Полтора века назад великий Пастер обратил внимание на то, что живая природа построена из неодинакового количества «левых» и «правых» молекул, отличающихся по оптическим свойствам и, следовательно, по своим структурам, связанным с симметрией. Правые молекулы в условном плоском зеркале выглядят левыми, и - наоборот. Как и отражения рук. Вследствие чего, данное явление нарушения симметрии названо «хиральностью» (χειρ = греч. рука). Так, все аминокислоты в белках – левые (L), все сахара, в т.ч. рибоза и дезоксирибоза в нуклеиновых кислотах, – правые (D), липиды в мембранах клеток – левые и т.д.
Все годы исследователей занимал вопрос, каким образом произошло подобное нарушение симметрии на заре возникновения Жизни на Земле. Вразумительного ответа до сих пор нет. Нас же заинтересовал вопрос, что было причиной, «биологическим смыслом» эволюционно закрепления такого выбора в основе всего живого. А именно – хиральных соединений, основанных на углероде, тогда как можно представить себе систему углеродных соединений, нехиральных по своей природе, в которых молекулы и их зеркальные отображения совпадают.
Сотрудникам кафедры биофизики удалось выявить и обосновать общую природную закономерность, свойственную гомохиральным системам (сообществам молекул одного знака хиральности): их способность самопроизвольно формировать структурные иерархии с чередующимся знаком хиральности, т.е. с чередой нарушений симметрии. Это свойство установлено нами для полимерных молекул искусственного происхождения, а также для всех важнейших биологических макромолекул. Так, обнаружена новая общая молекулярно-биологическая закономерность: начиная с уровня асимметричного углерода (D или L) в дезоксирибозе и аминокислотах, прослежена тенденция чередования знака хиральности внутримолекулярных структурных уровней D-L-D-L для ДНК и L-D-L-D для белков. Конкретными высшими хиральными конструкциями выступают спиральные и суперспиральные структуры в молекулах белков и нуклеиновых кислот.
Знакопеременная хиральная иерархичность сопряженных уровней структур в макромолекулах обуславливает дискретность этих уровней, служит инструментом пространственной самоорганизации (уникальной самосборки - фолдинга), структурной основой «выделенных механических» степеней свободы в конструкциях биологических макромолекулярных машин.
Физическая теория этого молекулярно-биологического явления, как и работы молекулярных машин, хиральных по своей природе, только-только создаётся и ждёт молодых и пытливых исследователей. Работы – бездна!
В.А. Твердислов, Е.В. Малышко О закономерностях спонтанного формирования структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой природы // УФН, апрель 2019, том 189, №4, 375 – 385 с. [URL] [DOI]