Er det e aturlov at amiosyrer er vestredrejede? Aja C. Aderse, Axel Bradeburg og Tuomas Multamäki (NORDITA) Stort set samtlige amiosyrer fides i to udgaver (eatiomere) e vestre og e højredrejet (se figur ) der er hiades spejlbilleder. De amiosyrer som idgår i opbygige af levede orgaismer er alle vestredrejede, dette fæome går uder betegelse homochiralitet. Umiddelbart er der ikke oget der idikerer at livet ikke lige så godt kue bestå af højredrejede amiosyrer, derfor rejser spørgsmålet sig om det er et tilfælde, at det ku er halvdele af de tilgægelige amiosyrer, der beyttes af de levede orgaismer vi keder til, eller om der er oget særligt der gør, at ku vestredrejede ka bruges i opbygige af liv. Er det at alle levede væseer beytter samme slags, e idikatio for at det er de eeste mulighed eller betyder det at levede orgaismer på Jorde alle har samme opridelse? Det var de fraske kemiker og mikrobiolog ouis Pasteur, der i midte af 800-tallet opdagede fæomeet chiralitet. Pasteur lavede krystallografiske udersøgelser af e yopdaget visyre (druesyre), der havde samme kemiske opbygig og struktur som almidelig visyre. Imidlertid havde de tyske kemiker Eilhardt Mitscherlich vist, at mes almidelig visyre afbøjede plapolariseret lys, havde druesyre ikke e såda effekt. Pasteur opdagede, at salte, som udkrystalliseredes fra druesyre, bestod af to typer af krystaller, som var spejlbilleder af hiade. Og år disse krystaller blev sorteret, og der blev sedt plapolariseret lys igeem, afbøjede de to krystaltyper lyset i hver si retig. Druesyre bestod altså af e bladig af to forbidelser, der var spejlbilleder af hiade. Det viste sig seere, at almidelig visyre i virkelighede var idetisk med de ee af de to spejlbilledformer af druesyre. På baggrud af Pasteurs opdagelser klassificeres chirale forbidelser efter, hvilke vej de drejer plapolariseret lys. Forbidelser, der drejer lyset vestre om beteges (afledt af lati; laevus (=vestre)) mes forbidelser der drejser lyset til højre får betegelse D (fra lati dexter (=højre)). Forskelle på -amiosyrer og D-amiosyrer er at H- atomet og amiogruppe på kulstofatom r. 2 (se figur ) har byttet plads. Fig. : E 2-amiosyre ka have to stereoisomere former. Amiosyrer der idgår i levede orgaismer er alle -amiosyrer, hvis rumlige struktur ses til højre. R beteger e sidekæde, der varierer gaske meget fra amiosyre til amiosyre og ka for eksempel være H, CH 3 eller CH 2 OH.. Amiogruppe er -NH 2 og carboxylsyregruppe er COOH.
Fakta boks: Amiosyrer: Amiosyrer er orgaiske forbidelser der er karakteriseret ved at ideholde både e amiogruppe og e carboxylsyregruppe. Når amiosyrer bides samme sker det uder daelse af e såkaldt peptidbidig, hvor syregruppe fra de ee amiosyre reagerer med amiogruppe fra de ade amiosyre uder fraspaltig af vad. (http://www.biosite.dk/staabi/aa.htm) D-form: D står for dexter dvs. højre og agiver at molekylet vil dreje polariseret lys højre om. Eatiomere: Spejlbilleder af samme molekylære struktur. Homochiral: Vestrehådede (-form) amiosyrer. Chiral: Et chiralt molekyle ka ikke briges til at dække dets spejlbillede således at alle es grupper dækker hiade. Ordet chiral kommer af cheiros, der på græsk betyder håd. Et stof er chiralt, år det rumligt er forskelligt fra sit spejlbillede. Chiralitet i kemie opstår typisk, år et kulstof atom i et molekyle er budet til fire forskellige grupper. Et sådat kulstofatom kaldes asymmetrisk. -form: står for laevo dvs. vestre - og agiver at molekylere drejer