[論文レビュー] On the Biological Advantage of Chirality

G. Gilat|ArXiv.org|Nov 18, 1999

Origins and Evolution of Life参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、分子のキラル性の生物学的利点が、キラル構造（特にタンパク質中のαヘリックス）が水環境におけるキラル界面と非対称に相互作用することで生じる一方向性の電流を生成する、新しいキラル相互作用（CI）メカニズムに帰属されるべきであると提唱する。主な貢献は、キラル相互作用が時間的に可逆ではなく、非エルゴディックであることを示す理論的モデルであり、これが生物分子におけるホモキラル性の進化的選択の物理的根拠を提供する。

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.

研究の動機と目的

• 生物学的系が普遍的にホモキラル分子を用いる理由を調査し、キラル性が構造的安定性を越えた機能的利点をもたらす可能性を示唆する。
• キラル構造が生物系で一方向性電流を生成できる物理的メカニズム（キラル相互作用（CI））を提唱する。
• キラル相互作用と時間的に可逆でなく、非エルゴディックなプロセスとの関連を確立し、生物分子における進化的ダイナミクスに不可欠であることを示す。
• αヘリックスとその水和層とのキラル界面が、イオンの方向性運動を可能にする役割をモデル化する。
• 理論的キラル相互作用と、タンパク質におけるプロトン移動および酵素活性の実験的観察を結びつける。

提案手法

• 幾何的キラル性と物理的キラル性の違いに注目し、分子キラル系のアナロジーとしてマクロなキラルデバイスを導入する。
• キラル構造と媒体の界面に物理的キラル性が存在する場合にのみ成立するキラル相互作用（CI）を定義する。
• キラルなαヘリックスと水和層のキラル環境との相互作用をモデル化し、水中のランダムなイオン運動に注目する。
• CIが非対称結合に起因して、ヘリックスに一方向にのみ流れるネット電流を生成すると提唱する。
• キラル相互作用の非エルゴディック性を、不可逆な生物学的プロセスの基盤とする。
• Careriらの実験データ（水和層内での自由なプロトン移動と酵素活性の相関）を援用し、モデルを支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的安定性を越えて分子キラル性の生物学的利点を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 キラル構造はどのように生物環境で一方向性電流を生成できるのか？
• RQ3 キラル相互作用の時間的に可逆でなく、非エルゴディックな性質が生物分子進化においてなぜ重要なのか？
• RQ4 タンパク質と溶媒の間のキラル界面は、キラル相互作用を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ5 水和層内でのプロトン移動と酵素活性の観察された相関は、キラル相互作用とどのように関連するか？

主な発見

• キラル相互作用（CI）は、キラル界面との非対称結合に起因し、αヘリックスのようなキラル構造で一方向性電流を生成する物理的メカニズムであると提唱される。
• キラル相互作用の時間的に可逆ではなく、非エルゴディックな性質が、生物分子における進化的プロセスに不可欠な条件であると特定された。
• モデルは、水和層の溶媒内でのランダムなイオン運動が、キラル構造によって方向性に偏らされ、結果としてネット電流が発生することを説明できる。
• 理論的分析により、界面における物理的キラル性がキラル相互作用に不可欠であり、単なる幾何的キラル性とは区別されることが示された。
• Careri らの実験結果（水和層内での自由プロトン移動と酵素活性の相関）は、キラル相互作用の裏付けとなる証拠として解釈された。
• 本モデルは、生物高分子におけるホモキラル性の進化的選択に物理的根拠を提供し、偶然の産物ではなく機能的適応であると示唆する。