جزيئات المرآة / سارة إيفرتس

تفضل كيمياء الحياة دائمًا الأحماض الأمينية "العسراء". لماذا إذن يوجد الكثير من الاستثناءات في الطبيعة؟

إذا حاولت إزعاج بطة مسطحة القدم (خلد الماء) في موسم الحر، فقد تجد أن قوائمها الخلفية السميكة والخرقاء ملفوفة حولك وتهددك سلسلة من المهمازات السامة الحادة. يعمل سم اللدغة المؤلم على إبعاد الذكور المتنافسين، كما أنه مفيد جدًا كوسيلة للدفاع ضد البشر والكلاب المزعجة. لكن التركيب الكيميائي للسم غير عادي إلى حد ما، كما هو متوقع من مثل هذا الحيوان الثديي الأسترالي الغريب الذي يبيض ومنقار البط. يحتوي سم البط على سلسلة من الجزيئات التي اعتقد علماء الأحياء سابقًا أنها موجودة في الطبيعة فقط في عالم البكتيريا المجهري.

هذه الجزيئات هي صور مرآة للأحماض الأمينية، وهي الجزيئات التي تنسجها خلايا الجسم لجميع الكائنات الحية معًا لتكوين البروتينات الأساسية لعملها السليم. تتكون هذه الصور المرآة الجزيئية من نفس الذرات التي تشكل حوالي 20 من الأحماض الأمينية "القياسية" التي تملأ صندوق أدوات علم الأحياء. والأكثر من ذلك، أن هذه الذرات متصلة ببعضها البعض بنفس الترتيب تمامًا. ومع ذلك، فإن الاتجاه المكاني للروابط يختلف قليلاً، لذا تختلف هذه الجزيئات عن جزيئات الأحماض الأمينية الكلاسيكية بنفس الطريقة التي تختلف بها راحة يدنا اليسرى عن راحة يدنا اليمنى. ومع ذلك، في التفاعلات البيوكيميائية، من المستحيل التبديل بين الأشكال. نظرا للمقارنة مع النخيل، تسمى الأحماض الأمينية الكلاسيكية "أعسر"، في حين أن صورها المرآة تسمى "أعسر". [يطلق الكيميائيون على هذه الخاصية الهندسية اسم "اللامركزية"، والتي تأتي من كلمة "يد" في اليونانية - المحررون.]

في الماضي، كان يُعتقد أن الأحماض الأمينية اليمنى تلعب دورًا ضئيلًا في الكيمياء الحيوية للحيوانات الأرضية لأنها لا ينبغي أن تتناسب مع الآلية الجزيئية لمعظم النباتات والحيوانات، وبالتالي لا ينبغي أن تعمل فيها. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، ظهرت الأحماض الأمينية النشطة بيولوجيًا في جميع أنواع الأماكن غير المتوقعة، بدءًا من المواد التي ينتجها الكركند لبدء الجماع، وانتهاءً بعقار الهلوسة الذي يستخدمه الصيادون الأصليون في بيرو. والأكثر إثارة للاهتمام هو أن الأحماض الأمينية اليمنى تؤدي أيضًا مهامًا مهمة في فسيولوجيا الإنسان، وتحمل وعدًا مثيرًا لتطوير علاجات جديدة، بما في ذلك علاجات التليف الكيسي والفصام والضمور البقعي لشبكية العين.

ويقول سولومون شنايدر، عالم الأعصاب في جامعة جونز هوبكنز، والذي أجرى معظم الدراسات الأولى التي تناولت وظيفة الأحماض الأمينية اليمنى في الدماغ، إنه واجه الكثير من المقاومة عندما حاول نشر مقالاته الأولى حول هذا الموضوع. . لقد وجد هذه المواد رائعة على وجه التحديد لأنها بدت وكأنها "تخالف القانون الأول لبيولوجيا الثدييات"، على حد تعبيره. "كما يحدث في معظم الحالات في العلم، عندما يتم اكتشاف شيء جديد أو مختلف حقًا، سيكون هناك من سيقول: "هذا أمر مثير للسخرية"."

