| 为什么地球上的生物使用左旋的氨基酸和右旋的糖分子？ |
作 者：中国科学院新疆理化技术研究所
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原文地址：http://www.xjipc.cas.cn/kxcb/kpwz/201411/t20141130_4265092.html
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地球上的生物都是以碳元素为基础的。碳原子是“四价”的，可以用四根化学键和其它的原子相连，形成生命所需要的各种复杂分子，其中碳原子彼此以单键或双键相连形成链状或环状的化合物，上面再连上各种功能基团。可以说，没有碳就没有地球上的生命。
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碳原子的四根化学键不仅使得复杂生命分子的产生成为可能，也带来了另一个复杂性，那就是有些以碳为骨架的分子，特别是氨基酸和糖类分子，具有不对称性，也叫做“手性”（chirality）。Chirality这个词来自希腊文χειρ （Kheir），意思就是“手”。人的手是不对称的。如果以中指为轴，食指和无名指就不对称，拇指和小指也不对称。但是人的左手和右手却有一个对称面，彼此为对方的镜像。如果物体自身是不对称的，镜面内外的两个物体就不能通过转动而彼此重合，例如左手和右手就不能彼此重合。左手的手套，右手就戴不进去。这就是“手性”，是对两个不对称物体互为镜像这种情况的描述。分子也一样，分子的手性是指具有同样结构的分子（其中组成分子的原子和它们的连接顺序都相同，所以它们具有同样的分子式），却有两种空间形式，彼此成为镜像而无法通过旋转而重合。那么分子的手性是怎么产生的呢？
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这是因为碳原子与其它原子相连的四根化学键不是在一个平面上，而是在空间中向四个方向伸出，就像正四面体的中心与四个顶角的连线。如果与碳原子相连的四个原子或原子团彼此不同（例如下图中的a、b、c、d），就会形成两种空间形式：
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a a
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c > C < d d> C < c
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b b
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想象碳原子（C）与a和b相连的化学键是指向远离读者的方向的（即a和b离读者的距离比中心的碳原子C远），而与原子或原子团c和d相连的化学键是指向读者方向的（即c和d离读者的距离把你中心碳原子近）。虽然在左右两种情况下，与碳原子相连的四种原子或原子团相同（都是a、b、c、d），但是上图中的两种分子却无法重合，而是彼此互为镜像。如果b相当于手腕，a相当于中指，d相当于大拇指，c相当于小拇指，上图就对应于人的左手和右手。 以a-b为轴，c和d不对称（不同的原子或原子团）。反过来，以c-d为轴，a和b也不对称（也是不同的原子或原子团）。这就是分子手性的由来，这样的碳原子被称为“手性碳原子”。由于这样的碳原子能够形成空间结构不同的两种化合物，它也被称为“不对称碳原子”，即含有它的分子具有方向性。
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互为镜像的两种分子不仅空间结构不同，它们还有一个特殊的性质，就是都能够使平面偏振光（光波的振动方向在一个平面上）振动的方向旋转，只是旋转的方向相反，所以它们又被称为“旋光异构体”。使偏振光的偏振方向向右旋转的叫做“右旋异构体”（D型，D是前缀dextro- 的第一个字母，表示“右旋的”），向左旋转的则叫“左旋异构体”（L型，L是前缀levo- 的第一个字母,表示“左旋的”）。旋光异构现象是法国科学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）于1894年首先认识到的。他发现从酿酒容器中得到的酒石酸（2,3-二羟基丁二酸）可以使偏振光的偏振方向旋转，但是其它来源的酒石酸盐却没有这种能力。进一步的研究发现，没有旋光能力的酒石酸可以形成两种晶体，形状也彼此为镜像。如果把这两种晶体分开，它们就都获得了旋光性，只是旋光方向相反。之所以酿酒容器中的酒石酸盐具有旋光性，是因为这些酒石酸是生物来源的，只含有一种异构体。而化学合成的酒石酸两种异构体都有，它们的旋光效果彼此抵消，所以显示不出旋光能力来，这两种异构体的混合物就是“消旋”的。
