左旋与右旋：地球生命的独特性

1，地球生物大分子的特殊性

 

人类最早界定方向，是以太阳、月亮、星星、地球来作为基本出发点的。以天地作为上下，以北南作为上下，以地球旋转运动方向界定左右。左右运动方向是明确的，不是随心所欲可以混淆的。地球的两极，北极为上，南极为下，上下明确以后再根据地球的旋转（逆转）运动，由西向东旋转为左旋。

 

以此为出发点，观察太阳系，观察宇宙天体运动，不难发现星球和天体运动很有规律，上下左右很有规律。以太阳为恒星的太阳系所有星球全都绕着太阳运行。整个太阳系看起来就象一张扁平的碟片，并且十大行星的极点都是在上（如地球的北极），十大行星和太阳自转除金星以外都是左旋的，十大行星的公转都是左旋的。有了上下，才会有左右。

 

 

 

 

手性（chirality）一词源于希腊语词干“手”χειρ，在多种学科中表示一种重要的对称特点。手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性（也称“中性手性”）。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。人们对手性的研究可以追溯到1874年第一位化学诺贝尔奖获得者Jhvan。当时他就提出了具有革命性的理论化学分子为三维结构，一些化合物存在两种构像，且两者互为镜像。

 

手征性是生物系统基本特征之一，生物体内的一些糖类、蛋白质和氨基酸都具有手征性。在与生命无关的现象中，左、右旋的氨基酸都同样稳定，也以同样数量存在。构成生命的基本分子——氨基酸和糖，在自然界中可以是左旋的，也可以是右旋的。但在地球上构成生命的蛋白质中，绝大多数氨基酸都是左旋的。此外，生命体只能代谢右旋的糖。

 

 

 

 

理论上讲，右旋氨基酸也能形成生命，为什么地球生命独独偏爱左旋氨基酸？为什么生命体只能代谢右旋的糖？有科学家认为，这是生命随机选择的结果。但也有人认为，可能在最初的生命形成过程中，有某种原因影响了左右旋两类分子的微妙平衡，使左旋氨基酸和右旋糖成为生命的必然选择。一些人提出，这可能是阳光的圆偏振效应（一种电磁波现象）造成的。

 

    法国国家科学研究中心的格特·瑞肯和Ｅ·劳帕赫在《自然》杂志上报告说，他们发现静态磁场与偏振光的相互作用会影响光化学反应过程，使有机分子的某种对应体形成得多一些、另一种形成得少一些。由于地球上以偏振光为主，这一现象在地球也就特别明显，这使地球生物体主要分子都是左旋氨基酸和右旋糖。

 

    2，药物的手性

 

从上述分析得知：形成生物的原始环境局部出现手性，很可能都会对此后的生物、化学进程形成手性选择机制。

 

惊人的发现：组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。右旋分子是人体生命的克星！因为人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。

 

 

 

 

1886年，科学家报道了氨基酸类对映体引起人们味赏感受的差别。1956年Pfeifer根据对映体之间药理活性的差异，总结出：一个药物的有效剂量越低，光学异构体之间药理活性的差异就越大。即在光学构体中，活性高的异构体与活性低的异构体之间活性比例越大，作用于某一受体或酶的专一性越高，作为一个药物它的有效剂量就越低。

 

在手性药物未被人们认识以前，欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的消旋体药物作为镇痛药或止咳药，很多孕妇服用后，生出了无头或缺腿的先天畸形儿，有的胎儿没有胳膊，手长在肩膀上，模样非常恐怖。仅仅4年时间，世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。这就是被称为“反应停”的惨剧。后来经过研究发现，反应停的R体有镇静作用，但是S-对映体对胚胎有很强的致畸作用。

 

正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置，考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。

 

 

 

 

研究表明，不同的对映体在人体内的药理，代谢过程，毒性和疗效存在着显著差异。当手性药物、农药等化合物作用于这个不对称的生物界时，两个异构体表现出来的生物活性往往是不同的，甚至是截然相反的：即一个异构体对疾病起作用，而另一个异构体却疗效甚微，或不起作用，甚至可能有毒副作用。为此，1992年美国FDA开始要求，手性药物以单一对映体（对映体纯）形式上市。这样不仅疗效确切、副作用小，且临床用量少。目前，世界上使用的化学药物总数大约有1900种，手性药物占50％以上。在200种常见的临床药物中，手性药物多达114种。

