自然界大分子同手性現(xiàn)象的熱力學起源

徐昕

復旦大學化學系，上海 200433

蛋白質(zhì)與DNA同手性模型及其協(xié)同效應和靜電相互作用特征。

同手性(Homochirality)現(xiàn)象是指同一分子中所有手性中心均具有相同的手性，是自然界大分子體系如蛋白質(zhì)和DNA最矚目的特征之一。例如，20種氨基酸除甘胺酸沒有手性之外，其他都是L型氨基酸，而DNA結構中脫氧核糖都是D型手性。關于自然界同手性的起源學說眾多1–5，但至今沒有定論。

最近，美國北卡羅萊納大學劉述斌提出，同手性現(xiàn)象起源于普遍存在于自然界大分子中的螺旋結構6。眾所周知，DNA采用雙螺旋結構形式，而蛋白質(zhì)二級結構中廣泛存在α-螺旋或者310-螺旋結構，而且這些螺旋結構都是右旋的。這些右旋的螺旋結構決定了蛋白質(zhì)體系中氨基酸L型同手性結構最穩(wěn)定，而在脫氧核糖體系中D型同手性結構最穩(wěn)定。

為此，作者搭建了若干模型予以證明。(i)用6個同L型或者同D型的丙氨酸殘基分別搭建4個二級結構：α螺旋結構，310螺旋結構以及兩種β片層結構，只有兩種螺旋結構的同L型和同D型結構之間表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定性差，而且以同L型手性結構更穩(wěn)定；(ii)分別用其他9種氨基酸搭建同手性α和310螺旋結構，結果一樣，都是L型同手性結構更穩(wěn)定；(iii)以丙氨酸為例分別搭建6殘基α或者310螺旋結構且每個Cα手性分別取L或者D型，共得到26=64個混合手性體系，結果表明，混合手性體系穩(wěn)定性均比同手性體系差，且以L型同手性結構最穩(wěn)定；(iv)對DNA體系，用異丙基和二甲胺作為堿基替代物搭建不同長度的單螺旋結構，均以同D型手性核糖結構最穩(wěn)定；(v)以6單元長度和異丙基為堿基替代物，搭建64個混合手性DNA單螺旋結構，結果表明，混合手性體系穩(wěn)定性均比同手性體系差，且以D型同手性核糖結構最穩(wěn)定。

此外，為了深入理解同手性現(xiàn)象起源，作者對所有體系進行了能量分解分析7，結果表明，相對于混合手性體系，同手性體系中存在更強的靜電相互作用，穩(wěn)定性和靜電相互作用之間存在強烈的正相關。同時，作者發(fā)現(xiàn)，同手性體系中存在明顯的協(xié)同效應8–10。

最后，作者將本文結論進行推廣，提出了“手性等級原理”(Principle of Chirality Hierarchy)，認為三維手性決定二維手性，二維手性決定一位手性，以此類推。螺旋結構為一維手性，而分子手性中心是零維，所以自然界大分子同手性現(xiàn)象只是上述手性等級原理的表現(xiàn)之一。

上述研究工作近期在Journal of Physical Chemistry Letters上發(fā)表6。此項工作不僅為理解自然界大分子同手性的起源提供了堅實的熱力學基礎，而且“手性等級原理”的提出將為不對稱合成(asymmetric synthesis)和大分子組裝(macromolecular assembly)等領域的發(fā)展提供理論指導和新的思路。