αναπαριστούν τέτοια μόρια με μοντέλα όπου τέσσερις μπάλες διαφορετικού χρώματος, από τις οποίες η καθεμιά αντιστοιχεί σε μια πολύπλοκη μοριακή δομή, έχουν λάβει τετραεδρική διάταξη γύρω από μια κεντρική βάση άνθρακα.
Τη δεκαετία του 1950, η φαρμακευτική εταιρεία Γκρίνενταλ βρήκε ότι από ένα τέτοιο τετραεδρικό μόριο μπορούσε να παραχθεί φάρμακο το οποίο καταπολεμούσε την πρωινή ναυτία των εγκύων. Το φάρμακο κυκλοφόρησε στο εμπόριο με το όνομα θαλιδομίδη

Ο αστερίσκος δείχνει τη θέση του ασύμμετρου ατόμου άνθρακα


Αποδείχθηκε δημοφιλές προϊόν – μέχρι τη φρικιαστική ανακάλυψη ότι κάποιες μητέρες που το λάμβαναν γέννησαν παιδιά με παραμορφώσεις, όπως κοντά άκρα.
Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες για την θαλιδομίδη και την τραγωδία που προκάλεσε ΕΔΩ ).....

Τελικά αποδείχθηκε ότι το τετραεδρικό μόριο που παρασκεύασε η Γκρίνενταλ, παρόλο που ήταν απολύτως ασφαλές και όντως κατέστειλε την πρωινή ναυτία, είχε κι έναν ιδιαίτερα επικίνδυνο συμμετρικό ξάδερφο.

 Βασικά μπορούμε να διατάξουμε το μόριο της θαλιδομίλης με δυο τρόπους - ο ένας αποτελεί το κατοπτρικό είδωλο του άλλου. Τα δυο μόρια προκύπτουν από την ασυμμετρία της διάταξης των κορυφών στο τετράεδρο.
Και άλλα επίσης ζεύγη, κατά τ’ άλλα πανομοιότυπων μορίων, διέπονται από την ίδια σχέση.
Λέμε ότι ένα μόριο έχει συμμετρία χειρός (εαντιομέρεια) όταν η κατοπτρική του εικόνα δεν ταιριάζει με το μόριο που βλέπουμε στην άλλη πλευρά του καθρέφτη. Για παράδειγμα, τα χέρια μας έχουν συμμετρία χειρός: δεν μπορούμε να βάλουμε ακριβώς το δεξιό μας χέρι πάνω στο αριστερό - μόνο στον καθρέφτη ταιριάζουν απόλυτα.
 Το φάρμακο για τη ναυτία αποκαλύφθηκε ότι ήταν τόσο ασταθές, ώστε ακόμα και όταν η Γκρίνενταλ συνέθεσε τη σωστή διάταξη των μορίων, τα μισά από αυτά εκφυλίστηκαν στην κατοπτρική τους εικόνα, παράγοντας την επικίνδυνη διάταξη. Ανάλογα λοιπόν από το πώς φτιάχνουμε το τετράεδρό μας, στο τέλος μπορεί να παράγουμε τη δηλητηριώδη πυραμίδα αντί για το θεραπευτικό τετράεδρο.
Ο οργανισμός μας είναι καλά συντονισμένος στο να διακρίνει ανάμεσα στις κατοπτρικές εκδοχές των μικροσκοπικών αυτών πυραμίδων. Η οσμή της μιας διάταξης μπορεί να διαφέρει ολοκληρωτικά από την αντίστοιχη της κατοπτρικής εικόνας της. Για παράδειγμα, μια εκδοχή της χημικής ένωσης που λέγεται καρβόνη έχει μυρωδιά κάρου (caraway), ενώ ο κατοπτρικός της ξάδερφος μυρίζει μέντα – με τη χαρακτηριστική γεύση της οποίας είναι ποτισμένη η τσίχλα Wrigley. Είναι αρκετά συναρπαστικό το ότι οι αισθήσεις μας μπορούν να μυρίσουν και να γευτούν τη συμμετρία. Στο Through the looking glass (Μεσ’ από τον καθρέπτη), που κυκλοφόρησε το 1899, η Αλίκη υποθέτει ότι το γάλα μέσα από τον καθρέφτη μπορεί να μην έχει τόσο καλή γεύση για τη γατούλα, όσο το συνηθισμένο γάλα. Ο Λούις Κάρολ ήταν πολύ μπροστά από την εποχή του.
Η αιτία που τα σώματά μας αντιδρούν διαφορετικά στους συμμετρικούς ξαδέρφους ίδιων μορίων είναι ότι τα αμινοξέα των πρωτεϊνών στον οργανισμό μας φαίνεται ότι αποτελούν πυραμίδες διατεταγμένες κατά μια συγκεκριμένη συμμετρία χειρός – ποτέ δεν βρίσκουμε την κατοπτρική εικόνα τους. Οι επιστήμονες ονομάζουν τις πυραμίδες αυτές αριστερόστροφες. Η δεξιόστροφη εκδοχή ενός φαρμάκου μπορεί να αντιδρά θεραπευτικά με τις πρωτεΐνες στον οργανισμό μας, ενώ ο κατοπτρικός του ξάδερφος μπορεί να αποτελεί καταστρεπτικό συνδυασμό με την ίδια πρωτεΐνη, μια πιο δραματική εκδοχή της διαπίστωσης ότι αισθανόμαστε κάπως άβολα όταν σε μια χειραψία σφίγγουμε το δεξιό, αντί για το αριστερό, χέρι.
Φαίνεται ότι οι έμβιοι οργανισμοί φτιάχνονται από αριστερόστροφες πυραμίδες. Τι γιατί συμβαίνει αυτό, παραμένει μυστήριο. Πρόκειται άραγε για καθολική προτίμηση προς τις αριστερόστροφες πυραμίδες που ισχύει για κάθε μορφή οργανικής ύλης σε όλο το Σύμπαν; Ή μήπως στη γωνιά του Γαλαξία μας τυχαίνει να ευνοείται η συγκεκριμένη εκδοχή του τετραέδρου; Οι επιστήμονες κάνουν λόγο για ένα «αριστερόστροφο» Σύμπαν, κανείς δεν γνωρίζει όμως πραγματικά ποιος άνεμος υποχρεώνει τα αμινοξέα μας να στρέφονται κατά τη φορά αυτή...."
Όλα τα παραπάνω αναφέρονται στο βιβλίο του Marcus dy Sautoy, «Θεωρία ομάδων, ο μαθηματικός, η συμμετρία, και το Τέρας», εκδόσεις Τραυλός.

