ГДЗ по химии, 10 класс, Еремин, номер 70.24: Полимерные материалы

Хиральность — это свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением. Молекула является хиральной, если она содержит хотя бы один асимметрический центр (обычно атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями).

Такие молекулы существуют в виде двух форм — энантиомеров . В химическом синтезе «в пробирке» без участия других хиральных веществ обычно образуется рацемическая смесь (50% одной формы и 50% другой), так как энергия образования обоих изомеров одинакова.

Однако в живой природе мы наблюдаем строгую избирательность:

• Все природные аминокислоты (за исключением глицина) относятся к L-ряду .
• Все природные моносахариды (например, глюкоза, рибоза) относятся к D-ряду .

Существует несколько научных гипотез, объясняющих возникновение гомохиральности на Земле. Ни одна из них не является единственно верной, но они дополняют друг друга:

1. Астрофизические факторы (нарушение симметрии Вселенной)

Есть предположение, что начальное смещение равновесия между L- и D-формами могло произойти под воздействием внешних физических факторов, нарушающих пространственную симметрию:

• Циркулярно поляризованный свет : Излучение некоторых космических объектов (пульсаров, магнетаров) может иметь круговую поляризацию. Такой свет избирательно разрушает один из энантиомеров быстрее, чем другой, оставляя преобладание второго.
• Слабое взаимодействие : Фундаментальные законы физики (слабое ядерное взаимодействие) нарушают четность (P-инвариантность). Это приводит к ничтожно малой разнице в энергии между L- и D-изомерами, которая за миллиарды лет могла усилиться.

2. Автокаталитическое усиление (эффект Франка)

Даже если первоначальное отклонение от рацемической смеси было крошечным (флуктуация), оно могло многократно усилиться благодаря автокаталитическим реакциям. Если продукт реакции катализирует собственное образование, то небольшое преимущество одной формы приводит к тому, что эта форма начинает доминировать, вытесняя другую.

3. Биологический отбор и эволюция

Это наиболее значимый фактор для современного состояния жизни. Как только в протоклетках образовались первые полимерные цепи (белки и нуклеиновые кислоты), стала критически важной структурная однородность :

• Ферментативная специфичность : Ферменты имеют активный центр строго определенной трехмерной конфигурации. Они могут связывать субстрат только тогда, когда его геометрия идеально совпадает с центром («принцип ключа и замка»). Смесь L- и D-аминокислот сделала бы невозможным создание эффективных ферментов, так как половина молекул не подходила бы по форме.
• Стабильность вторичной структуры : Белки и ДНК образуют регулярные спиральные структуры (α-спирали, двойная спираль). Эти структуры стабильны только при использовании мономеров одной хиральности. Смешивание L- и D-форм разрушило бы водородные связи и привело бы к денатурации или неспособности к репликации.

Таким образом, хиральная асимметрия природных углеводов (D-ряд) и аминокислот (L-ряд) обусловлена сочетанием случайных начальных флуктуаций (возможно, вызванных астрофизическими причинами) и последующего жесткого биологического отбора. Эволюция закрепила использование только одного типа изомеров, так как это обеспечивало высокую эффективность ферментативного катализа и структурную стабильность биополимеров.