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既然生物来源的酒石酸只含有一种旋光异构体，生物来源的其它有机分子是不是也只含有一种旋光异构体，因而具有旋光性呢？从碳原子是许多生物分子骨架来看，含有多个彼此相连碳原子的分子就有可能含有不对称碳原子。如果生物产生的这些分子只含有其中一种异构体，它就会具有旋光性。例如组成蛋白质的氨基酸，除甘氨酸外，就含有一个不对称碳原子，叫 a 碳原子。它与氨基、羧基、氢原子及一个“侧链”相连（甘氨酸的“侧链”是另一个氢原子，所以这个碳原子和两个氢原子相连，就不是非对称碳原子），因而可以形成两种旋光异构体。但是除了少数的例外，所有生物来源的氨基酸都是“左旋”的。在上图中，如果a代表羧基，b代表侧链，c代表氨基，d代表氢原子，则左边的构型是左旋的（氨基在左边），右边的结构是右旋的（氨基在右边）。
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糖类的情况比较复杂，因为许多糖类（例如葡萄糖和核糖）都含有不止一个不对称碳原子。我们从最简单的含有不对称碳原子的糖类分子甘油醛谈起。甘油醛就是甘油的一个羟基变成了醛基。它含有三个碳原子，一个在醛基中，另一个与两个氢原子相连，所以它们都不是不对称碳原子。而中间的那个碳原子分别和醛基（-CHO）、甲羟基团（-CH2OH）、羟基（-OH）、以及一个氢原子（H）相连，所以是不对称碳原子。如果用a代表醛基，用b代表甲羟基，用c代表羟基，用d代表氢原子，那么左边的结构是左旋的（羟基在左边），右边的结构是右旋的（羟基在右边）。由于甘油醛含有一个醛基，它也被称为“醛糖”。
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葡萄糖是6碳糖，其“骨架”是线性相连的6个碳原子。核糖是5碳糖，含有线性相连的5个碳原子。位于两端的两个碳原子中，像甘油醛一样，一个以双键与一个氧原子相连形成醛基，另一个与两个氢原子相连，所以都不是不对称碳原子。葡萄糖和核糖都是“醛糖”。醛糖中间的碳原子除了与两个碳原子相连外，还与一个氢原子和一个羟基相连，类似于甘油醛中间的碳原子。不仅如此，与中间的碳原子相连的两个碳原子又分别连有不同的基团，所以他们虽然都是碳原子，但是彼此不同，可以看成是不同基团的组成部分，就像甘油醛中间的碳原子与醛基和甲羟基团相连，所以葡萄糖和核糖分子中间的每个碳原子都是不对称碳原子。由于每个不对称碳原子都可以有两种构型（羟基在左边或是在右边），就可以形成不同的糖。例如6碳的醛糖就可以有2∧4种（即16种）构型，分为8对，每一对互为镜像，所以共有8种6碳醛糖，分别是阿洛糖、阿卓糖、葡萄糖、甘露糖、古乐糖、艾杜糖、半乳糖、和塔罗糖。同理，5碳醛糖有23种（即8种）构型，分为4对，彼此互为镜像，所以有4种5碳醛糖，分别是核糖、阿拉伯糖、木糖、和来苏糖。
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这些糖分子都含有多个不对称碳原子，它们的旋光形式又如何定义呢？ 这就要看离醛基（碳原子1）最远的那个不对称碳原子的构型，这在葡萄糖中是碳原子5，在核糖中是碳原子4。如果它们的构型和甘油的右旋型相同，那就是右旋（D）型的。反之则是左旋（L）型的。研究发现，所有生物来源的糖类都是D型，即右旋的。生物体所使用的核糖（包括其变种2-脱氧核糖）和葡萄糖，都是右旋的。
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生物分子由左旋（L）型的氨基酸和右旋（D）型的糖类分子构成这个事实使人感觉有点难以理解，因为氨基酸当初由非生物途径被生成时，是两种旋光异构体都有的。太空中发现的有机化合物，如果含有不对称碳原子，也都有左旋和右旋两种类型，说明它们是非生物来源的。这两种旋光异构体的化学性质相同，按理说两种旋光异构体都可以形成生命分子。为什么地球上没有使用右旋氨基酸、左旋葡萄糖和左旋核糖的生物呢？
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地球上的生命形成时，左旋氨基酸可能就比右旋氨基酸多
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一个可能性是，生物形成前，地球上的左旋氨基酸就比右旋氨基酸多，所以形成的生物使用左旋氨基酸的可能性就比较大。对陨石中氨基酸的分析似乎证实也证实了这
