Levá, pravá, seno, sláma, život, zkáza

Když na přelomu 50. a 60. let minulého století braly těhotné ženy lék na těhotenskou nevolnost, netušily, že tím mnohé z nich odsuzují své děti k časné smrti nebo k doživotnímu postižení. Farmaceutický průmysl od té doby ví, že odlišení levotočivé a pravotočivé formy chemických sloučenin hraje v organismu zásadní roli. Evoluce na to přišla mnohem dříve.

Thalidomid, předepisovaný pod obchodním názvem Contergan, byl před šedesáti lety populární zejména ve Spolkové republice Německo, ale lékaři ho předepisovali celkem ve 46 zemích (u nás nikoli).

Když se přišlo na to, že u vyvíjejícího se plodu způsobuje těžké deformace končetin a další postižení, bylo už pozdě. Některé děti se vůbec nenarodily nebo zemřely krátce po porodu, asi deset tisíc jich trpělo (a dodnes trpí) důsledky skutečnosti, že thalidomid negativně ovlivnil průběh těhotenství.

Molekula thalidomidu existuje ve dvou zrcadlových formách, které mají stejný strukturní vzorec, ale nelze je ztotožnit otáčením v prostoru – podobně jako pravou a levou ruku. Chemikové takovým molekulám říkají chirální (z řeckého χείρ, kheír – ruka) a o jejich dvou podobách mluví jako o optických izomerech neboli enantiomerech. Ve většině fyzikálních a chemických vlastností se od sebe nijak neliší, pouze stáčejí rovinu polarizovaného světla opačným směrem.

A co je důležité: mohou mít různé biologické vlastnosti. Je to logický důsledek skutečnosti, že i klíčové stavební prvky biomolekul (aminokyseliny, cukry) jsou chirální, a tudíž schopné rozlišovat od sebe enantiomery molekul, s nimiž v organismu interagují. Někdy to nejsou rozdíly nijak zásadní, například D-limonen voní po pomerančích, zatímco L-limonen se vyznačuje terpentýnovo-citronovou vůní.

Jindy mohou být rozdíly dramatičtější. U thalidomidu vyšlo najevo, že zatímco D-forma má požadované terapeutické účinky, L-forma způsobuje zmíněné deformace, přičemž obě formy mohou v organismu přecházet jedna v druhou.

„Příklad thalidomidu ukazuje, že chiralita není jen nějaká akademická zajímavost, ale fenomén, který má dopad do různých oblastí lidské činnosti, od farmakologie po přípravu nových materiálů,“ říká organický chemik Ivo Starý, který na téma levo- a pravotočivosti ve světě kolem nás pronese v úterý 9. října veřejnou přednášku v Ústavu organické chemie a biochemie.

Homochiralita života

Odlišení levotočivé a pravotočivé formy hraje důležitou roli v přírodě i v lidské společnosti. Průvodci na hradech často upozorňují návštěvníky na pěkný přiklad z historie: točité schodiště v obranné věži bývá postaveno tak, že z pohledu dobyvatele (který po něm stoupá nahoru) se stáčí doprava. Pro praváky je to krajně nevýhodné – ruka s mečem naráží na stěnu, nemůže se rozpřáhnout k úderu. Obránce se naopak při sestupu po schodišti stáčí doleva a pravou ruku se zbraní má volnou.

Všechny pozemské organismy využívají (a svým biochemickým aparátem produkují) L-aminokyseliny (stavební kameny proteinů včetně enzymů) a D-cukry (které coby součásti nukleosidů určují i smysl šroubovicového uspořádání nukleových kyselin). Chirální charakter mají tedy i enzymy, proteinové buněčné receptory, molekuly DNA i RNA.

Proč ale život využívá vždy jen „levotočivé“ nebo „pravotočivé“ formy chirálních molekul a ne jejich směs – jinými slovy, proč je homochirální?

