Symmetria kaunistaa kasvot, mutta molekyylien maailmassa symmetrinen menisi sudeksi. Moni orgaaninen molekyyli esiintyy peilikuvamuotoina, joista vain toinen kelpaa elimistöllemme.


TEKSTI:Jouko Parantainen ja Jaakko-Juhani Himberg

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Symmetria kaunistaa kasvot, mutta molekyylien maailmassa
symmetrinen menisi sudeksi. Moni orgaaninen molekyyli esiintyy
peilikuvamuotoina, joista vain toinen kelpaa elimistöllemme.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

1/2003


 


Elämä perustuu muotoihin. Kun tämän hahmottaa, saa elämän kemiasta hyvin kouriintuntuvan käsityksen. Elävä solu on kuin suunnattoman mutkikas kolmiulotteinen palapeli, sillä molekyylit, joista solu koostuu, tunnistavat tarttumakumppaninsa muodon perusteella.

Tässä piilee kuitenkin ongelma. Monet kemiallisesti samat molekyylit eivät nimittäin aina ole saman muotoisia, vaan esiintyvät peilikuvaseoksina. Toisin sanoen vaikka niissä kaikissa on samat atomit, ne ovat toinen toistensa symmetrisiä peilikuvia, vähän kuin oikea ja vasen käsi. Kuten oikea käsi ei mene vasemman käden hansikkaaseen, oikeakätinen molekyylikään ei toimi siellä, missä tarvittaisiin vasenkätistä.

Siksi solujen on pitänyt jo evoluution alussa valikoida, mitä peilikuvamuotoa ne käyttävät mistäkin molekyylistä. Tämä peilikuvien eli symmetrian murtaminen ja siirtyminen valikoituun epäsymmetriaan oli elämän ensi askeleita ulos kaaoksesta. Nykyinen elämä kavahtaa molekyylitason symmetriaa.




Tähtitieteilijätkin ihmettelevät elämän epäsymmetrisyyttä

Aminohappojen kätisyys on yksi elämän synnyn suurista avoimista kysymyksistä. Miksi käyttöön valikoituivat juuri vasenkätiset L-aminohapot, ja mistä ne tulivat?

Astrofyysikot ja -kemistit hakevat ratkaisua avaruudesta. On nimittäin joitakin todisteita siitä, että siellä syntyisi hieman enemmän L- kuin D-aminohappoja eli että avaruuden olot jotenkin suosisivat vasenkätisiä muotoja (ks. Tiede 2000 8/1998, s. 40-41). Kenties tätä epäsymmetriaa satoi alkumaapallolle elämän siemeniksi. Ensi vuonna toivotaan saatavan lisätietoja, kun Euroopan avaruusohjelmaan kuuluva Rosetta-luotain lähetetään tutkimaan komeetta Wirtasta ja siitä ehkä löytyvien aminohappojen kätisyyttä. (Komeetta on nimetty löytäjänsä, suomalaista sukujuurta olevan kalifornialaisen tähtitieteilijän Carl Alvar Wirtasen mukaan.)

Toisaalta vasenkätisyys voi johtua myös alkumaapallon oloista. Viime vuosina on esitelty elämän alun simulointeja, joissa syntyy enemmän L- kuin D-aminohappoja. Eräässä simuloinnissa niiden syntyä ohjaa yksinkertainen kal-siumseos. Toisessa on kehitetty itseohjaava järjes-telmä, jossa syntyvä molekyyli itse korjaa omaa synteesiään yksikätiseksi.

Myös nobelilla palkitut epäsymmetriset synteesit (ks. laatikkoa Lääkkeen peilikuva voi myrkyttää) osoittavat, että puhtaiden L-aminohappojen synty voi olla yksinkertaista, kunhan olot ovat sopivat.


Symmetria paljastaa kuolinajan

oikeuslääkäri saa yhden arvion sekä kuolleen iästä että kuolinhetkestä aminohappojen peilikuvamuotojen perus-teella. Epätyypillisiä peilikuvamuotoja nimittäin kertyy van-henevaan elimistöön, ja kuoleman jälkeen elimistön kaikki aminohapot alkavat vähä vähältä muuntua symmetrisiksi seoksiksi.