 

    3，宇宙生命的随机性

 

地球上没有右旋氨基酸生命，但是，按照手性的原则，它们确实是可能存在的，甚至，有智慧的右旋氨基酸生命也是存在的。

 

因此，有人提出：自然界中存在的氨基酸（除了无手性的甘氨酸）基本是左旋的，仅有极少量右旋存在于原核生物之中。这是否在暗示：

 

（1）自然界的生物起源于同一祖先，并且这一祖先应该生活在地球上的同一小片区域（一小锅汤）；如果在地球表面上的大片区域，左旋氨基酸与右旋氨基酸化学性质非常相似的物质，必定随机产生（注意：此时还没有真正的生物出现，所以地球环境应该没有手性环境），无法解释后来一种占有绝对多数；

（2）如果（1）成立，既然这种生命形成的重要组份——氨基酸集中出现在地球上一个很狭窄区域（一小锅汤），由外星引入的可能性极大，否则很难解释为何只有地球一小片区域出现了这种左旋的氨基酸。

（3）如果（2）成立，左旋多数就有了答案，是因为有了外星已经替我们地球先期进行了手性选择。

 

以上解释仅针对地球生物，但还需解决外星的手性选择问题。

 

（4）为何氨基酸手性出现类似物质、反物质的对称性破缺？一种可能，就是早期生命中左旋右旋比例很接近，但有着统计意义上的数量差距，随着进化，右旋氨基酸逐步被淘汰。

（5）一般这种对称性破坏，只有在很小的时空中才会出现，所以生命诞生的最初，必定在一个很小的区域内产生的，而非遍地开花式的发生。

 

氨基酸是构成地球上生命的基础，自然存在的氨基酸分为左旋型和右旋型。然而，存在于地球上所有生物体中的氨基酸都为左旋型。根据常理分析，氨基酸化学反应需要左旋型氨基酸和右旋型氨基酸等量搭配作用，为什么地球生物体内氨基酸全部为左旋型，一直是生命起源领域一个困扰科学家多年的谜。

 

为了解开这个谜，台湾国立天文台研究小组利用红外线偏光观测装置SIRPOL观测离地球1500光年外的猎户座星云。猎户座星云是孕育恒星的巨大星云，科学家在质量巨大的新生恒星IRc2星的附近发现了比太阳系大400倍的圆偏光，而质量较轻的新生形体周围则看不到圆偏光。恒星形成领域的圆偏光被视为左旋型氨基酸形成的基础，该发现证明，太阳系形成初期，原始太阳系星云受到大质量恒星圆偏光的照射，从而形成的氨基酸全部为左旋型。另外，根据陨石同位体理论分析，这一发现也和太阳系形成于大质量星体附近的理论相契合。

 

可以这样推测：大概是第一个生物的氨基酸是左旋的，而左旋的和左旋的之间有更好的化学性质，左旋和右旋之间难以形成生命，然后一代一代繁殖下去就都是左旋的了。于是当第一个生物出现，TA就在相对地球年龄而言很短的一段时间内占领地球，使得新的类型的生命不能自然形成。

 

大部分科学家还是认为地球生命对左旋是随机选择出来的，如果宇宙中还有其它碳基生命存在的话，TA们的氨基酸，理论上来说有可能是右旋的。当然也有解释说左旋氨基酸来源于彗星尘埃什么的，但都缺乏直接的证据。

 

    4，右旋DNA双螺旋结构

 

1953年2月，沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数。

 

DNA主链（backbone）结构：由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条,它们似“麻花状”绕一共同轴心以右手方向盘旋，相互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则，这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。DNA外侧是脱氧核糖和磷酸交替连接而成的骨架。所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。

 

 

 

 

