Természet Világa, 1999 (130. évfolyam, 1-12. szám)
1999-01-01 / 1. szám
SZERVES KÉMIA 2 . Az élő szervezeteket felépítő, többségükben igen összetett, nagy tömegű molekulák viszonylag egyszerű szerkezetű, kisebb egységekből épülnek fel. Ezek az alapvető „építőkövek” az egész élővilágban azonosak, a mikroorganizmusoktól kezdve a növény- és állatvilágon át az emberig. Ilyenek pl. a fehérjéket felépítő aminosavak, a szénhidrátokat felépítő és a nukleinsavakban, valamint különböző membránokban is fontos szerepet játszó cukrok, a lipidekben (zsírokban) és membránokban kötött zsírsavak, a nukleinsavak nitrogénbázisai stb. Az élet lenyűgöző formagazdagságát - és evvel összefüggő bámulatos alkalmazkodóképességét - ezen egyszerű, kisebb molekulák gyakorlatilag végtelen számú kombinációs lehetősége teremti meg. Ez utóbbi szemléltetésére álljon itt csak egy példa. Az élet fenntartásához szükséges kémiai folyamatokat katalizáló fehérjék, az enzimek sok - általában néhány száz -, egymáshoz láncszerűen kapcsolódó aminosavból épülnek fel. Minden élőlényben ugyanaz a 20 alapvető aminosav alkotja a fehérjéket. Húsz különböző aminosavból egy száztagú (tehát viszonylag egyszerű) fehérjét a kombinatorika szabályai szerint 20100 számú változatban lehet megalkotni. Ez a szám tízes hatványban kifejezve kb. 10130-nak felel meg. Ennek a számnak a nagyságát talán legjobban azzal érzékeltethetjük, hogy a Föld egészét felépítő atomok száma „mindössze” kb. 105 , és még az eddig megismert világegyetem összes atomi részecskéinek száma is bizonyára messze elmarad a 10130-as értéktől. Hasonló, sőt még több variációs lehetőséget kínálnak a cukrok, amelyek - az aminosavakkal ellentétben - nemcsak egy-, hanem többféleképpen is kapcsolódhatnak egymáshoz. Az élet több milliárd éves földi fejlődése során - kémiai nézőpontból tekintve - lényegében ezeket a kombinációs lehetőségeket aknázta ki ahhoz, hogy létrehozza egyre bonyolultabb megjelenési formáit. Ennek a folyamatnak, a biológiai evolúciónak a mechanizmusát, ami a természetes kiválasztódás alapján szerveződött, ha nem is minden részletében, de a lényegét tekintve ma már értjük. Sokkal nehezebb viszont jelenlegi tudásunk birtokában természettudományosan megalapozott választ adni arra a kérdésre, hogy miként indult el ez a folyamat, hogyan alakultak ki az „élettelen” anyagból, vegyületekből az első, élőnek nevezhető képződmények. Hogyan keletkezett az élet? Lehet, hogy ezt a kérdést egzakt módon, részleteiben sohasem tudjuk megválaszolni, mivel ezt a folyamatot kísérletileg - „egyszerű” gyakorlati okok miatt - nem reprodukálhatjuk. Az élet kialakulása ugyanis igen nagy időtartamú, akár sok millió éves folyamat is lehetett, ennek laboratóriumi utánzása aligha megoldható. Tekintettel azonban a probléma szépségére, ez a körülmény nem akadályozhatta meg a kutatókat abban, hogy ennek a kérdéskörnek egyes részleteivel részben kísérletileg, részben elméletileg ne foglalkozzanak. Cikkemben az egyik ilyen részletkérdéssel, a biomolekulák homokiralitásának eredetével foglalkozom. Ehhez természetesen mindenekelőtt e két (az alcímben is szereplő) kifejezés értelmezését kell megadnom. Biomolekulák alatt azokat a szerves (tehát szénalapú) vegyületeket értjük, amelyek az élő szervezetek felépítésében vesznek részt (aminosavak, cukrok stb.). Ez a kifejezés bizonyos fokig még közismertnek is tekinthető. Egyáltalán nem közismert viszont a „homokiralitás” kifejezés, amely nem olyan bonyolult fogalom, mint azt a neve talán sugallja. Megértéséhez ismerkedjünk meg néhány kémiai alapfogalommal. Mit értünk homokiralitáson? A királis, kiralitás szavak a görög cel szóból származnak, ami kezet jelent. Királisnak nevezzük azokat a testeket, térbeli szerkezeteket, amelyek saját tükörképükkel nem hozhatók fedésbe. Ilyen pl. a jobb és a bal kezünk, amelyek - és ez könnyen belátható - bár tükörképei egymásnak, de nem egyformák. Mindennapos tapasztalat, hogy a balkezes kesztyűnk nem illik a jobb kezünkre. A hétköznapi életben számos királis tárggyal találkozhatunk, ezek közül most csak még egyre kell felfigyelnünk, a csavarvonalra. A jobb- és balmenetes csavarok egymásnak tükörképei, és nagyon jól tudjuk, hogy a balmenetes anyát a jobbmenetes csavarra nem lehet ráhajtani. A kiralitás a molekulák világában is ismert jelenség, így pl. a már többször idézett, igen fontos biomolekulák, az aminosavak és a cukrok is királis szerkezetűek. Ez azt jelenti, hogy ezeknek a molekuláknak az őket felépítő atomok térbeli elrendezése következményeként két, egymással fedésbe nem hozható tükörképi viszonyban álló formája létezik. Ez a tény különösen jól szemléltethető az aminosavak egyszerűsített térszerkezeti képletével (1. ábra). Látható, hogy az ábra szerinti központi szénatomhoz, a tetraéder négy csúcsának megfelelő helyzetben, négy különböző atom, vagy atomcsoport kapcsolódik. Az ilyen tetraédereknek, amelyeknek mind a négy csúcsa különböző, két, egymással fedésbe nem hozható térbeli tükörképi alakjuk van, vagyis királis testek. Erről magunk is meggyőződhetünk, ha kartonpapíron megszerkesztünk, majd kivágunk és összeragasztunk tetraédereket és ezek négynégy csúcsát négyféle színnel megkülönböztetjük. Az ilyen, tetraéderes elrendezésben négy különböző atomhoz vagy atomcsoporthoz kapcsolódó MARKÓ LÁSZLÓ Miért „balkezesek” a fehérjéket felépítő aminosavak? A biomolekulák homokiralitásának eredete Első rész Természet Világa 1999. január