[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出，分子手性的生物优势源于一种新型手性相互作用（CI）机制，其中手性结构——特别是蛋白质中的α-螺旋——通过与水环境中手性界面的非对称相互作用，产生单向电流。其核心贡献是一个理论模型，表明手性相互作用具有时间不可逆性和非遍历性，为生物分子中对映体纯性的进化选择提供了物理基础。

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.

研究动机与目标

• 探究生物系统为何普遍采用对映体纯分子，提出手性除了提供结构稳定性外，还具有功能优势。
• 提出一种物理机制——手性相互作用（CI）——以解释手性结构如何在生物系统中产生定向电流。
• 建立手性相互作用与时间不可逆、非遍历过程之间的联系，这些过程对生物分子的进化动力学至关重要。
• 建模α-螺旋及其与水溶剂的的手性界面在实现离子定向运动中的作用。
• 将理论上的手性相互作用与实验观测到的质子运动及蛋白质中的酶活性联系起来。

提出的方法

• 引入宏观手性装置作为分子手性系统的类比，强调几何手性与物理手性的区别。
• 将手性相互作用（CI）定义为手性结构与介质之间界面处存在物理手性的过程。
• 模拟手性α-螺旋与水合层手性环境之间的相互作用，重点关注水中的随机离子运动。
• 提出CI由于非对称耦合，可导致沿螺旋单向流动的净电流。
• 以手性相互作用的非遍历性为基础，建立其作为不可逆生物过程的物理基础。
• 引用Careri等人实验数据，将水合层中质子迁移性与酶活性关联，以支持该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制可解释分子手性在结构稳定性之外的生物优势？
• RQ2 手性结构如何在生物环境中产生定向电流？
• RQ3 手性相互作用的时间不可逆性和非遍历性为何对生物分子进化具有重要意义？
• RQ4 蛋白质与溶剂之间的手性界面在实现手性相互作用中起什么作用？
• RQ5 水合层中质子运动与酶活性之间的观测相关性如何与手性相互作用关联？

主要发现

• 提出手性相互作用（CI）是一种物理机制，由于与手性界面的非对称耦合，可在α-螺旋等手性结构中产生单向电流。
• 手性相互作用的时间不可逆性和非遍历性被识别为生物分子进化过程中不可逆过程的必要条件。
• 该模型解释了水合层中溶剂的随机离子运动如何被手性结构定向偏置，从而导致净电流流动。
• 理论分析表明，界面处的物理手性是手性相互作用的关键，使其区别于单纯的几何手性。
• Careri等人实验结果表明，水合层中自由质子运动与酶活性之间存在关联，被解释为手性相互作用的有力证据。
• 该模型为生物大分子中对映体纯性的进化选择提供了物理基础，表明其并非随机产物，而是一种功能性适应。