Κι όμως υπάρχουν απαντήσεις στο ερώτημα "Γιατί τα αμινοξέα των ζωντανών οργανισμών στη Γη είναι αριστερόστροφα;"
Για παράδειγμα στο άρθρο "Supernovae, Neutrinos, and the Chirality of the Amino Acids", των R.N. Boyd, T. Kajino, T. Onaka, γίνεται μια προσπάθεια ερμηνείας της επικράτησης των αριστερόστροφων μορφών.

Η ερμηνεία της αριστερόστροφης κυριαρχίας των αμινοξέων προϋποθέτει ότι:
1.  Το σπιν του 14N των αμινοξέων (ή των μορίων από τα οποία προέκυψαν αυτά) σχετίζεται με την εναντιομέρεια των μορίων
2.  Τα νετρίνα που εκπέμπονται από τα σουπερνόβα, μαζί με το μαγνητικό πεδίο του εκκολαπτόμενου αστέρα νετρονίων ή της μαύρης τρύπας καταστρέφουν τον προσανατολισμό του 14N επιλέγοντας έτσι την χειρομορφή (chirality) με τον συγκεκριμένο προσανατολισμό του 14N.
3.  Στη συνέχεια σχηματίζονται απλά μόρια αλλά και πιο περίπλοκα μόρια από μια απλή χειρομορφή σε μια σχετικά μικρή χρονική κλίμακα και
4.  Σε μια μεγαλύτερη χρονική κλίμακα πραγματοποιείται η γαλαξιακή ανάμειξη των συγκεκριμένων μορίων σε όλον τον γαλαξία.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...