ScienceBits

A Soai-reakció és a biológiai kiralitás eredete:
Isten valóban nem kockázik?

TERMÉSZET VILÁGA

A biológiában fontos szerepet játszó vegyületek aszimmetriája a molekuláris kiralitás felfedezése óta tudósok ezreit foglalkoztatta és foglalkoztatja. Ennek kitűnő példája, hogy 2005-ben a Science folyóirat 125. születésnapját ünneplő számában a biológiai kiralitás eredetének kérdése a szerkesztők által összegyűjtött azon 125 lényeges tudományos probléma között volt, amely manapság a kísérleti és elméleti tudományos kutatások hajtóerejét jelenti.

Noha a kiralitás fogalma nem számít közismertnek, maga a jelenség a hétköznapokban is könnyen felismerhető. Egy tárgy akkor királis, ha nem azonos a tükörképével. Ilyen tárgyra a példa szó szerint mindig kéznél van, hiszen az ember jobb keze éppen tükörképe a balnak, a kettő mégsem azonos (1. ábra). Ha valakinek kétsége lenne az utóbbi állítás igazsága felől, próbáljon a jobb kezére balkezes kesztyűt húzni. Még a kiralitás szó eredete is a kézre vezethető vissza: az ógörög nyelvben χειρ (kheir) kezet jelentett, a manapság beszélt, az ókoritól egyébként jelentősen különböző újgörögben pedig χερι (kheri). A tudománytörténet szerint a később Lord Kelvin néven világhírnevet szerző William Thomson (1824-1907) brit fizikus és mérnök volt az első, aki 1873-ban definiálta, majd tudatosan használta a kiralitás fogalmát.

A hétköznapi tárgyak esetében nem mindig könnyű eldönteni, hogy melyik tárgy királis, és melyik nem. Jó általános útmutató, hogy ha a tárgynak van tükörsíkja, akkor nem lehet királis. Egy csavarhúzó, kés, szokásos villa vagy golflabda nem királis, mert szimmetriasíkja van. Egy csavar, egy olló, egy jól elkészített süteményes villa vagy egy golfütő viszont királis. (2. ábra: Királis tárgyak a hétköznapokban. Vajon melyik az eredeti és melyik a számítógépesen előállított tükörkép?) A csavarmenetek esetében közmegegyezéssel a két lehetséges változat közül az egyiket egyszer kiválasztották, s azóta mindig azt használják, így a barkácsboltban soha nem kérdezik meg, hogy jobb-, vagy balmenetes csavarra van-e szükségünk. A kifinomultabb süteményes villákat balkezeseknek is jobb kézzel kell használniuk, ha a vastag águkkal akarják elvágni a süteményt. Végül golfütőkből, és manapság már az ollókból is külön gyártanak jobb- és balkezes változatokat, akár csak kesztyűkből, így mindenki a neki megfelelőt vásárolhatja meg.

A molekulák is térbeli testek, így közöttük is vannak királisak. Érdekes módon a molekuláris kiralitás jelenségét Louis Pasteur (1822-1895) francia kémikus és mikrobiológus már 1848-ban, tehát jóval a kiralitás fogalmának megalkotása előtt felismerte. Pasteur a bor egyik jelentős komponensének, a borkősavnak a tulajdonságait vizsgálta. Azt tapasztalta, hogy a sav kristályai aszimmetrikusak, s ebből helyesen vonta le a következtetést, miszerint maguk a molekulák is aszimmetrikusak. A kémia igen speciális problémája az ilyen aszimmetrikus molekulapárok (vagyis enantiomerek) elkülönítése. A nehézséget az adja, hogy a két változat tulajdonságai bármilyen, nem királis külső hatással szemben azonosak. A laboratóriumi módszerekkel nagyon gyakran csak két enantiomer 1:1 arányú keverékét lehet előállítani, ezt szakszóval racém elegynek nevezik. Egy racém elegyben lévő két enantiomer mesterséges elválasztása a rezolválás. Pasteurnak híres kísérletében lényegében a borkősav két enantiomerjét sikerült kristályosítással rezolválnia.

