论文部分内容阅读
摘要 自然界中的物质是由各种各样的分子组成的，手性分子又是自然界的普遍特征。然而，在我们地球上没有找到右旋氨基酸的生命，地球上生命为什么偏爱左旋手性分子呢？这是世界生命科学领域的一个迷团。从2000年至今，我通过多次反复对手性分子在化学合成过程中产生的随机性以及手性分子在活体细菌代谢过程中具有选择性的对比实验，发现我们地球上活体生物偏爱左旋氨基酸手性分子，是由于地球上诞生的第一个生命细胞决定的，也就是说：“如今地球上生物界的糖为D-构型，氨基酸为L-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象为右旋等组成生命的游戏规则” 是由三十八亿年前地球上诞生的第一个生命细胞制定的。现在地球上五彩缤纷的生物世界是由地球上诞生的第一个细胞经过长达数十亿年的生命演化历程的杰作，也就是说，目前地球上所有的生物都是那个细胞的后代。
关键词 手性分子；右旋氨基酸；D-构型；L-构型；螺旋构象
中图分类号 TN914 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0200-02
1 生命是对称性自发破缺的反物理现象
对称性是基本的物理规律。然而，现实世界中对称性常常是破缺的：包括时间、空间、不同种类的力相互作用，不同种类的粒子相互作用，生物分子手性特征，以及整个复杂纷纭的生命世界都是对称性自发破缺的产物，也就是说生命现象归根结底就是对称性自发破缺的一种反物理现象。
2 四价碳元素形成错综复杂的手性分子
碳原子在形成有机分子的时候，一个碳原子可以与四个原子或基团，通过四根共价键形成三维的空间结构。由于相连的原子或基团不同，它会形成两种分子结构。这两种分子虽然从原子组成上来看是一模一样，但它们的空间结构是完全不同，这两种分子不管怎样旋转都不会重合，它们构成了实物和镜像的关系，人和照镜子中的人一样，也就像左手和右手那样的关系，称这两种分子具有手性，所以又叫手性分子。手性分子，是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但从组成分子的三维空间结构形状上来看，它们依然是两种分子。这种情形就像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。因此，这两种分子互为同分异构体，这种异构的形式成为手性异构，有R型和S型两类。
对手性的研究手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性也称“中性手性”。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。
除了利用偏光照射所产生的角度偏差正负值相反外，对映异构体在化学特性、物理特性上大致相同。一个化合物的分子与其镜像不能互相叠合，则必然存在一个与镜像相应的化合物，这两个化合物之间的关系，相当于左手和右手的关系，即互相对映。这种互相对应的两个化合物成为对映异构体（enantiomers）。这类化合物分子成为手性分子（chiral molecule）。不具有对称面和对称中心的分子有一个重要的特点，就是实体和镜象不能重叠，镜面不对称性是识别手性分子与非手性分子的基本标志。
生物分子几乎都是有手性，即分子形式为右撇子和左撇子，也就是左旋分子或右旋分子。在法国生物学家巴斯德发现酒石酸晶体的镜像后就更激起了科学家的兴趣。然而，手性分子是如何形成的却一直让人迷惑不解。过去，生物化学领域趋向于认为，单一手性形式的分子合成通常从一开始就要利用手性本体，也就是说生物分子自身在催化着手性形式的形成。而且在一些化学反应中手性产物的形成进一步扩大了。2006年6月16日出版的英国《自然》刊发文章称，最近，美国研究人员发现，物质的固体相—液体相平衡可能参与了生物分子手性的形成。比如，氨基酸固相—液相的平衡，可以由刚开始时的小小的不平衡导致严重偏向一种手性形式，即左旋或者右旋。而这种现象出现在水溶液中，因而也可以解释生命起源以前的左手性和右手性，即为什么原先左、右手性分子数量相等的分子为何会转变成生物分子偏爱一种手性。而为什么生物世界中具有活性作用的分子常常是左旋？如左旋糖苷。
3 地球生命的产生和演变过程中偏爱左旋手性分子
生物体内一些分子单一手性的不对称性，正是生命力的体现。维持这种不平衡状态的是生物体内的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见，生命与分子的不对称性息息相关。正如Hoffmann在其所著的The Same and Not the Same一书中提到的：生命活动依赖于分子的手性，构成生命体系生物大分子的基本单元如碳水化合物、氨基酸等大部分物质都是手性分子。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，手性的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式相互作用。