Samaa symmetrian lisääntymisen periaatetta sovelletaan paleontologiassa, kun määritetään fossiilisten jäännösten ikää. Etenkin hammaskiilteen aminohappojen symmetri-syyttä pidetään hyvänä ajan hampaan vaikutuksen mittarina. Myös nilviäisten kuorten aminohapot ovat hyviä paleontologin kelloja.

Syömmekö liian symmetrisesti?

ruoan vaikutusta symmetrioihimme on tutkittu yllättävän vähän. Syömämme kasvi- ja eläintuotteet ovat molekyyleiltään samankätisiä kuin oma elimistömme, mutta ruoan prosessoinnissa ja kypsennyksessä mukaan tulee peilikuvamuotoja. Etenkin paahtaminen ja bakteerikäyminen edistävät sekamuotojen syntymistä eli pyrkivät lisäämään molekyylien symmetriaa.

"Vääräkätiset" D-aminohapot ovat ruoassa jopa haluttuja, sillä ne voivat tuottaa makuja. Esimerkiksi joidenkin juustojen kypsytys, erikoisoluiden jälkikäyminen ja eti-koiden valmistusprosessi lisäävät D-aminohappo-pitoisuutta.

Vääräkätisiä yhdisteitä on turha pelätä, sillä yleisesti niitä ei pidetä haitallisina. Ensinnäkin D-aminohapot imeytyvät suolistosta huonosti. Imeydyttyään jotkin niistä vaihtavat kätisyyttään elimistön standardin mukaiseksi, ja useimmat muut elimistö yksinkertaisesti hajottaa. Munuaiset osallistuvat talkoisiin erittämällä turhia aminohappoja virtsaan. Kaiken kukkuraksi elimistömme saattaa jopa tarvita joitakin D-muotoja.

Koska elimistö jättää valtaosan standardinsa vastaisista peilikuvamuodoista käyttämättä, joku voi vielä onnistua valmistamaan niistä ruokia, joita saamme ahmia ilman lihomisen pelkoa. Ehkä tulevaisuudessa markkinoidaan peilikuvadieettejä.

Symmetrioista löytyisi enemmänkin aiheita ravinto-tutkimuksiin. Esimerkiksi luonnon sokereiden rakenne vaihtelee paljon, mutta niiden kätisyyden mahdollisia vaikutuksia elimistössä ei tunneta. Rasvoissa kiinnostava voisi olla cis- ja trans-rasvahappojen suhde, josta Suomessa on puhuttu vain margariinien yhteydessä. "Roskaruokien" tirrittely vanhenevissa rasvoissa voi tuottaa symmetriamuutoksia sekä rasvahappoihin että aminohappoihin.

Suurin tuntematon on proteiinin laadun ja määrän vaikutus. Jo yksi muheva pihvi voi ylittää aikuisen päivittäisen aminohappotarpeen monikymmenkertaisesti. Ylimäärä voidaan käyttää energiaksi tai varastoida rasvana, mutta suuri osa päätynee suolistobakteeriemme iloksi. Tämä voi epäsuorasti lisätä elimistöön tulevaa D-aminohappo-kuormaa.

Eläinkokeissa paasto ja ravinnon niukkuus ovat lisänneet terveyttä ja elinikää. Paasto vähentää kudosten D-amino-happoja ja näitä hapettavien entsyymien toimintaa, ja vaikutus säilyy pitkään vielä paaston päätyttyä. Ihmisenkin paaston terveysvaikutukset ansaitsisivat tulla tutkituiksi: pitäisikö "bakteerikompostiamme" joskus tuulettaa ja asukitkin uusia?


Tärkeimmät palikat vasenkätisiä

Hyviä esimerkkejä valikoituneesta epäsymmetriasta ovat elimistömme aminohapot. Ne ovat paria poikkeusta lukuun ottamatta samankätisiä: vasenkätistä eli L-muotoa (laeva, lat. 'vasen').