Az élő szervezetben fontos molekulák közül a sok különböző szerepet betöltő cukrok (tudományosabb néven szénhidrátok) és a fehérjék alkotóelemeinek számító aminosavak is királisak. Történeti okokból a tükörképi molekulapárok egyikét rendszeresen a latin dextro (jobb) szó miatt D, a másikat a latin bal (levo) szó miatt L betűvel jelölik. A jelenleg ismert földi körülmények között a D-szénhidrátok és L-aminosavak jóval nagyobb mennyiségben fordulnak elő, mint a tükörképi párok, ezt nevezik néha a természet homokiralitásának, vagy biológiai kiralitásnak. Az utóbbi kifejezés használata talán egy kicsit indokoltabb, mert kivételes esetekben az élő szervezetekben is szerephez jutnak a szokásossal ellenkező kiralitású enantiomerek; néhány D-aminosavnak például szerepe van egyes baktériumok életfolyamataiban.

A Földön ismert életfolyamatokban a királis anyagok enantiomerjei nem cserélhetők fel. Ezt egyszerű gondolatmenet alapján be lehet látni: A biológiában fontos nagy méretű molekulák (biopolimerek) királis ismétlődő egységek százait vagy ezreit tartalmazzák. Ha csak 200 ilyen ismétlődő egységet képzelünk is el, egy racém építőegységekből álló biopolimer potenciálisan 2²⁰⁰ (≈ 1,6∙10⁶⁰) különböző molekulát tartalmazna 2¹⁹⁹ (≈ 8∙10⁵⁹) enantiomerpár formájában. Mivel a molekulák alakja függ az egyes építőegységek relatív kiralitásától, ezért a Földön elképzelhető körülmények között egy ilyen hipotetikus „racém” biopolimerben nagyon valószínűtlen lenne két azonos alakú molekula előfordulása. Ez a gondolatmenet azt is mutatja, hogy a biológiai kiralitás az élet kialakulásának szükségszerű előfeltétele volt.

Az is nyilvánvaló ebből, hogy élő szervezetekben egy királis molekula és tükörképi párja nagyon különböző hatást fejthet ki. Erre kitűnő példa a nevezetes allergiaellenes gyógyszer, a cetirizin esete (3. ábra). Ezt eredetileg Zyrtec néven hozták Magyarországon forgalomba, majd mióta minden gyógyszergyártó cég számára szabadon gyárthatóvá vált, sok különböző néven, de valójában csak két lényegileg különböző formában kapható. A cetirizin királis molekula, eredetileg racém formában forgalmazták, egy tablettában 10 mg hatóanyag volt. Később az egyik enantiomert, a levocetirzint is forgalomba hozták, de ebből a napi dózis már csak 5 mg, és persze egy kicsivel drágább is. Ez pontosan ugyanazt a hatást fejti ki, mint 10 mg racém cetirizin. A levocetirizin tükörképi párját, a dextrocetirizint is elő lehet állítani, de árulni még senkinek nem jutott eszébe, mert semmilyen hatása nincsen.

A tudomány álláspontja szerint a világegyetem történetében volt egy kezdeti pont, amikor még molekuláris királitás nem létezhetett, ugyanis molekulák sem léteztek. Így a jelenleg megfigyelt királis aszimmetriának valamikor keletkeznie kellett. Az életnek csak királis építőelemeken alapuló formáit ismerjük, ezért a kezdeti aszimmetria minden bizonnyal az életfolyamatok részvétele nélkül, a biológiát megelőző (prebiotikus) evolúció részeként alakult ki. A későbbiekben aztán biológiai folyamatok bizonyára hozzájárultak az aszimmetrikus állapot fenntartásához és erősítéséhez. A kezdeti kémiai reakciók természetére rengeteg különböző elméleti gondolatmenetet dolgoztak ki, ezek közül 1999-ben Markó László a Természet Világa hasábjain is ismertetett néhányat. Az elméletek kísérleti tesztelésére azonban nem volt lehetőség.