首先要说明：DNA右旋双链不是指全部，生物体内存在天然左旋双链DNA。左旋和右旋是和DNA活性相关的，有转录活性的DNA都是右旋。左旋和右旋DNA的形态是不同的，尤其是螺旋产生的“沟”，右旋的明显可以区别大沟和小沟，左旋区别不大。沟的区别直接造成DNA结合蛋白只识别右旋不识别左旋，下一步就是只有右旋表达左旋不表达。Z-DNA又称Z型DNA，是DNA双螺旋结构的一种形式，具有左旋型态的双股螺旋（与常见的B-DNA相反），并呈现锯齿形状。

 

　　美国宾州大学的兰德尔•卡缅教授指出，从本质上来看，在拥挤的细胞（例如一个细胞里的DNA）中，非常长的分子聚成螺旋结构是一个较佳的方式。在细胞稠密而拥挤的环境中，长分子链经常采用规则的螺旋状构造。这一构造有两点好处：可以让信息紧密地结合其中；还能够形成一个表面，允许其他微粒在一定的间隔处与它相结合。DNA结合蛋白，就是该表达哪个基因了，它先去把那个基因找到，抱住基因，再招呼转录酶让转录酶转录。所以活性基因都是右旋，左旋有特定的碱基排列顺序，一般是N个GC重复。

 

5，左旋DNA与癌症

 

DNA与蛋白质复合物的结构是其四级结构，即DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。DNA的负超螺旋状态有利于DNA双链的分开，以便进行DNA的复制和基因的转录。由于DNA双螺旋为右旋，四螺旋DNA的负超螺旋（左旋）有利于双螺旋解旋，自然界存在的环状DNA几乎全是负超螺旋。

 

DNA复制、重组或转录时，必须解旋解链，暴露出DNA结合位点，使各种调控蛋白发挥作用，随后再形成超螺旋，存在拓扑学问题。生物过程需负超螺旋程度不同，可通过DNA拓扑异构来调节其功能。

 

英国剑桥大学科学家在2012年1月21日在《自然—化学》杂志上发表的论文显示，四螺旋DNA结构，即G-四联体同样存在于人类基因组中。它们形成的区域具有丰富的鸟嘌呤基础构件，因此通常缩写为“G”。

 

这是科学家首次发现四螺旋DNA在人类活体细胞中也能形成。研究还证实，四螺旋结构和DNA复制过程之间存在清晰联系，进一步凸显了利用这些特殊的DNA结构击败癌症的潜力。致癌基因能够发生突变增加DNA的复制，引发细胞增殖的急速上升和失控，并导致肿瘤的增长。而飙升的DNA复制率也将造成四螺旋结构的密集程度增大。由于癌细胞的分裂非常迅速，并且在端粒上通常存在缺陷，因此，四链螺旋结构可能是癌细胞的一种独有的特征。如果确实如此的话，任何针对该结构的癌症治疗方法都将不会伤害到正常的健康细胞。论文作者巴拉萨布拉曼尼恩强调称，四螺旋DNA结构或许是开发选择性抑制癌细胞增殖新方法的关键，而在人体细胞中确认它们的存在更是真正的里程碑事件；正常细胞中也有四链螺旋，不过可能与癌细胞中的有所区别；混乱的基因组突变以及癌性或成癌前细胞的重组触发了G-四链体。

 

另一个研究表明：Z-DNA具有潜在的危害。在一定条件下右旋DNA可转变为左旋，DNA左旋化可能与致癌、突变及基因表达调控有关。DNA左旋化，表明复制生命信息的大分子的右旋化；右旋DNA双螺旋的稳定性，表明了复制生命信息的大分子的左旋特征。

 

 

 

 

物质运动除了上下左右以外，主要有螺旋式运动，分为左旋与右旋。按照地球：北极在上，南极在下，逆时针运转，适应这一规律的运动就是左旋。左旋范畴：大到宏观世界，天体形成，星球运转，从自转到公转，几乎都是左旋的。以太阳系为例：十大行星公转都是左旋的，除金星以外，其它行星，以及太阳月亮自转时都是左旋的；小到微观世界，细胞内核的能量及中心转子也是左旋的。

 

由此可见：左旋是生命运动不可抗拒的客观规律。一旦停止左旋运动，就预示着生命的衰老与结束。也许，还有更深层次的“左旋定律”，等待我们去发现与探索。

 

 

（编辑整理）