ولكن اتضح أنه من وجهة نظر كيميائية حيوية، فإن بعض الخطوات البسيطة تكفي لتحويل الحمض الأميني الأيسر إلى صورته في المرآة. وهكذا يبدو من المحتم أن يقوم التطور بتجربة إنتاج الأحماض الأمينية اليمنى. يقول ريتشارد لوسيك، عالم الأحياء الخلوي في كلية الطب بجامعة هارفارد: "لقد كانت الطبيعة ذكية بما يكفي لاستخدامها طوال هذه السنوات". "لقد فات الأوان لندرك ذلك."

خلل مفيد

كيف حدث أن الأحماض الأمينية ذات اليد اليسرى استحوذت على أخواتها اليمنى، لدرجة أن أدوارها البيولوجية أفلتت من الاهتمام الواجب على الرغم من أنها تم تمييزها بالفعل في أواخر القرن التاسع عشر؟ يدعي بعض العلماء أن ميزة الأحماض الأمينية ذات اليد اليسرى ترجع إلى حدث كوني يعادل رمي العملة المعدنية. أول كيانات كيميائية قادرة على تكرار نفسها بنجاح حدث أنها استخدمت الأحماض الأمينية ذات اليد اليسرى، وقد تم إصلاح هذا التحيز، كما يقترح روبرت هازن، عالم الجيوفيزياء والباحث في الحياة المبكرة في جامعة جورج ماسون. تفترض نظرية شائعة أخرى أن الضوء المستقطب المنبعث من نجم يدور بسرعة في مجرتنا المبكرة دمر المزيد من الأحماض الأمينية اليمنى بطريقة انتقائية، وبالتالي حسن فرص الأحماض الأمينية اليسرى في العمل كوحدات بناء للحياة. ويشار إلى كلا النموذجين أيضًا باسم الأحماض الأمينية L والأحماض الأمينية D. تأتي العلامة من الكلمات اللاتينية laevus (يسار) و أيمن(يمين).

منذ أن تم هذا الاختيار، فقد شجع التطور على إدامة الأحماض الأمينية السائدة، كما يوضح جيرالد جويس، الباحث في بداية الحياة في معهد سكريبس للأبحاث في لا إيولا، كاليفورنيا، "بطريقة مشابهة للطريقة التي يتم بها التحية إن السلام المقبول في الثقافة الغربية تم إنشاؤه عن طريق المصافحة باليد اليمنى." ستعمل التحية بطريقة مماثلة إذا اتفقنا جميعًا على مصافحة اليد اليسرى، ولكن بدون أن تكون طريقة مقبولة لكانت حدثت العديد من اللقاءات المحرجة. وهكذا فإن معظم آليات الخلايا الحية، بدءًا من الإنزيمات التي تنتج الأحماض الأمينية وانتهاءً بالهياكل المعقدة المعروفة باسم الريبوسومات - التي تربط الأحماض الأمينية معًا وتشكل البروتينات - تتكيف لتعمل مع الأحماض الأمينية اليسرى وليس معها. نظرائهم من ذوي اليد اليمنى.

في الواقع، هذا القرار المبكر للحياة بتفضيل الأحماض الأمينية ذات اليد اليسرى أثر أيضًا على عدم انطباقية سلسلة أخرى من المركبات العضوية: الكربوهيدرات. وفي السنوات العشر الأخيرة، أجرت العديد من المجموعات البحثية تجارب مع حلول تحاكي "الحساء البدائي"، الذي ربما كان موجودا على الأرض قبل حوالي أربعة مليارات سنة. لقد اكتشفوا أنه إذا كان هناك فائض من بعض الأحماض الأمينية البسيطة اليسرى في هذه المحاليل، فإنها تسبب، لأسباب كيميائية معقدة، تفضيلًا لتكوين الكربوهيدرات اليمنى، وهو تفضيل مراوان صالح بالفعل في جميع أنحاء العالم البيولوجي. .