polariseret lys vestre om. Peptider: Korte kæder af amiosyrer. Polymeriseres: Kemisk reaktio mellem umættede midre molekyler, hvorved der daes større molekyleforbidelser. Proteier: ægere kæder af amiosyrer der er viklet om sig selv så de har e 3 dimesioel struktur. Kædere består typisk af fra ca. 50 op til over 000 amiosyrer. Det er sammesætige af amiosyrer i kæde, som bestemmer proteiets form og fuktio. Et eksempel på et protei er hæmoglobi, der trasporterer ilt rudt i kroppe. Racemisk: E bladig der består af - og D-forme. E racematbladig består af e bladig af flere eatiomere former af et chiralt molekyle. Stereoisomere: Isomere molekyler er kedeteget ved at bestå af de samme atomer, at have de samme grupper og æste de samme kemiske egeskaber. Biologisk spiller de e stor rolle idet ezymer, membratrasportsystemer og receptorer har forskellig eve til at bide de forskellige isomere molekylformer, hvorved de har forskellig biologisk effekt. Millers forsøg med amiosyrer I 953 udførte Staley. Miller et forsøg på Uiversity of Chicago, hvor det eksperimetelt lykkedes at påvise, at spota daelse af visse orgaiske forbidelser ka fide sted, uder de forhold og med de reaktater, som evolutioister meer eksisterede på Jorde for ca. 3,5 mia. år side. Miller kostruerede et lukket system (se figur 2), hvor der tilførtes e bladig af luftartere meta, hydroge og ammoiak samt vaddamp og to elektroder tilførte eergi (simulerede ly ). Bladige i systemet fik lov at stå og cirkulere uberørt e uge, hvorefter de blev udersøgt. Udersøgelsere viste, at der var blevet daet orgaiske forbidelser, så som aldehyder, carboxylsyrer og forskellige amiosyrer. Forsøget illustrerer, at det i Jordes daværede atmosfære formetlig har været forholdsvis ekelt at dae orgaiske forbidelser, som ma ka forestille sig er
blevet opkocetreret i oceaere og dermed udgjort e slags ursuppe for livets opridelse. Uder atagelse at livet er opstået på overflade i kotakt med atmosfære. Argumetet er, at de række af amiosyrer der opstod spotat uder Millers forsøg er grudbyggesteee i proteier og proteier betragtes som de vigtigste forudsætig for liv, da disse idgår i celler, ezymer og hormoer. Nye videsbyrd har skabt tvivl om bestaddelee af Millers atmosfære, me has teori om de opridelige suppe, som forklarer, hvorda livets igredieser blev daet i e varm dam eller et varmt hav på plaetes overflade, har stadig mage tilhægere. Nogle forskere har for ylig flyttet suppe til havbude, hvor de forestiller sig, at mudrede mieralskyer, der blev spyet ud af varme kilder, kue have daet molekylere til livets forstadier. Me e voksede gruppe adre forskere ser på e helt ade kilde til livgivede molekyler: rummet. Omkrig 70 amiosyre ud af 59 mulige er blevet fudet i de type af meteoritter der kaldes kulkodritter (se evt. artikle om astrobiologi i Kvat r. 4, december 2004 af David Field), me ku otte af de 20 amiosyre som avedes i levede orgaismer er id til videre blevet idetificeret med sikkerhed i meteorittere. Det er et stort arbejde med sikkerhed at idetificerer amiosyrere fordi det med sikkerhed skal kue godt gøres at der ikke er tale om jordisk forureig. Det er dog lykkedes Pizzarello (2004) at godt gøre at meteoritter ideholder e overvægt på 2-9% af -forme af amiosyre, hvilket idikere at homochiralitet også vil være orme udefor Jorde. Fig. 2: Millers forsøg bestod af et lukket system, hvori ma forsøgte at geskabe de forhold, der metes at have været gældede ved livets spotae opståe på Jorde.