生命往往只偏爱对一种手性分子，如地球上的生命偏爱糖为D-构型，氨基酸为L-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象又都是右旋的。所以，当手性药物、农药等化合物作用于这个不对称的生物世界时，两个异构体表现出来的生物活性往往是不同的，甚至是截然相反的作用。手性是生命过程的基本特征，构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。人们使用的药物绝大多数具有手性，被称为手性药物。手性药物的“镜像”称为它的对映体，两者之间在药力、毒性等方面往往存在差别，有的甚至作用相反。
二十世纪60年代，一种称为“反应停”的手性药物（一种孕妇使用的镇定剂，已被禁用）上市后导致1.2万名婴儿的生理缺陷，因为反应停的对映体具有致畸性。因此，能够独立地获得手性分子的两种不同镜像形态极为重要。作为生命的基本结构单元，氨基酸也有手性之分。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。惊人的发现：组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸，我们已经发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其它氨基酸都有另一种手性对映体。那么，是不是所有的氨基酸都是手性的呢？答案是肯定的，检验手性的最好方法就是，让一束偏振光?通过它，使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸，反之则是右旋氨基酸。通过这种方法的检验，人们发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。这也不难理解，比如目前机械工业，绝大多数机器设备安装使用顺时针（右旋）螺丝螺母，但有些特殊零部件使用了反时针（左旋）螺丝和螺母。 地球上活体生物对左旋手性分子的偏爱，就像我们目前世界上机械工业普遍偏爱使用顺时针（右旋）螺丝和螺母一样。假如世界上诞生的第一台机器所采用的螺丝螺母的螺纹是采用逆时针的话，那么，我们今天的机械工业就会普遍使用（左旋）螺丝和螺母，而所有的机器设备的功能作用与目前世界上机械设备还是一样，只不过所有机器零部件的螺旋全都相反而已。也就是说，假如某个星球上诞生的第一个生命细胞的“糖为L-构型，氨基酸为D-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象为左旋作为的游戏规则”。那么那个星球上演化出来的所有生物手性分子刚好与地球上的相反，那个星球上生物界具有生物活性作用的分子常常是右旋，如右旋糖苷。那个星球上照样能够演绎着五彩缤纷的生命世界。可是，假如有一天人类通过宇宙飞船登上了那个“生命偏爱右旋分子”的星球，即使那个星球上所有的气候环境，物理条件跟地球上完全一致，人类也是无法在那个星球上生存。因为，那个星球上无法找到人类所需要的食物，组成那个星球所有动物的肉类，所有植物的水果、根茎、种子的分子“手性”与我们地球上的刚好是相反，它们对于我们地球上的生命来说，是不可以利用“废物”，甚至是“毒物”。
4 右旋分子往往是地球上生命的克星
因为地球上生物是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。
在手性药物未被人们认识以前，欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的消旋体药物作为镇痛药或止咳药，很多孕妇服用后，生出了无头或缺腿的先天畸形儿，有的胎儿没有胳膊，手长在肩膀上，模样非常恐怖。仅仅4年时间，世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。这就是被称为“反应停”的惨剧。后来经过研究发现，反应停的R-体有镇静作用，但是S-对映体对胚胎有很强的致畸作用。
正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置，考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。因此，医药公司急切地寻找一种方法来解决这个问题，比如，他想要左旋分子，那么他就得想办法把另一半右旋分子转化成左旋分子。现在，这个令人头痛的问题已经得到了解决。科学家用一种叫做“不对称催化合成”的方法解决了这一问题。这个方法可以广泛地应用于制药、香精和甜味剂等化学行业，给工业生产一下子带来了巨大的好处，这项研究也获得了2001年度的诺贝尔化学奖。毫无疑问，这个成果具有重要意义。
我们知道，在自然界的各个方面，尤其是物理和化学中，都广泛地存在着许多对称的概念：带负电的电子与带正电的反电子，磁场的南极和北极，以及化学中的分解和合成反应。就连遥远的河外星系也存在着正旋和逆旋的旋涡结构。科学家们不禁感到疑惑：这是否在提示我们在宇宙中存在着一种奇特的普适性的对称规律？看来，手性真是一种奇妙的东西，手性的氨基酸甚至决定着我们这个世界存在的方式，对手性的研究，在造就工业奇迹的同时，也启发了我们对地球生命起源新的认识，甚至对宇宙起源的重新认识。地球上没有找到右旋氨基酸的生命，但是，按照手性的原则，漫漫的宇宙中确实是可能存在右旋氨基酸的生命，甚至，有智慧的右旋氨基酸的生命。
参考文献
[1]赵树磊.生物手性分子螺旋结构与旋光性的理论研究[D].曲阜师范大学，2009年硕士学位论文.