لم تحظ الجزيئات التي تنتهك قاعدة الأحماض الأمينية اليسرى في الطبيعة باهتمام واسع النطاق إلا في تسعينيات القرن العشرين، بعد أن أظهر شنايدر أن بعض المركبات الأمينية ذات اليد اليمنى تعمل كنواقل عصبية في الدماغ البشري. في عام 90، قرر الكيميائي فيليب كوشيل من جامعة سيدني أن سم البط يحتوي على أحماض أمينية يمنى. في عام 20، أفاد باحثون في جامعة هارفارد ومعهد هوارد هيوز الطبي أن العديد من الأحماض الأمينية اليمنى لها أدوار غير معروفة وغير متوقعة في جدار الخلية البكتيرية. في عام 2002، اكتشف الباحثون أن مستعمرات البكتيريا المعقدة التي تنتشر في طبقات رقيقة على الأسطح، من الينابيع الساخنة إلى المعدات الطبية، تستخدم على ما يبدو الأحماض الأمينية اليمنى كإشارة تبشر بتقاعد الطبقة البيولوجية.

في البشر وجد أن الحمض الأميني D-aspartate يعمل كناقل عصبي يشارك في التطور الطبيعي للدماغ. بالإضافة إلى ذلك، يعمل الحمض الأميني D-serine مع الحمض الأميني L-glutamate الأيسر لتنشيط جزيئات الأعصاب الضرورية لعملية يسميها علماء الأعصاب اللدونة التشابكية، والتي بدورها ضرورية للتعلم وإنشاء الذكريات. يبدو أيضًا أن السيرين الأيمن يلعب دورًا مهمًا في الاضطراب العقلي متعدد الأوجه الفصام. يعاني المصابون بهذا المرض من نقص شديد في مادة D-serine في الدماغ، وهو اكتشاف دفع العديد من شركات الأدوية إلى البحث عن طرق لزيادة مستويات D-serine. ومع ذلك، فإن زيادة السيرين الصحيح قد تسبب مشاكل في ظروف أخرى. يمكن أن يؤدي التركيز العالي جدًا إلى زيادة تلف الدماغ بعد السكتة الدماغية. ولذلك يحاول الباحثون تطوير أدوية من شأنها خفض مستويات السيرين الصحيحة للتخفيف من الآثار الضارة للسكتة الدماغية.

تنتج مصانعنا الخلوية فقط الأحماض الأمينية ذات اليد اليسرى. وتساءل الباحثون كيف إذن تحتوي أجسامنا في النهاية على أحماض أمينية يمنى. اكتشف شنايدر أن خلايا الدماغ لا تبني جزيئات السيرين اليمنى من الصفر. في الواقع، فهي تنتج إنزيمًا يغير انطباقية الحمض الأميني سيرين من الشكل L إلى الشكل D. وهذه طريقة ذكية للاستفادة من المستويات العالية من الأحماض الأمينية اليسرى الموجودة بالفعل في الخلية. .

يستخدم علم الأحياء أيضًا نفس الطريقة عندما تكون الأحماض الأمينية اليمنى جزءًا من الببتيد، وهو سلسلة قصيرة من الأحماض الأمينية، مثل تلك الموجودة في سم البط. في مثل هذه الحالات، تقوم آلية الريبوسوم الموثوقة ببناء الببتيد كالمعتاد، من الأحماض الأمينية اليسرى. ثم يقوم إنزيم بتنشيط بنية أحد الأحماض الأمينية الموجودة في الببتيد ويغيرها من الشكل L إلى الشكل D. "تلتقط الطبيعة" آلية إنتاج الأحماض الأمينية اليسرى وربطها ببعضها البعض، لذلك ليس من الضروري تطوير نظام كامل من الإنزيمات التخليقية الحيوية، التي كانت ضرورية. كان من الضروري بناء الجزيئات اليمنى من الألف إلى الياء، كما يوضح غونتر كريل، الكيميائي في الأكاديمية النمساوية للعلوم في فيينا، الذي اكتشف في 2005 الإنزيم الذي يصنع الأحماض الأمينية اليمنى الموجودة في سم ضفادع الأشجار السامة في أمريكا الجنوبية.