Vigtighede af chiralitet Amiosyrere i Millers forsøg forekom med 50% af D-forme og 50% af -forme. Me for alle proteier gælder - (med ogle yderst sjælde udtagelser), - at de ku ka fugere, år de udelukkede er opbygget af é type af amiosyrer. De to typer af amiosyrer reagerer omtret lige let med hiade som med si ege type. For e give såda reaktio mellem to tilfældige amiosyrer er der altså e sadsylighed på :2 = 0,5 for, at to amiosyrer af samme form fider samme. Da et geemsitligt protei ideholder omtret 40 amiosyrer, alle af samme form, giver dette u e sadsylighed på :2 40 :0 23, svarede til at slå kroe 40 gage i træk med e møt. Det vil sige at hvis ma 0 23 gage getager e proces, hvor 40 vilkårlige amiosyrer - f.eks. fra e stor ursuppe - fider samme, vil der i ét af tilfældee daes e kæde, udelukkede beståede af amiosyrer på -forme. Proteiere består typisk af 00-000 amiosyrer, mes DNA består af mage millioer ukleotider. Både amiosyrer og ukleotider er chirale. I amiosyrer er årsage til chiralitete at fide ved det asymmetriske kulstof. Dette kulstof er budet til fire forskellige grupper: til vestre e ami, til højre e syre, bagved et hydrogeatom og fora e kort kæde af atomer, der giver amiosyrere deres forskellighed (se figur ). I DNAs ukleotider fides chiralitete i sukkerehede 2- deoxyribose, som er på D-forme (se evt. artikle om DNA i Kvat r. 4, dec. 2004 af Olav Steisvoll). Hvorfor livet på Jorde lige består af D-form sukre og -form amiosyrer er formetlig e tilfældighed. Hvis det er e tilfældighed ka ma forestille sig at der på de tidlige Jord har eksisteret liv af begge former, dvs. D- forme og -forme. Hvilket rejser det oplagte spørgsmål: hvor læge vil to sådae livsformer kue sameksistere før de ee får overtaget? Frak (953) var de første der kostrueret e ekel matematisk model der kue bruges til at beskrive hvorda ma ka opbygge polymerer af - og D-forme år polymerere ku består af de ee slags. Det vil sige at e polymer som uder opbygige får koblet e amiosyre på af de ade form vil blive hæmmet i si videre vækst (se figur 3). Polymerisatios modelle (Sadars 2003; Bradeburg et al. 2005) beskriver e mægde af to forskellige slags moomerer ( og D ) og hvorda de ka dae lage kæder beståede af -moomerer ud fra følgede sæt af reaktiosligiger: + D + + D 2kS!!" 2kI!!" D + D +, ks!!" D, + D, ki!!" D D, hvor k s og k I er reaktioskoefficietere for moomer til polymer af de samme og modsatte slags. For alle fire ligiger gælder der at D. Det faktum at kæder ikke
lægere ka vokse år de bliver blokeret af de ade slags moomer betyder at D 2 D og D ikke har oge vækstmuligheder. Fig. 3: Illustratio af polymerisatiosprocesse. Tilstede er et substrat (S) hvorfra moomerer af - og D-type (det ka f.eks. være amiosyrer eller sukre) bliver frigivet. og D moomerere fider samme og daer moomerer. Så læge e moomer består af idetiske former ka de fortsat vokse, mes vækste hæmmes lige så sart é af edere blokeres af e moomer af modsatte type. Når begge eder af polymere er blokeret vil vækste stoppe helt. Således ka polymerer farvet blå eller rosa fortsat vokse mes de lilla polymer er ude videre mulighed for vækst. Reaktio for vestre håds () moomerer (tilsvarede for højrehåds (D)) er! + 2kS ""# d = 2kS! dt hvor er kocetratioe af. Et kostat bidrag (Q ) af ye moomerer fra substratet er ødvedigt og kommer fra de polymerer der ude videre mulighed for vækst, ryger tilbage til substratet. øsige til de sidste ligig er e ståede bølge (se Fig. 4) der bevæger sig mod lægere polymerer med hastighede 2k s.
For Q =0 bliver Fig. 4: Bølgeløsige. De opridelige profil er gaussisk. Tidsforskelle mellem de forskellige kurver er 20/(k s Q) /2. De første og sidste gag er vist som heholdsvis e fuldt optrukke liie og e stiplet liie. ( )! = " " = " = " N S S k Q dt d k dt d 2 2 cost =! = N
Fig. 5: Et stemmegaffeldiagram af løsige for k I /k S =. Bemærk at bladige går fra at være racemisk til homochiral. Grade af homochiralitet måles i værdier af. Hvor ED! E " = E = E + E! ED =! D D E (respektivt E D ) er et mål for det totale atal af vestre (heholdsvis højre) hådede byggeste. Selvom sadsylighede er lille tyder det altså på at det er aturligt at der med tide vil opstå polymerer som er af ete de ee eller ade type og at år først de ee domierer vil de være tilbøjelig til at fremme yderligere polymerer af samme type. Det er derfor sadsyligt at der på de tidlige jord har været e situatio hvor de to former har eksisteret side om side. Hvorda de to former har udfyldt deres råderum og sameksisteret afhæger i