[논문 리뷰] On the Biological Advantage of Chirality

G. Gilat|ArXiv.org|1999. 11. 18.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분자의 비대칭성의 생물학적 이점이 수용액 환경에서 비대칭적인 상호작용을 통해 비대칭성의 구조—특히 단백질 내 α-나선—이 일방향 전류를 생성하는 새로운 비대칭 상호작용(CI) 메커니즘에 있음을 제안한다. 주요 기여는 비대칭 상호작용이 시간에 따라 역행 불가능하고 비-에르고딕적임을 보여주는 이론적 모델을 제공하여 생물분자의 동일비대칭성의 진화적 선택에 물리적 근거를 제공한다는 데 있다.

ABSTRACT

The presence of chirality in the main molecules of life may well be not just a structural artifact, but of pure biological advantage. The possibility of the existence of a phenomenon of a special mode of interaction, labeled as "chiral interaction" (CI), for which structural chirality is a necessary condition, is the main reason for such an advantage. In order to demonstrate such a possibility, macroscopic chiral devices are introduced and presented as analogies for such an interaction. For this purpose it is important to make a clear distinction between geometric and physical chiralities, where the latter are capable to perform chiral interactions with various media. Apart from chirality, a few other structural elements are required. In particular, the presence of an interface that separates between the chiral device and the medium with which it is interacting. The physical chirality is build into this very interface where chiral interaction is taking place. On a molecular level, soluble proteins in particular, the active medium is the presence of random ionic motion in the aqueous solvent. As a result of chiral interaction a certain perturbation, or current, is generated and flowing along the coils of $ α$-helix structure in one preferred direction out of two possible ones. A model for such a chiral interaction is presented and a few significant consequences are pointed out. In particular, it is important to emphasize the time-irreversible feature of chiral interaction, which leads to its non-ergodic nature that is to be considered a necessary condition for evolutionary processes in biomolecules. There exists an experimental result by Careri et al. who found a clear linkage between the free protonic motion in the hydration layer of protein s and their enzymatic activity.

연구 동기 및 목표

• 생물 시스템이 보편적으로 동일비대칭 분자를 사용하는 이유를 조사하며, 비대칭성이 구조적 안정성 이상의 功能적 이점을 제공할 수 있음을 제안한다.
• 비대칭성의 구조가 생물계에서 일방향 전류를 생성할 수 있는 물리적 메커니즘—비대칭 상호작용(CI)—을 제안한다.
• 비대칭 상호작용과 시간에 따라 역행 불가능하고 비-에르고딕인 과정 사이의 연결 고리를 확립하여 생물분자의 진화적 역학에 필수적임을 밝힌다.
• α-나선과 수화층의 비대칭성 표면 간의 상호작용이 이온의 방향성 운동을 가능하게 하는 역할을 모델링한다.
• 이론적 비대칭 상호작용을 실험 관찰인 단백질 내 수소이온 이동과 효소 활성도와 연결한다.

제안 방법

• 기하학적 비대칭성과 물리적 비대칭성의 역할을 강조하며 분자의 비대칭 시스템에 대한 매크로스코픽 비대칭 장치를 유사물로 도입한다.
• 비대칭 상호작용(CI)을 비대칭 구조와 매질 사이의 인터페이스에서 물리적 비대칭성이 요구되는 과정으로 정의한다.
• 비대칭 α-나선과 수화층의 비대칭 환경 간의 상호작용을 모델링하며, 물속에서의 무작위 이온 운동에 초점을 맞춘다.
• CI가 비대칭 결합으로 인해 나선의 한 방향으로만 네트워크 전류가 유도됨을 제안한다.
• 비대칭 상호작용의 비-에르고딕 성격을 바탕으로 생물학적 과정의 비가역성을 설명한다.
• Careri 등이 보고한 실험 데이터를 활용하여 수화층 내 자유 수소이온 이동과 효소 활성도 사이의 연관성을 비대칭 상호작용 모델의 지원 근거로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭성이 구조적 안정성 이외의 생물학적 이점을 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 비대칭 구조는 생물 환경에서 어떻게 일방향 전류를 생성할 수 있는가?
• RQ3 비대칭 상호작용의 시간에 따라 역행 불가능하고 비-에르고딕인 성격이 생물분자의 진화에 중요한 이유는 무엇인가?
• RQ4 단백질과 용매 사이의 비대칭 인터페이스는 비대칭 상호작용을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 수화층 내 수소이온 운동과 효소 활성도 사이의 관측된 상관관계는 비대칭 상호작용과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 비대칭 상호작용(CI)은 비대칭 인터페이스와의 비대칭 결합으로 인해 α-나선 같은 비대칭 구조에서 일방향 전류를 생성하는 물리적 메커니즘으로 제안된다.
• 비대칭 상호작용의 시간에 따라 역행 불가능하고 비-에르고딕인 성격은 생물분자의 진화 과정에 필수적인 조건으로 확인된다.
• 이론적 분석을 통해 수화층 내 수용액 매질에서의 무작위 이온 운동이 비대칭 구조에 의해 방향성 있게 편향되어 순전류가 흐를 수 있음을 설명한다.
• 이론적 분석은 비대칭 상호작용에 있어 인터페이스에서의 물리적 비대칭성이 필수적임을 보여주며, 순수 기하학적 비대칭성과의 차이를 명확히 한다.
• Careri 등이 보고한 실험 결과—수화층 내 자유 수소이온 이동과 효소 활성도 사이의 연관성—은 비대칭 상호작용의 증거로 해석된다.
• 모델은 생물고분자에서 동일비대칭성의 진화적 선택에 물리적 근거를 제공하며, 이것이 우연의 산물이 아니라 기능적 적응임을 시사한다.