أصبح كريل مهتمًا بالموضوع بعد أن سمع لأول مرة عن السكان الأصليين في بيرو، الذين يُطلق عليهم اسم ماتس، والذين يستخدمون عقاقير الهلوسة القوية في طقوس الصيد الخاصة بهم. تحتوي الأدوية على الببتيدات الموجودة في جلد ضفادع الأشجار Phyllomedusa bicolor والتي تشمل الأحماض الأمينية اليمنى. يحرق أفراد عائلة ماتس جلد صدورهم ثم يطبقون مستخلص جلد الضفدع على الحروق. ويسبب لهم الدواء على الفور إسهالاً وخفقانًا في القلب، ثم يصيبهم بالإغماء. يستيقظون بحواس حادة للغاية وشعور بأن لديهم قوة خارقة. يقول كريل إن الببتيد الذي تنتجه الضفادع يتكون بالكامل تقريبًا من الأحماض الأمينية اليسرى، ولكن بدون الحمض الأميني الوحيد الذي يحتوي عليه، فإن الدواء لا يسبب الهلوسة على الإطلاق، كما يقول كريل.

عالم الظلال

على الرغم من أن الأحماض الأمينية اليمنى تظهر في السموم في مجموعة واسعة من الكائنات الحية، إلا أن هناك أيضًا بعضًا منها يكون لهذه الجزيئات فيها غرض أكثر سلمية. على سبيل المثال، يستخدم جراد البحر الأحماض الأمينية اليمنى لتحفيز حياتهم الجنسية والحفاظ على مستويات الملح الطبيعية في أجسامهم.

ومع ذلك، فإن أكثر مستخدمي الأحماض الأمينية اليمنى لا يزالون كائنات وحيدة الخلية، وهنا أيضًا يكتشف الباحثون أدوارًا جديدة لهذه الجزيئات. تقوم معظم البكتيريا ببناء جدارها الخلوي من مادة تجمع بين السكريات والبروتينات تسمى الببتيدوغليكان وتحتوي على D-alanine وأحماض أمينية أخرى. في عام 2009، اكتشف ماثيو والدور من جامعة هارفارد ومركز هوارد هيوز الطبي أن البكتيريا تقوي الببتيدوغليكان باستخدام "أسمنت" يحتوي على دي ميثيونين ود-ليوسين. يمكن لهذه الأحماض الأمينية اليمنى أيضًا تغيير بنية الببتيدوغليكان في البكتيريا المجاورة، وحتى في الأنواع المختلفة. ويشير الاكتشاف إلى أن البكتيريا قد تكون قادرة على استخدام هذه الجزيئات لتنسيق الأنشطة متعددة الخلايا مثل تشغيل التألق وبناء لوحة بكتيرية، كما يقول والدور. إن فهم الطريقة التي تتواصل بها البكتيريا مع بعضها البعض من خلال الأحماض الأمينية اليمنى يجذب انتباه المهتمين بتطوير أدوية أو منتجات تعمل على تحطيم الطبقات البكتيرية الموجودة على أسناننا، وفي رئتي مرضى التليف الكيسي، وفي أنابيب الوقود وفي المعدات الطبية مثل القسطرة.

أحد أسباب استخدام البكتيريا والحيوانات السامة للأحماض الأمينية اليمنى هو أن وجود مثل هذه الأحماض في الببتيد، أو البروتين الأكبر، يجعل من الصعب على إنزيمات المضيف أو العدو تفكيكها. تحتوي جميع الحيوانات على إنزيمات تسمى البروتياز، وتتمثل مهمتها في تحطيم البروتينات المبنية من الأحماض الأمينية التي تستخدم اليد اليسرى وليس اليمنى. في الواقع، حاول مطورو الأدوية إضافة الأحماض الأمينية اليمنى إلى البروتينات والببتيدات الطبية لتجنب التأثيرات الكاسحة للبروتياز والبقاء على قيد الحياة لفترة أطول في الجسم.