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种想法。对墨其森陨石（Murchison meteorite）和墨瑞陨石（Murray meteorite）中氨基酸的分析表明，虽然氨基酸的两种旋光异构体都存在，但是左旋的异缬氨酸就比右旋的异缬氨酸多达44%。对另一个陨石奥奎尔（Orqueil）上氨基酸的分析也得到了类似的结果：左旋异缬氨酸比右旋异缬氨酸多约39%。迄今为止，还没有在陨石中发现右旋氨基酸多于左旋氨基酸的例子。这说明宇宙中天然形成的氨基酸左旋占优势很可能是一个普遍现象。这种不平衡的一个可能的原因，就是自然界中存在某些机制选择性地摧毁其中一种异构体。
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科学家想到了宇宙中的紫外圆偏振光（ultraviolet circularly polarized light，其中光有两个互相垂直的振动面，并且两个方向上的振动有固定的相位差）。例如在离地球5500光年的猫掌星云（天蝎座方向）发出的光线中，大约有22%是圆偏振光。不同的旋光异构体使光线的偏振面旋转的方向不同。反过来，对于紫外圆偏振光，左旋和右旋的异构体吸收的程度也不同，因而受这种紫外线摧毁的程度也不同。这就可能导致一种异构体多于另一种异构体。在实验室中模拟太空中的条件，发现紫外圆偏振光的确有这种选择性摧毁的效果，不过程度比较小，只有约1-2%，不足以说明陨石中左旋氨基酸明显多于右旋氨基酸的情形。陨石和星际尘埃表面的结构性质很可能也起了作用。对墨其森陨石不同的碎块进行的分析表明，左旋异缬氨酸多于右旋异构体的程度与陨石表面硅酸盐的水化程度有关，即与硅酸盐在水存在时发生的变化有关。水化程度越高，左旋异缬氨酸的多出右旋缬氨酸的程度越高。这说明硅酸盐的水化过程对氨基酸异构体的形成有差别化的作用。这种差别化作用也许是在紫外圆偏振光的存在下发生的。
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氨基酸被陨石带到地球上以后，地球上的一些过程还能放大左旋和右旋氨基酸之间的差别。例如美国科学家Breslow 和Levine让L型只比D型多1%的苯丙氨酸的水溶液缓慢蒸发，当多数苯丙氨酸都结晶出来以后，溶液里留下的苯丙氨酸70%为左旋，30%为右旋。当把这个比例的苯丙氨酸溶液再进行蒸发，又有一些氨基酸结晶，留在溶液中的苯丙氨酸有95%是左旋的。当然地球早期有机物的溶液不会是某种氨基酸的纯溶液，而是含有各式各样的化合物。但是如果其中含有左旋和右旋不平衡的化合物，就有可能在溶液由于蒸发浓集而发生沉淀或结晶时，有选择性地使某种旋光异构体沉淀，或留在溶液中。
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科学家还提出其它可能的机制使左旋氨基酸富集。例如方解石（Calcite）可以生成两种旋光性的晶体，能够选择性地吸附氨基酸中一种旋光异构体，使另一种异构体在溶液中的比例增加。氨基酸在通过毛细作用沿着多孔的岩石上升时，岩石对两种旋光异构体吸附能力的差异相当于对两种异构体进行层析分离。例如天冬氨酸和谷氨酸通常会形成消旋的晶体（即两种旋光异构体共同形成结晶）。但是如果让这两种氨基酸的溶液通过半浸泡在溶液中的砖块上升并且蒸发时，两种异构体会分开，各自形成具有旋光性的晶体。
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这些结果说明，虽然在理论上左旋和右旋的氨基酸有相同的生成几率，但是太空中和地球上的条件（有偏振的紫外光，陨石和星际尘埃表面的性质，早期地球上的吸附和蒸发作用等）下，两种旋光异构体的数量有可能发生差异或者彼此分离，在局部条件下形成主要含左旋氨基酸的环境。从太空中的左旋氨基酸明显多于右旋氨基酸的情况来看，这种情况是非常可能的。
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左旋氨基酸选择性地结合右旋的糖类分子
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左旋氨基酸被选择的问题有解释了，那么右旋糖分子被选择又该如何解释呢？由于氨基酸和糖分子都是不对称分子，它们的异构体之间的相互作用就不会是一样的。这有点像手和门把之间的关系。开门用的门把就是不对称的，有左右两个方向。如果门把的方向是向右的（即门是从左边开的），用右手开门就比较方便，而用左手就很别扭。同理，氨基酸的某种异构体也应该更容易地结合糖分子的其中一种异构体（形状更加相配）。事实也真的是这样，即左旋氨基酸更容易与右旋的甘油醛结合，反之亦然。例如由缬氨酸组成的二肽可以催化甘油醛生成4碳糖。而左旋的缬氨酸二肽选择性地结合右旋的甘油醛，生成右旋的4碳糖。