A biológiai kiralitás eredetének tudományos értelmezése során két, időnként összemosott, de valójában nagyon is különböző kérdéssel kell foglalkozni. Az első probléma az, hogyan juthatott szimmetrikus fizikai törvények mellett egyazon molekula két enantiomerjének egyike nagy feleslegbe. A másik kérdés viszont, hogy miért éppen a D-szénhidrátok és az L-aminosavak játsszák a lényeges szerepet a földi életben, s nem a tükörképi párok. Ezen utóbbi témában két álláspont alakult ki, amelyeket de facto és de lege véleménynek neveznek. A de facto (= tényszerű) nézet szerint a D-szénhidrátok és L-aminosavak jelenlegi dominanciája véletlen: ha hasonló biokémiai alapokon, de függetlenül alakult ki az élet a Földön kívül, annak kiralitása lehet ellentétes is. A de lege (= törvényszerű) álláspont szerint viszont a D-szénhidrátok és az L-aminosavak földi elterjedtsége ma még ismeretlen természeti törvényekből következik. Jelenleg a tudomány által ismert információk alapján nincs okunk azt feltételezni, hogy egy D-aminosavakra és L-szénhidrátokra alapozott tükörképi élővilág ne működhetne pontosan ugyanolyan jól, mint a jelenleg ismert. Ez a megállapítás még nem teljes mértékben cáfolja a de lege véleményt, mert a két rendszer ilyen szerkezeti és funkcionális jellegű ekvivalenciája nem feltétlenül jelenti azt, hogy egyforma valószínűséggel alakulnak ki.

Az elmúlt két évtizedben a Soai-reakció megismerésével megújult az érdeklődés ezen kérdések iránt. A speciális folyamat névadója Kenso Soai, a Tokyo University of Science professzora. A kémiai reakció lényege szén-szén kötés kialakítása egy aldehid és egy cinktartalmú szerves vegyület felhasználásával (4. ábra). A folyamat egyik kiindulási anyaga sem királis, és a külső körülmények között sincsenek aszimmetrikusak. A reakció végterméke viszont egy királis molekula, kémiai szempontból egy alkohol. A korábbi ismeretek szerint ebben a reakcióban csakis a két enantiomer racém elegye keletkezhetne. Ezzel szemben a kísérleti eredmények mást mutattak.

Az első, kísérletileg tapasztalt különleges jelenség az enantioszelektív autokatalízis volt, amelyről 1995-ben jelent meg az első jelentős szakcikk a Nature folyóiratban. Azt mutatták ki, hogy ha a termékmolekulák enantiomerjei közül az egyiket még a cinktartalmú vegyület előtt hozzáadják a reakcióelegyhez, akkor az az enantiomer sokkal nagyobb mennyiségben keletkezik a folyamatban, mint a másik. Az ilyen típusú kísérletekhez nagyon kis mennyiségű termék kezdeti felhasználása is elegendő volt. Ha a két enantiomer keverékét adták hozzá előzetesen, akkor a végtermékben még akkor is a kezdetben nagyobb mennyiségben hozzáadott enantiomer halmozódott fel, ha ez a kezdeti különbség nagyon kicsi volt. Ezért ezt a jelenséget királis erősítésnek is nevezik.

2003-ban újabb érdekes tapasztalatról számoltak be a japán kutatók: bizonyos reakciókörülmények között akkor is nagy feleslegbe került az egyik vagy a másik enantiomer, ha előzetesen egyáltalán nem is adtak királis terméket a reakcióelegyhez. Az viszont, hogy melyik enantiomer keletkezett feleslegben, véletlenszerűen változott. Ezt a jelenséget abszolút aszimmetrikus szintézisnek nevezték, mert az egyes kísérletekben úgy lehet az egyik enantiomert nagy feleslegben előállítani, hogy ennek semmilyen külső oka nincsen. Ugyanazt az eljárást 37-szer ismételték meg a véletlenszerű jelleg igazolására, majd később, kicsit más körülmények között egy 84 kísérletből álló sorozatot is elvégeztek. Ezeknek az eredményeit mutatja be az 5. ábra. Az ábra az enantiomerfelesleg (ee) fogalmát használja enantiomerkeverékek összetételének jellemzésére. Az enanetiomerfelesleg lényegében a D és L enantiomermolekulák számának különbsége osztva az enantiomermolekulák számának összegével:

Ebből az egyenletből az látható, hogy az enantiomerfelesleg mindig 0 és 1 közötti szám. Gyakran százalékban fejezik ki, ilyenkor az érteke 0 és 100 % között lehet.