الآن، بينما يستكشف الباحثون العالم الجديد الغريب للأحماض الأمينية اليمنى، فإنهم يبحثون عن أدوار أخرى قد تلعبها هذه الجزيئات. يفترض لوسيك وآخرون، على سبيل المثال، أن بعضًا على الأقل من الأحماض الأمينية اليمنى التي تنتجها تريليونات من الخلايا البكتيرية الموجودة على جلدنا، وفي أمعائنا، وفي مناطق أخرى من الجسم، قد يكون لها تأثير مهم على صحتنا. - صحتنا وربما حتى سلوكنا.

أحد الأسئلة الكبيرة التي تشغل الباحثين في مجال الأحماض الأمينية الذين يستخدمون اليد اليمنى حاليًا هو ما إذا كان هناك عضو آخر، باستثناء الدماغ، ينتج هذه الجزيئات بشكل فعال. وتشير النتائج الأولية إلى أن هذا هو الحال. أبلغت مجموعة أبحاث يوكو ناجاتا من جامعة نيهون في طوكيو عن وجود أحماض أمينية يمنى في اللعاب البشري. لاحظ الباحثون بقيادة كينجي هاماسي من جامعة كيوشو في اليابان تركيزات عالية من D-ألانين في خلايا بيتا التي تفرز الأنسولين في بنكرياس الفئران. إضافة إلى ذلك، وفي تجارب أولية أجريت مؤخرا في مختبر كوشيل في أستراليا، وجد في قلوب الفئران والبشر إنزيمات تحول الأحماض الأمينية العسراء إلى أحماض أمينية يمينية، على غرار الإنزيمات الموجودة في سم البط.

ومع ذلك، فإن الدور الدقيق الذي تلعبه هذه الإنزيمات في فسيولوجيا الإنسان هو "لغز كامل"، وفقًا لكوشيل. لكن على الأقل فكرة أنهم يلعبون أدوارًا مهمة لم تعد تبدو سخيفة.

_____________________________________________________________________________

باختصار

الأحماض الأمينية، اللبنات الأساسية للبروتينات، لها شكلان، مثل راحة أيدينا، هما صورتان متطابقتان لبعضهما البعض. عندما بدأت الحياة على الأرض، فضلوا الأحماض الأمينية "العسراء" على الأحماض الأمينية "اليمنية" للقيام بالأنشطة في الخلايا.

لفترة طويلة تم العثور على الاستثناءات الوحيدة في البكتيريا. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، تم العثور على المزيد والمزيد من الأمثلة على ذلك في الحيوانات الأرضية، بما في ذلك البشر.

يبحث الباحثون في مجال الطب الحيوي عن تطبيقات لهذه الأحماض الأمينية الغريبة لعلاج أمراض مثل الفصام والتليف الكيسي وتنكس الشبكية.

على دفتر الملاحظات

سارة إيفرتس، ولدت في مونتريال، هي مراسلة برلين للمجلة الأسبوعية لأخبار الكيمياء والهندسة. وهي تدير أيضًا مدونة حول الفن والعلوم تسمى Artful Science.

الائتمان: جين كريستيانسن

والمزيد حول هذا الموضوع

الكون الجديد الماهر: التماثل وعدم التماثل من انعكاسات المرآة إلى الأوتار الفائقة. الطبعة الثالثة المنقحة. مارتن جاردنر. دوفر، 2005.

جرعة عالية من د-سيرين في علاج الفصام. جوشوا كانترويتز وآخرون. في بحوث الفصام، المجلد. 121، لا. 1، الصفحات 125-130؛ أغسطس 2010.

الأحماض الأمينية د في الكيمياء وعلوم الحياة والتكنولوجيا الحيوية. حرره هانز بروكنر ونوريكو فوجي. وايلي، 2011.

المعرفة الناشئة للأدوار التنظيمية للأحماض الأمينية د في البكتيريا. فيليبي كافا وآخرون. في علوم الحياة الجزيئية والخلوية، المجلد. 68، لا. 5، الصفحات 817-831؛ مارس 2011. www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3037491

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• ماذا تفعل هناك في الجامعة - الفصل التاسع الذي يتناول اللامركزية
• نهج جديد لتطوير الأدوية
• هل ينشأ عدم تناسق الجزيئات البيولوجية في الفضاء؟