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反过来，一旦右旋的核糖在RNA分子中出现，转移RNA（tRNA）就会选择性地结合左旋的氨基酸。例如使用大肠杆菌丙氨酸tRNA中结合氨基酸的片段时，它结合左旋丙氨酸的效率就是结合右旋丙氨酸的4倍。反过来，如果tRNA中的核糖从正常的右旋核糖换成左旋核糖，对氨基酸的选择就反过来了，tRNA结合左旋丙氨酸的效率就只有结合右旋丙氨酸的4分之1。这说明蛋白质合成时对氨基酸旋光异构体的选择是在tRNA阶段就开始了，是tRNA中右旋核糖决定了左旋氨基酸被优先使用。而右旋核糖又是由左旋的二肽催化合成的。这样，地球上的生物使用左旋的氨基酸和右旋核糖和葡萄糖就不是偶然的选择，而是左旋氨基酸和右旋糖分子互相选择和配合的结果。出于同样的理由，右旋氨基酸也会选择性地结合左旋的糖分子。但是由于左旋氨基酸在地球上生物形成的初期占优势地位，最后导致了对左旋氨基酸和右旋糖类的选择。
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RNA和蛋白质的立体催化本身就是带有方向性的
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地球上的生物对左旋氨基酸和右旋糖分子的选择，还有一个更高的调控层次，这就是生物催化本身就是带有方向性的。酸碱都可以催化化学反应，但是由于氢离子和氢氧根离子非常小，本身也没有方向性，所以它们对于旋光异构体的水解效率是相同的。如果有左旋的淀粉，它被酸水解的速度应该和右旋淀粉的水解速度相同。金属离子催化对旋光异构体也没有选择性。而RNA和蛋白质是由有旋光性的单位组成的。而且是由核酸链和肽链卷成的复杂三维结构，催化的反应中心由链不同的区域彼此靠近组成。这样的催化中心就必然会有方向性，对两种旋光异构体的催化效率就不可能相同。
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在生命形成的初期，RNA分子可以由非酶过程合成，会同时含有左旋和右旋的核糖，由这样的RNA链催化形成的肽链也可能同时含有左旋和右旋的氨基酸。由于左旋的氨基酸占优势，肽链中左旋氨基酸的比例就会比较高，催化合成更多的右旋糖分子。右旋核糖又会反过来选择左旋的氨基酸合成肽链。这样反复地相互选择，左旋氨基酸和右旋糖分子就会占越来越大的优势。而一旦RNA由蛋白质（不再是短的肽链）催化合成，由于蛋白质催化的高度方向性，就只能选择核苷酸旋光异构体中的一种了。在右旋核糖占优势的情况下，RNA分子逐渐都只含有右旋核糖。而只含右旋核糖的RNA（包括tRNA和实际催化肽链形成的核糖体RNA）就只能使用左旋的氨基酸。
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在一些情况下，生物也可以使用右旋氨基酸。细菌的细胞壁含有“肽聚糖”。它是糖链被3-5个氨基酸组成的短肽横向相连形成的网状物质。例如大肠杆菌的短肽链就由左旋丙氨酸-右旋谷氨酰胺-左旋赖氨酸-右旋丙氨酸这四个氨基酸组成。细菌用右旋氨基酸来构建细胞壁也许是为了抵抗蛋白酶的攻击。这些含有右旋氨基酸的短肽链不是由核糖体中的RNA催化形成的，而是由蛋白质的酶催化的，是“蛋白质合成蛋白质”。在这里酶中的左旋氨基酸和肽聚糖中的右旋氨基酸之间并无空间对应关系，而是通过酶的三维结构实现右旋氨基酸的组入，就像由蛋白质组成的酶催化其它非蛋白分子的反应一样。但是对于“正常”蛋白质的合成，核糖体中的RNA对于氨基酸的旋光性还是高度特异的。
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细胞中的化学反应不是单一的，而是形成反应链。一种化学反应的产物又需要下一步的催化。这样，一种化学反应的旋光性产物就会对下一步反应的酶提出旋光性的要求。例如葡萄糖的彻底氧化就需要很多步骤，而直到三碳分子为止，每一步的产物仍然是右旋的，这就需要所有这些步骤的酶都能够对右旋的糖分子产物进行加工，最后扩展到整个反应链都只对一种旋光异构体进行加工。由于细胞中的反应链是互相连接的，这样扩展的结果就是细胞只使用一种旋光异构体。
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当然这是一个复杂而且缓慢的过程。不能排除在生命形成的初期，也出现过使用左旋核糖的RNA和右旋氨基酸的生物，但是这些生物后来在竞争中被淘汰了，只有使用左旋氨基酸和右旋糖分子的生物存留下来。由于现在地球上所有的生物都来自同一个祖先，他们也就都使用左旋氨基酸和右旋糖分子。
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参考文献：
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