Az 5. ábra azt mutatja be, hogy az egyes enantiomerfelesleg-értékek milyen valószínűsséggel alakulnak ki a kísérlet során. Pontosabban fogalmazva az ábrán balról a legelső piros oszlop azt fejezi ki, hogy 0,1-nél (vagyis 10 %-nál) kicsit nagyobb volt a valószínűsége annak, hogy a D változat enantiomerfeleslege 90 és 100% között legyen a folyamat végén. Az ilyen típusú ábrákat hisztogramnak nevezik. Igazából még 84 kísérlet is túlságosan kevés ahhoz, hogy jó minőségű hisztogramot lehessen belőle készíteni, ezért az ábra egy kicsit torzít. Bonyolultabb módszerekkel ezt a torzítást ugyan ki lehet küszöbölni, de ezen cikk céljainak a hisztogram is megfelel.

Statisztikai tesztekkel kimutatható, hogy az 5. ábrán látható két kísérletsor (a 37, valamint a 84 ismétlésből álló) lényegében ugyanazt az információt adja, vagyis közöttük nincsen szignifikáns különbség. További kísérletekben igazolták, hogy királis szennyeződések akár még néhány molekulányi mennyiségben is jelentős hatással lehetnek a reakcióra, illetve szinte bármely királis anyag szándékos hozzáadásával el lehet érni, hogy a Soai-reakció termékének egyik vagy másik enantiomerje következetesen nagyobb mennyiségben keletkezzen.

A kísérletek elmélet értelmezése jelentős kihívás volt. A szokásos kémiai rendszerekben nem fordulnak elő ilyen mértékű véletlen ingadozások. Ezek megértéséhez szükségszerű választ keresni egy nagyon lényeges kérdésre. A kísérleti kémiában az ilyen jellegzetességeket többnyire reprodukálhatósági problémaként értelmezik. A reprodukálhatósági problémák oka az, hogy a kísérletek során egy lényeges, de fel nem ismert külső tényezőnek nagy hatása van a reakcióra, s ezt nem szabályozzák kellő mértékben. Tehát a reprodukálhatatlanság lényege az, hogy a külső körülmények a kísérletező számára ugyan azonosnak látszanak a megismételt kísérletekben, de valójában mégsem azok. Ezzel szemben a tudomány más ágaiban (például a biológiában és a fizikában) igen jól ismert sztochasztikus jelleg azt jelenti, hogy teljesen azonos külső körülmények között végzett kísérletek is különböző eredményre vezetnek a rendszer megkerülhetetlen belső sajátságai miatt. Egy lehetséges módszert dolgoztak ki a két jelenség kísérleti alapú megkülönböztetésére, mely azon alapszik, hogy a sztochasztikus jelleget mutató kísérletekben a látszat ellenére az ingadozások olyan értelemben nem teljesen véletlenszerűek, hogy tulajdonságaik egyes elemei megjósolhatók. A kiralitással kapcsolatos, abszolút aszimmetrikus reakciók esetében négy általános kritériumot találtak a két jelenség (azaz a reprodukálhatatlanság és a sztochasztikus jelleg) közötti különbség kimutatására:

1. Egy valóban sztochasztikus királis reakció autokatalitikus jellegét bizonyítani kell az enantiomertiszta termék reakció előtti hozzáadásával. Egy ilyen kísérletben az indukcióhoz használt enantiomernek kell feleslegben keletkeznie.

2. A királis induktor nélküli (vagyis abszolút aszimmetrikus) kísérletek során kapott termékelegyben mért enantiomer-eloszlásnak szimmetrikusnak kell lennie, azaz a különböző enantiomerek azonos enantiomerfeleslegének azonos valószínűséggel kell keletkeznie.