[2]手性分子螺旋结构与旋光度的理论研究[D].曲阜师范大学，2006年硕士学位论文.
[3]黄梅芳，刘朋生.旋光性高分子的合成研究之进展[J].湘潭大学社会科学学报，2002，26（z1）.
[4]冯锋.甲基取代的手性环酯化合物的螺旋结构与旋光性分析[J].高等学校化学学报，2004，25（01）.
[5]吴国春，李俊庆.手性分子的非线性极化模型[J].哈尔滨理工大学学报，2002，01.
[6]郑仰东，fox.hit.edu.cn，李俊庆，辛丽，李淳飞.基于耦合双振子模型的手性分子的超极化率[J].光子学报，2000，12.
关键词 手性分子；右旋氨基酸；D-构型；L-构型；螺旋构象
中图分类号 TN914 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0200-02
1 生命是对称性自发破缺的反物理现象
对称性是基本的物理规律。然而，现实世界中对称性常常是破缺的：包括时间、空间、不同种类的力相互作用，不同种类的粒子相互作用，生物分子手性特征，以及整个复杂纷纭的生命世界都是对称性自发破缺的产物，也就是说生命现象归根结底就是对称性自发破缺的一种反物理现象。
2 四价碳元素形成错综复杂的手性分子
碳原子在形成有机分子的时候，一个碳原子可以与四个原子或基团，通过四根共价键形成三维的空间结构。由于相连的原子或基团不同，它会形成两种分子结构。这两种分子虽然从原子组成上来看是一模一样，但它们的空间结构是完全不同，这两种分子不管怎样旋转都不会重合，它们构成了实物和镜像的关系，人和照镜子中的人一样，也就像左手和右手那样的关系，称这两种分子具有手性，所以又叫手性分子。手性分子，是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但从组成分子的三维空间结构形状上来看，它们依然是两种分子。这种情形就像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。因此，这两种分子互为同分异构体，这种异构的形式成为手性异构，有R型和S型两类。
对手性的研究手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性也称“中性手性”。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。
除了利用偏光照射所产生的角度偏差正负值相反外，对映异构体在化学特性、物理特性上大致相同。一个化合物的分子与其镜像不能互相叠合，则必然存在一个与镜像相应的化合物，这两个化合物之间的关系，相当于左手和右手的关系，即互相对映。这种互相对应的两个化合物成为对映异构体（enantiomers）。这类化合物分子成为手性分子（chiral molecule）。不具有对称面和对称中心的分子有一个重要的特点，就是实体和镜象不能重叠，镜面不对称性是识别手性分子与非手性分子的基本标志。
生物分子几乎都是有手性，即分子形式为右撇子和左撇子，也就是左旋分子或右旋分子。在法国生物学家巴斯德发现酒石酸晶体的镜像后就更激起了科学家的兴趣。然而，手性分子是如何形成的却一直让人迷惑不解。过去，生物化学领域趋向于认为，单一手性形式的分子合成通常从一开始就要利用手性本体，也就是说生物分子自身在催化着手性形式的形成。而且在一些化学反应中手性产物的形成进一步扩大了。2006年6月16日出版的英国《自然》刊发文章称，最近，美国研究人员发现，物质的固体相—液体相平衡可能参与了生物分子手性的形成。比如，氨基酸固相—液相的平衡，可以由刚开始时的小小的不平衡导致严重偏向一种手性形式，即左旋或者右旋。而这种现象出现在水溶液中，因而也可以解释生命起源以前的左手性和右手性，即为什么原先左、右手性分子数量相等的分子为何会转变成生物分子偏爱一种手性。而为什么生物世界中具有活性作用的分子常常是左旋？如左旋糖苷。
3 地球生命的产生和演变过程中偏爱左旋手性分子
生物体内一些分子单一手性的不对称性，正是生命力的体现。维持这种不平衡状态的是生物体内的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见，生命与分子的不对称性息息相关。正如Hoffmann在其所著的The Same and Not the Same一书中提到的：生命活动依赖于分子的手性，构成生命体系生物大分子的基本单元如碳水化合物、氨基酸等大部分物质都是手性分子。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，手性的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式相互作用。