Vasenkätisistä aminohapoista rakentuvat kaikki proteiinit, jotka puolestaan ovat elimistön tärkeimpiä rakennuspalikoita ja työkoneita. Jotkin proteiinit muodostavat solujen ja kudosten tukirakenteita, toiset ohjaavat solun kemiaa entsyymeinä, ja kolmannet supistavat ja rentouttavat lihaksia.

Kaikki solun sadat erilaiset aineenvaihduntareaktiot perustuvat siihen, että reaktioita säätelevät entsyymiproteiinit tunnistavat kohteensa muodon. Muodon perusteella solu myös pyydystää ulkopuoleltaan tulevat viestimolekyylit. Siksi esimerkiksi lääkkeiden on oltava tarkasti tietyn muotoisia.

Aminohappoja on elimistössä muuallakin kuin proteiineissa. Esimerkiksi hermovälittäjäaineet dopamiini ja noradrenaliini sekä stressihormoni adrenaliini muodostuvat vasenkätisistä aminohapoista.

Samantapaista muotokieltä noudattavat myös kaikki elimistön sokerit, rasvat ja mineraalit, joita käytetään solun energiantuotossa tai rakenneosina. Sokereista hyväksytään vain oikeakätinen versio, eli ne ovat D-sokereita (dexter, lat. 'oikea'). Hormonit ja vitamiinitkin ovat epäsymmetrisiä: esimerkiksi C-vitamiini toimii vain vasenkätisenä L-askorbiinihappona.

Myös solukalvojen rasvahapoilla ja eräillä muilla pitkäketjuisilla yhdisteillä on oma, toisentyyppinen symmetriansa. Puhutaan cis/trans-isomeriasta, mikä viittaa kaksoissidosten asemaan hiiliketjuissa. Niissäkin elimistö on standardoinut muotonsa epäsymmetrisiksi niin, että vain yksi versio hyväksytään.

Poikkeuksia muun muassa ihmisalkiossa

Kätisyydestä on joitakin poikkeuksia. Yleensä elämä siis käyttää vain vasenkätisiä aminohappoja, mutta oikeakätisiä D-aminohappoja saatetaan tarvita eläinten ja ihmisen alkionkehityksessä. Myös bakteerit käyttävät oikeakätisiä aminohappoja tiettyihin tarkoituksiin.

Nämä poikkeukset eivät merkitse ristiriitaa elämän molekyylien epäsymmetrisyyteen, sillä poikkeuksissakin kelpuutetaan vain yksi kätisyyden muoto. Vasta sekamuotojen käyttö olisi symmetriaa.

Ehkä maailmankaikkeudessa on sellaistakin elämää, joka perustuu D-aminohappoihin ja L-sokereihin. Peilikuvaelämää pohdittiin jo 1800-luvulla, kun Louis Pasteur havaitsi orgaanisten molekyylien kätisyyden ja Lewis Carroll kirjoitti ihmemaa-Liisalleen Seikkailut peilimaassa. D-aminohapoista on laboratoriossa saatu toimivia entsyymejä, joten visio ei ole aivan tuulesta temmattu.

Bakteereilta saamme vääriä muotoja

Solujemme kemian laitokset ovat valinneet kätisyytensä ja noudattavat sitä tarkasti. Mutta elämässä sattuu virheitä. Entä jos aminohappoja ja sokereita ei pystyttäisikään pitämään kätisyydessään?

Tavallaan olemme omassa kehossamme alakynnessä. Pursuamme nimittäin bakteereita, jotka tarvitsevat ja tuottavat sekä L- että D- aminohappoja. Paksusuoli on kuin komposti, ja lisäksi bakteereita on runsaasti limakalvoilla ja iholla. Suurin osa vieraistamme onneksi hyödyttää ja puolustaa meitä: torjuu tautimikrobeja ja tuottaa vitamiineja. Joka tapauksessa mikrobeja on niin paljon, että ikiomien solujemme osuus on alle 10 prosenttia koko kehossamme esiintyvästä solumäärästä! Meihin siis kohdistuu jatkuvasti melkoinen D-aminohappopommitus.

