Итак, у аланина есть хиральность, а значит, он может существовать в виде двух стереоизомеров. Это относится и ко многим другим биологически активным веществам. Как правило, стереоизомеры не отличаются друг от друга по «обычным» химическим свойствам, но совершенно по-разному взаимодействуют с активными центрами ферментов. Если фермент рассчитан на «правый» стереоизомер, то «левый» стереоизомер не будет взаимодействовать с ним вовсе, и наоборот. Понять это нетрудно, если вспомнить, что самое простое и наглядное представление о работе фермента называется «моделью ключа и замка» (см. главу 3). Ключ, отлитый в зеркально-симметричном исполнении, вряд ли войдет в замок и уж тем более вряд ли поможет его открыть. Вот именно такая ситуация и возникнет, если активный центр фермента соединится не с тем стереоизомером.
Неудивительно, что стереоизомеры одного и того же вещества, как правило, резко различаются по биологической активности. Одна форма аланина («левая») входит в состав белков, другая («правая») — никогда.
То же самое можно сказать и о других аминокислотах, из которых состоят белки. Как мы знаем, эти аминокислоты для краткости называют протеиногенными (см. главу 3). В любой протеиногенной аминокислоте есть альфа-атом углерода, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и некая боковая цепочка. Этот атом — асимметрический. А значит, такая аминокислота имеет два зеркальных изомера. И в состав белков всегда входит только один из них — «левый». Единственное исключение — глицин, боковая цепочка которого представляет собой просто атом водорода. У него стереоизомерии нет.
Стереоизомерия, влияющая на биологическую активность, есть не только у аминокислот. Например, если взять тот же аланин и заменить в нем аминогруппу на гидроксильную группу, получится молочная кислота (CH3−CH(OH)−COOH). У молочной кислоты тоже есть «правый» и «левый» стереоизомеры, которые участвуют в биохимических процессах по-разному.
Этот правый, левый мир
В биохимии принято приписывать стереоизомерам «правизну» или «левизну» по их отношению к свету. Именно поэтому стереоизомерию часто называют оптической изомерией (это не строгие синонимы, но в тех случаях, которые нас сейчас интересуют, разницы между ними нет). Чтобы понять, в чем тут дело, нам потребуется буквально щепотка знаний из физики.
Что такое свет? В XVII веке великий голландский физик Христиан Гюйгенс первым догадался: свет — это волна. Тут он был совершенно прав. Правда, в современной физике свет рассматривается и как поток частиц, но на описание интересующих нас сейчас процессов это не влияет. Итак, свет — это волна. Волны бывают продольными или поперечными, и Гюйгенс решил, что световые волны относятся к продольным. Грубо говоря, продольная волна — это последовательность сжатий и разрежений, чередующихся вдоль той оси, по которой волна идет. Так устроены, например, звуковые волны. Для Гюйгенса было вполне естественно предположить, что световая волна подобна звуковой.
Однако волновая теория Гюйгенса объясняла далеко не все световые явления. Настоящую революцию в оптике совершил французский физик Огюстен Жан Френель, сделавший одну очень важную поправку к теории Гюйгенса: свет — не продольная волна, а поперечная. В отличие от продольной волны, в поперечной волне колебания идут перпендикулярно линии ее распространения. Такова, например, самая обычная волна на поверхности воды, состоящая из бегущих гребней и впадин. В световой волне колебания устроены так же, с той разницей, что они не механические, а электромагнитные (Френель этого не знал, но созданная им теория световых волн все равно оказалась верной).
Теперь сделаем следующий шаг. В механической волне, на поверхности воды, колебания идут только в одной плоскости: вверх-вниз. Но для поперечных волн в целом это не более чем частный случай. Представим, например, что мы привязали длинную веревку к гвоздю в стене и дергаем ее за свободный кончик, заставляя колебаться. Эти колебания будут типичными поперечными волнами. В зависимости от того, как именно мы в данный момент дергаем, веревка может колебаться и вверх-вниз, и вправо-влево, и наискосок. Плоскостей колебаний будет много. Так вот, обычный свет (например, свет Солнца или свет настольной лампы) устроен в этом отношении точно так же.
Итак, свет — это поперечная волна, где электромагнитные колебания обычно происходят сразу во многих плоскостях. Общего у этих плоскостей только то, что все они «нанизаны» на луч, по которому волна распространяется. Однако бывает и свет с колебаниями только в одной плоскости — он называется поляризованным. Такой свет можно получить, например, если пропустить обычный солнечный луч сквозь особый кристалл-поляризатор (см. рис. 4.2А). Человеческий глаз не отличает поляризованный свет от обычного, но приборы отличают (как и глаза многих животных, от пчел до осьминогов и птиц). Плоскость поляризации данного луча света остается постоянной, если только он не встретится с какими-нибудь оптическими преградами.
Теперь у нас хватает понятий, чтобы высказать ключевое утверждение. Кристаллы и растворы некоторых химических соединений обладают способностью поворачивать плоскость поляризации пропущенного сквозь них света на строго определенный в каждом случае угол (см. рис. 4.2Б). Это свойство называется оптической активностью. Как правило, оптически активными являются те вещества, у которых есть хиральность. Если у хирального соединения два стереоизомера, то их кристаллы или растворы поворачивают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в разные стороны. Изомер, который поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке, принято называть правовращающим, а против часовой — левовращающим, при этом «по часовой» или «против» определяется исходя из того, что луч света направлен воображаемому наблюдателю в лицо.
Для краткости правовращающие изомеры обозначают буквой D (от лат. dexter, «правый»), а левовращающие — буквой L (от лат. laevus, «левый»). Например, два стереоизомера аланина кратко называются D-аланином и L-аланином. Все без исключения белки состоят только из L-изомеров аминокислот. Нарушить это правило невозможно: ферменты, синтезирующие белки, несовместимы с D-аминокислотами и не могут их захватывать. Таким образом, все белки на Земле обладают полной хиральной чистотой. Вот это — по-настоящему важный факт, о котором неплохо бы поговорить подробнее.
Загадка левого вращения
Хиральная чистота, она же гомохиральность, — одна из главных особенностей, отличающих живые системы от неживых. Это касается не только аминокислот, но и других биологически активных соединений, у которых есть стереоизомерия (а есть она у многих). В подавляющем большинстве «обычных» химических реакций D- и L-изомеры синтезируются поровну, и разделить их потом трудно. Но в живых телах любая важная группа веществ, как правило, представлена или только L-формами, или только D-формами. Как они там разделяются, в целом понятно — с помощью ферментов, каждый из которых распознает или L-, или D-форму своего субстрата и работает только с