3. Abszolút aszimmetrikus reakciók esetében a kinetikában (azaz a reakció időbeli lefutásában) is sztochasztikus ingadozásoknak kell fellépnie, és ezt kísérletileg ki kell tudni mutatni.

4. A kísérleti eredményekben kapott eloszlásnak térfogatfüggőnek kell lennie akkor is, ha egyébként minden egyéb körülmény azonos.

Ezen tesztek alapján a Soai-reakció valóban sztochasztikus jellegűnek tűnik. A statisztikai elemzések szerint például az 5. ábrán bemutatott enantiomer-eloszlás tényleg eleget tesz a 2. pont által megkövetelt szimmetriának. A grafikonon ez abból látható, hogy az x tengely közepére (a nulla pontra) húzott merőleges egyenes az egész ábra tükörtengelye.

Az adatok további elméleti tanulmányozása a sztochasztikus reakciókinetika eszközeivel volt lehetséges. Hagyományosan a kémikusok egyetlen molekulának nem tulajdonítanak nagy jelentőséget, hiszen igen sok (általában legalább 10¹⁰, de nem egyszer ennél is lényegesen több) molekula alkot csak kísérletileg észlelhető anyagmennyiséget. A sztochasztikus kinetika viszont olyan kivételes esetekben is használható, amikor már néhány molekulának is nagy jelentősége van. Ilyen gondolatmenetek segítségével a Soai-reakcióban tapasztaltak elméletileg is érthetővé váltak. A folyamatban az enantioszelektív autokatalízis annyira erős, hogy már a keletkező első néhány molekulának jelentős hatása van a későbbi eseményekre. Szélsőséges esetben a legelső keletkező molekula (amely szükségszerűen vagy D vagy L enantiomer) autokatalitikus hatása a döntő abban, hogy a reakció végére melyik enantiomer kerül nagy túlsúlyba. A gondolatmenet finomításával az 5. ábrán zöld folytonos vonallal jelölt jóslatot lehetett tenni az enantiomer-eloszlásra, s ez láthatóan nem áll messze a kísérleti tapasztalatoktól.

Az abszolút aszimmetrikus szintézis jelensége igen fontos a biológiai kiralitás kialakulásának értelmezése szempontjából. A korábbi, ilyen jellegű gondolatmenetek általában valamiféle külső aszimmetrikus hatást (például poláros fényt, aszimmetrikus kristályfelületet, szimmetriasértő béta-bomlást) feltételeztek. Ezektől eltérően az aszimmetrikus szintézisen alapuló magyarázatban nincsen szükség azonosítatlan külső tényezők feltételezésére. Az viszont sajátja a magyarázatnak, hogy véletlenszerűen dől el, vajon melyik enantiomer keletkezik nagy mennyiségben a folyamat végére. Ha valóban ez történt, akkor pusztán a sors szeszélye, hogy a Földön az L-aminosavak terjedtek el, és nem a tükörképi párjuk, tehát az írás első részében ismertetett hipotézisek közül a de facto feltételezést kell elfogadnunk. Albert Einstein a véletlen természeti folyamatokkal szembeni ellenérzéseit egy manapság is sokat idézett megjegyzéssel fejezte ki: „Isten nem kockázik”. A modern tudomány számára viszont úgy tűnik, hogy a természetben nagyon is vannak a véletlen által meghatározott kimenetelű eseménysorok, s a biológiai kiralitás kialakulása ezek egyike lehetett.

A Soai-reakció jelentősége a biológiai kiralitás kialakulásának értelmezése szempontjából vitathatatlan. Ennek ellenére meg kell jegyezni azt is, hogy ez a jelentőség közvetett: az abszolút aszimmetrikus reakció kísérleti kimutatásának tényére, és nem magára a kémiai reakcióban előforduló anyagokra vonatkozik. Ennek oka az, hogy a folyamatban felhasznált anyagok mind a vízzel, mind a levegővel heves reakcióba lépnek, így nem játszhattak szerepet a tényleges biológiai kiralitás kialakulás során.

2013.09.15.