Onneksi kemiallinen puolustuskin on tehokas. Elimistöön pyrkivien molekyylien vääräkätiset muodot napataan verenkierrosta maksaan, jossa ne joutuvat kädenvääntöön sekä kätisyyttä vaihtavien että molekyylejä pilkkovien eli hapettavien entsyymien kanssa. Hapetus tosin rasittaa kudoksia tuottaessaan aggressiivista vetyperoksidia, ja jos maksa kärsii vajaatoiminnasta, entsyymien toiminta hiipuu ja elimistön puolustus heikkenee.

Toisaalta jos D-aminohappoja pääsee kontrollin läpi, elimistömme ei välttämättä edes tunnista niitä. Silloin ne eivät vaikutakaan mihinkään, vaan ne vain eritetään pois.

Vääriä muotoja kertyy vanhetessa

Mitä haittaa D-aminohapoista voisi sitten olla? L- ja D-sekamuodot muun muassa sotkisivat aminohappoketjujen laskostumista oikean muotoisiksi proteiineiksi. Proteiinit eivät toimisi, ja eräissä harvinaisissa tapauksissa ne voisivat jopa levittää väärää muotoaan ketjureaktiona. Tiedetään, että esimerkiksi hullun lehmän tauti johtuu tietyistä epätavallisesti laskostuneista proteiineista eli prioneista, jotka saavat normaalitkin proteiinit laskostumaan virheellisesti.




Lääkkeen peilikuva voi myrkyttää

monissa lääkkeissä on mukana lääkemolekyylin peilikuva-muotoja, jotka ovat tehottomia ja jopa haitallisia. Sama ongelma on muidenkin orgaanisten kemikaalien tuo-tannossa. Esimerkiksi peilikuvaseoksista koostuvia torjunta-aineita joudutaan kylvämään luontoon paljon enemmän kuin puhdasta ainetta tarvittaisiin.

Kemiallinen käsittely voi myös huonontaa alkuaan hyvää yhdistettä. Esimerkiksi silmän mustuaista laajentavan lääkkeen, atropiinin, tehoaine on vasenkätinen L-hyoskyamiini, jota löytyy luonnosta puhtaana. Uutet-taessa puolet siitä kuitenkin muuttuu tehottomaksi oikeakätiseksi D-yhdisteeksi. Käyttöön jää siis heikompi DL-seos.

Vasta viime aikoina on saatu käyttöön keinoja, joilla symmetrisiä seoksia saadaan puhdistettua epäsymmet-risiksi.

Talidomidi oli peilikuvaseos

Talidomidi on esimerkki ongelmista, joihin peilikuva-symmetria voi äärimmillään johtaa. Vasenkätisenä yhdiste on tehokas rauhoittava lääke, mutta oikeakätisenä se aiheuttaa vakavia sikiövaurioita. Nelisen vuosikymmentä sitten pahaa aavistamattomat lääkärit hoitivat odottavien äitien masennusta talidomidilla kohtalokkain seurauksin. Tosin edes myrkyllisen muodon poistaminen ei olisi estänyt katastrofia, sillä talidomidin tapauksessa peili-kuvamuodot muuttuvat elimistössä toisikseen.

Myrkytönkin peilikuvamolekyyli voi häiritä oikean lääke-aineen imeytymistä, kulkua ja poistumista elimistöstä. Se myös kuormittaa elimistöä tarpeettomasti. Hyvin harvoin rinnakkaismolekyyli itse on mitenkään hyödyllinen.

Joskus peilikuva voi sentään löytää käyttönsä. Fluoksetiinin oikeakätinen muoto on suosittu depressio-lääke. Tarpeettomaksi oletettu vasenkätinen muoto ei kuitenkaan jouda viemäriin, vaan siitä näyttää tulevan hyvä migreenin estolääke.

Suursiivous käynnissä

Nykyisin lääkevalvontaviranomaiset suhtautuvat peili-kuvaseoksiin kielteisesti, ja seosten suursiivous on käynnissä. 1980-luvulla lähes puolet synteettisistä lääk-keistä oli seosmuotoja, mutta nyt niiden osuus on pudon-nut noin neljännekseen.