„Pro správné fungování biopolymerů je homochiralita nezbytná, díky tomu jsou mnohem lépe organizovány,“ vysvětluje Ivo Starý. „Například stáčení dvoušroubovice DNA je dáno chiralitou D-deoxyribózy. Kdyby v řetězci sem tam byla L-deoxyribóza, vznikl by zmatek. V rané fázi evoluce se to možná stávalo, ale takový biochemický aparát fungoval hůře a přírodním výběrem se nakonec prosadila nejefektivnější forma uspořádání.“

„Lze to opět demonstrovat na historii. Když se podíváte na obrázek římské falangy, uvidíte, že vojáci drželi štít vždy v levé a meč v pravé ruce. To je chirální situace. Představte si, že by kdokoli z nich držel štít a meč obráceně. Zranili by se, ještě než by dorazili k protivníkovi. Takže ten tlak na samoorganizaci hmoty, na spontánní cestu k homochiralitě je značný,“ pokračuje Ivo Starý.

Bojové formace římských legií vykazovaly chirální strukturu. Kdyby některý z vojáků držel štít v pravé a zbraň v levé ruce, organizace jednotky by byla vážně narušena.
Michael Coghlan, CC BY-SA 2.0

Počáteční impuls

Co ale na samém počátku života rozhodlo o tom, že organismy budou využívat L-aminokyseliny a D-cukry – a ne naopak? Čistá náhoda? Nebo byly tyto formy z nějakého důvodu o něco dostupnější?

Teorií existuje řada, ale zcela uspokojivé vysvětlení dosud nemáme. Experimentální data ukazují, že nepoměr v zastoupení enantiomerů chirálních molekul se netýká jen Země. Enantiomerní nadbytky aminokyselin byly naměřeny v případě některých meteoritů, které je obsahovaly. Existují fyzikální/chemické procesy, které by mohly tento nepoměr způsobovat, například účinnější destrukce jednoho z enantiomerů kruhově polarizovaným UV zářením.

Podle některých odborníků by prvotní příčina mohla ležet velmi hluboko ve fyzikální podstatě hmoty: v porušení parity u slabých interakcí v atomovém jádru. „Na základě této teorie by enantiomery neměly mít stejnou energii. Experimentálně to ale dosud nebylo potvrzeno, protože rozdíl je tak malý, že je zatím mimo citlivost měření,“ vysvětluje Ivo Starý.

Ověřování podobných teorií obecně naráží na limity našich metod. Je obtížné zajistit, aby výchozí reaktanty v experimentu neobsahovaly žádnou chirální příměs o velmi nízké koncentraci, která by případně ovlivnila výsledek reakce ve smyslu pozorovaného poměru získaných enantiomerů. Narážíme na detekční limity – přestože se našim přístrojům může zkoumaný vzorek jevit jako čistý, nevíme, zda za hranicí přesnosti měření neleží nepatrné znečištění, které ale sérií pozitivních zpětných vazeb povede k převládnutí jednoho enantiomeru.

„Abychom potvrdili, že vznik homochirality je dán nějakým fundamentálním fyzikálním principem, museli bychom objevit všechny možné zdroje živé hmoty ve vesmíru, nebo alespoň statisticky významnou část, a zjistit, že opravdu všechny mají stejnou chiralitu, což je zcela nerealistické. Nebo bychom museli přesvědčivě zmapovat vznik homochirality na základě řetězce důkazů v pozemském nebo okolním měřítku. Tak daleko určitě nejsme,“ říká Ivo Starý.

V roce 1995 publikoval japonský chemik Kenso Soai asymetrickou autokatalytickou reakci s chirálním produktem, jejímž opakováním se počáteční malá asymetrie v zastoupení enantiomerů zpětnou vazbou zesiluje, až nakonec může být převaha jednoho z enantiomerů téměř stoprocentní. Je to jen laboratorní příklad bez biologického významu, ukazuje však principiální možnost postupné cesty k homochiralitě života.

Disponujeme výsledky různých experimentů, z nichž lze v principu pospojovat řadu vedoucí od nepatrného počátečního nepoměru enantiomerů (ať už je jeho příčina jakákoli) k homochiralitě pozemského života. Ale kaskáda takových dějů je zatím neúplná, mezery zaplňují pouze hypotézy. „Je to bílé místo v historii světa a definitivního vysvětlení se možná nikdy nedobereme,“ uzavírá Ivo Starý.