høj grad af hvor meget turbules der har været i ursuppe. Bradeburg & Multimaki (2004) har set på to mulige måder som råderummet af to forskellige livsformer kue forløbe. Ude kovektio vil udbredelse ske meget lagsomt (med hastigheder der ligger uder de for klassiske epidemier så som pest) og det vil tage 0 7 s før at homochiralitet ville være udbredt på Jorde, hvilket er sammeligeligt med Uiversets alder. I de lokale områder hvor é form domierer, sker der dog e hurtig (med e tidsskala på timer til dage) udbredelse af hele råderummet, så ma eder med e situatio hvor de to former sidder i hver deres områder med e forholdsvis stabil frot imellem sig (se figur 6 hvor de fire billeder til vestre, illustrerer dee situatio for forskellige valg af parametre). I tilfælde af
turbules ser situatioe helt aderledes ud (figur 6 de fire billeder til højre) her vil situatioe hurtigt bevæge sig mod e homochiral tilstad. Der er selvfølgelig mage ubekedte i forbidelse med at defiere mulig turbules i ursuppe, da ige ved hvorda havstrømmee var degag. Vore dages havstrømme er domieret af tilstedeværelse og beliggehede af kotietere og det er derfor umuligt at sige oget præcist om grade af turbules. Me det ligger dog fast at hvis der har været opbladig i ursuppe er det sadsyligt at - og D-forme ka have sameksisteret i e kortere periode (af størrelsesordee < 00.000 år) ide de homochirale tilstad vi fider i dag opstod. Fig. 6: Figurere viser udbredelse af - (hvid) og D-forme (mørk) uder forskellige atagelser. De fire billeder til højre viser hvorda turbules er med til at bløde frotere op mellem de to former på e såda måde, at de ee form i løbet af ogle hudrede år får overtaget og fortræger de ade form. Ude tilstedeværelse af turbules (de fire billeder til vestre) vil de to former kue sameksistere på tidsskalaer lægere ed Jordes levetid. De 2-dimesioale simuleriger er bereget ved brug af Pecil-Kode (http://www.ordita.dk/data/bradeb/pecil-code/). Homochiralitet e uiversel egeskab? Der er meget der tyder på, at der meget vel ka være liv på Mars i dag. Der er emlig rejst tvivl om hvorvidt NASAs metoder til steriliserig af rumfartøjer er tilstrækkelig effektiv. Uder steriliserige varmebehadles rumfartøjere hvorved kodesvad tørrer id til små perler af brit-syre forbidelser, hvilket efterlader e oget ær ideel kuvøse for mikrobielle livsformer. Når bakterier og vira tørrer ud, krystalliserer de hvorved de ka overleve edog meget barske omgivelser. Selvom sadsylighede for at jordiske livsformer på dee måde skulle have seget sig med som blide passagerer til Mars og at mulighede for at de ville kue overleve på Mars er ærmest forsvidede så vil det for altid efterlade tvivl hvis vi fider levede orgaismer på Mars. Det eeste der vil kue overbevise os, er hvis mulige Mars orgaismer besidder de modsatte chiralitet af jordiske. Hvis chiralitet er e spota proces som er opstået ved e tilfældighed er sadsylighede for at Mars skulle have samme type 50%. MEN hvis chiralitet er et resultat af e form for symmetribrud så
levede orgaismer alle steder i Uiverset altid vil være homochirale, vil vi for altid stå med dilemmaet om hvorvidt vi blot har opdaget os selv. Hvis mulige orgaismer fra Mars er homochirale så ka det skyldes flere tig: () måske er homochiralitet uiversalt og al levede vil altid besidde de egeskab, (2) måske stammer livet på Jorde fra Mars, (3) måske har vi fudet e jordisk forureig på Mars, (4) måske stammer kime til liv fra et adet sted i uiverset og Mars og Jorde er begge blevet sået af mikroorgaismer eller biokemisk materiale fra et adet sted. De sidste mulighed går uder betegelse paspermia og de er forholdsvis populær MEN de flytter blot problemet med livets opridelse til et adet sted i Uiverset ude at bidrage yderligere til e løsig af hvorvidt homochiralitet er e uiversel egeskab eller e tilfældighed. Referecer Bradeburg A., Aderse A.C., Höfer S., Nilsso M., 2005, Homochiral growth through eatiomeric cross-ihibitio, Origi of ife ad Evolutio of the Biosphere (i press). Preprit på: http://arxiv.org/abs/q-bio/040036 Bradeburg A., Multamäki T., 2004, How log ca left ad right haded life forms coexist? Iteratioal Joural of Astrobiology 3, 209-29 Frak, F., 953, O spotaeous asymmetric sythesis, Biochim. Biophys. Acta, 459-464 Pizzarello, S., 2004, Chemical evolutio ad meteorites: A update, Origi of ife ad Evolutio of the Biosphere 34, 25-34 Sadars P.G.H., 2003, A toy model for the geeratio of homochirality durig polymerizatio, Origi of ife ad Evolutio of the Biosphere 33, 575-587