Paitsi että "käsien puhdistus" tehostaa lääkkeiden vaikutusta, se voi tarjota vanhoille hyville lääkkeille uuden tulemisen ja merkittävän kilpailuedun. Kehitys on lääkkeen maksajallekin edullista, koska vaihtoehtona olisi paljon kalliimpien uusien molekyylien kehittäminen. Pelkkää yhtä muotoa sisältäviä eli homokiraalisia lääkkeitä myydään nyt jo yli 100 miljardilla eurolla vuodessa, ja myynti kasvaa nopeammin kuin lääketuotannon muilla alueilla.

Valitaan kätisyys valmistuksessa

Vuoden 2001 kemian Nobelin palkinto myönnettiin japanilaiselle Ryoji Noyorille ja amerikkalaisille William Knowlesille ja Barry Sharplessille, jotka keksivät lää-keteollisuuden peilikuvaongelmaan peräti useita ratkaisuja. He nimittäin kehittivät synteesejä, joilla lääke-aineita ja muita orgaanisia molekyylejä voidaan valmistaa yksinkertaisista, halvoista hiilivedyistä niin, että rakenne saadaan juuri halutun muotoiseksi. Menetelmät perustuvat uudenlaisiin, juuri tähän tarkoitukseen sopiviin katalyytteihin eli reaktiota sääteleviin kemikaaleihin ja metalleihin.

Knowles kehitti synteesinsä, jotta naprokseenin ja ibuprofeenin kaltaisia tavallisia tulehduskipulääkkeitä saataisiin tuotetuksi puhtaina. Naprokseenin vääräkätinen muoto on myrkyllinen, ja se jouduttiin poistamaan erottelemalla, kunnes Knowlesin synteesi 1980-luvulla tuli taloudellisesti kannattavaksi.

Ibuprofeenin puhdistamisessa ei pidetty kiirettä, koska sen vääräkätinen muoto ei ole myrkyllinen ja koska osa väärästä muodosta muuttuu elimistössä kipua lievittäväksi deksibuprofeeniksi. Innostus puhdistamiseen kuitenkin heräsi muutama vuosi sitten, kun havaittiin, että deksibuprofeenia ei muodostukaan kivun aikana. Tehonlisä jää siis pois silloin, kun sitä eniten tarvittaisiin.

Sharplessin synteeseillä voidaan tuottaa puhtaana muun muassa beetasalpaajia, jotka tunnetaan etenkin sydän- ja verisuonisairauksien lääkkeinä.

Noyorin ansiosta saadaan puolestaan syntetisoitua parkinsonismin hoidossa käytettyä L-dopaa puhtaana L-muotona. D-dopa haittaisi hoitoa ja voisi jopa pahentaa oireita. 

Vääräkätisten muotojen mahdollista liittymistä syöpään on selvitelty jo 1930-luvulta lähtien, mutta laihoin tuloksin. Suomessa kysymystä tutki Artturi Ilmari Virtanen. Kerrotaan, että projekti menetti uskottavuutensa, kun laboratorioapulainen osoittautui liian innokkaaksi D-aminohappojen löytäjäksi ja lipsui vilpin puolelle.

D-aminohappoja on alettu lisätä joihinkin muun muassa syöpälääkkeinä käytettäviin proteiineihin, mutta tätä perustellaan lääkevaikutuksen pidentämisellä. Terve elimistö ei aina tunnista D-aminohappoja, joten lääkkeen poistuminen elimistöstä hidastuu.

Varmimmin D-aminohappojen suhteellinen osuus kasvaa vanhetessa. Muutokset ovat pieniä mutta vääjäämättömiä. Toistaiseksi ei tiedetä, miten lisäys liittyy vanhenemisen prosesseihin, mutta yhteyksiä on haettu dementiaan ja Alzheimerin tautiin.

Silmän linssissä, jota vanhenemistutkijat käyttävät tyyppikudoksena, D-aminohappojen osuus lisääntyy normaalisti runsaat 0,1 prosenttia vuodessa alle vuoden iästä lähtien. Luun kollageeniproteiineissa D-muotojen osuus kasvaa niin säännönmukaisesti, että sitä mittaamalla esimerkiksi oikeuslääkärit voivat määrittää vainajan ikää luurangosta.

Odottamattomia sähkönjohtimia elektroniikkaan

Epäsymmetristen orgaanisten molekyylien ehkä yllättävin hyöty on keksitty elektroniikassa.

Perinteisesti orgaaninen kemia ja elektroniikka ovat pitäneet etäisyyttä. On nimittäin luultu itsestään selväksi, etteivät orgaaniset rakenteet, kuten elävät kudokset tai muovit, juuri johda sähköä, koska ne eivät päästä elektroneja liikkumaan vapaasti. Elämän nesteissä sähkövaraukset siirtyvät yleensä vain positiivisessa tai negatiivisessa ionimuodossa olevina kokonaisina atomeina tai molekyyleinä.

Muovit ja proteiinit saadaan johtaviksi

Muovien osalta ajattelutavan romutti sattuma. Kun japanilainen kemisti Hideki Shirakawa 1970-luvun alussa valmisti asetyleenistä pitkäketjuisia polymeerejä - suomeksi sanottuna muoveja - hän tuli vahingossa lisänneeksi erästä reagenssia yli tuhatkertaisen ylimäärän, "kuin chilipippuria olisi roiskauttanut ketsuppina". Tuloksena oli hopealta hohtava polymeeri, melkein metallia muovin olomuodossa. Tämä johtui siitä, että muoveille luontainen molekulaarinen symmetria oli hävinnyt, kun cis/trans-sidoksista koostuva seos oli kauttaaltaan muuttunut trans-asetyleeniksi. Korkeammassa lämpötilassa saatiin puolestaan puhdasta cis-polymeeriä, vaihteeksi kuparin oloista muovia.

Yllättävä sähkönjohtokyky kuitenkin havaittiin vasta 1970-luvun lopulla, kun Shirakawa yhdisti voimansa amerikkalaisten Alan MacDiarmidin ja Alan Heegerin kanssa. He alkoivat tutkia metallinoloisten muovien ominaisuuksia hapettamalla ja samalla menetelmärutiinin takia seuraamalla aineen sähkönjohtokykyä. Heureka! - sähkönjohtokyky olikin kasvanut miljoonakertaiseksi. Jodihapetus oli tehnyt muovista kupariakin paremman johtimen. Kolmikko palkittiin vuonna 2000 kemian nobelilla.

Mikä erikoisinta, on havaittu, että myös elävä kudos voi toimia puolijohteena. Proteiinien sähkönjohtokyky on toistaiseksi osoitettu vain muutaman proteiinimolekyylin matkalla, mutta jo tämäkin on harppaus, koska aiemmin koko asia kuitattiin mahdottomaksi. Biologialle avautuu siis yhteyksiä puolijohdefysiikkaan ja elektroniikkaan.

Peilikuvat sopivat nanotekniikkaan

Vuonna 2000 valmistettiin ensimmäinen peilikuvamolekyyliin perustuva eli kiraalinen kytkin, jota valopulssi avaa ja sulkee vaihtelemalla yhden molekyylin kätisyyttä. Ehkä transistoreita ja prosessoreita voidaankin tulevaisuudessa tuottaa kemiallisesti. Jo jonkin aikaa on myös kokeiltu nestekidenäyttöjä, joissa kunkin valopisteen syttyminen ja sammuminen perustuvat pistettä vartioivan yhdisteen kätisyyteen.

Tätä nykyä näitä tekniikoita toteutetaan molekyylien mittakaavassa. Tavoitteena on kuitenkin nanotekniikka, jossa samat ilmiöt tapahtuvat vielä pienempinä eli atomitasolla. Niin orgaanisissa polymeereissä kuin nanotekniikassa kätisyys on yksi avain rakenteen sähköisiin ominaisuuksiin.

Jouko Parantainen on Leiras Oy:n Kliinisen tutkimuksen tutkija.


 


Jaakko-Juhani Himberg on farmakologian dosentti ja Helsingin yliopistollisen keskussairaalan laatupäällikkö.








Sisältö jatkuu mainoksen alla