生命往往只偏爱对一种手性分子，如地球上的生命偏爱糖为D-构型，氨基酸为L-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象又都是右旋的。所以，当手性药物、农药等化合物作用于这个不对称的生物世界时，两个异构体表现出来的生物活性往往是不同的，甚至是截然相反的作用。手性是生命过程的基本特征，构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。人们使用的药物绝大多数具有手性，被称为手性药物。手性药物的“镜像”称为它的对映体，两者之间在药力、毒性等方面往往存在差别，有的甚至作用相反。
二十世纪60年代，一种称为“反应停”的手性药物（一种孕妇使用的镇定剂，已被禁用）上市后导致1.2万名婴儿的生理缺陷，因为反应停的对映体具有致畸性。因此，能够独立地获得手性分子的两种不同镜像形态极为重要。作为生命的基本结构单元，氨基酸也有手性之分。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。惊人的发现：组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸，我们已经发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其它氨基酸都有另一种手性对映体。那么，是不是所有的氨基酸都是手性的呢？答案是肯定的，检验手性的最好方法就是，让一束偏振光?通过它，使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸，反之则是右旋氨基酸。通过这种方法的检验，人们发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。这也不难理解，比如目前机械工业，绝大多数机器设备安装使用顺时针（右旋）螺丝螺母，但有些特殊零部件使用了反时针（左旋）螺丝和螺母。 地球上活体生物对左旋手性分子的偏爱，就像我们目前世界上机械工业普遍偏爱使用顺时针（右旋）螺丝和螺母一样。假如世界上诞生的第一台机器所采用的螺丝螺母的螺纹是采用逆时针的话，那么，我们今天的机械工业就会普遍使用（左旋）螺丝和螺母，而所有的机器设备的功能作用与目前世界上机械设备还是一样，只不过所有机器零部件的螺旋全都相反而已。也就是说，假如某个星球上诞生的第一个生命细胞的“糖为L-构型，氨基酸为D-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象为左旋作为的游戏规则”。那么那个星球上演化出来的所有生物手性分子刚好与地球上的相反，那个星球上生物界具有生物活性作用的分子常常是右旋，如右旋糖苷。那个星球上照样能够演绎着五彩缤纷的生命世界。可是，假如有一天人类通过宇宙飞船登上了那个“生命偏爱右旋分子”的星球，即使那个星球上所有的气候环境，物理条件跟地球上完全一致，人类也是无法在那个星球上生存。因为，那个星球上无法找到人类所需要的食物，组成那个星球所有动物的肉类，所有植物的水果、根茎、种子的分子“手性”与我们地球上的刚好是相反，它们对于我们地球上的生命来说，是不可以利用“废物”，甚至是“毒物”。
4 右旋分子往往是地球上生命的克星
因为地球上生物是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。
在手性药物未被人们认识以前，欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的消旋体药物作为镇痛药或止咳药，很多孕妇服用后，生出了无头或缺腿的先天畸形儿，有的胎儿没有胳膊，手长在肩膀上，模样非常恐怖。仅仅4年时间，世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。这就是被称为“反应停”的惨剧。后来经过研究发现，反应停的R-体有镇静作用，但是S-对映体对胚胎有很强的致畸作用。
正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置，考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。因此，医药公司急切地寻找一种方法来解决这个问题，比如，他想要左旋分子，那么他就得想办法把另一半右旋分子转化成左旋分子。现在，这个令人头痛的问题已经得到了解决。科学家用一种叫做“不对称催化合成”的方法解决了这一问题。这个方法可以广泛地应用于制药、香精和甜味剂等化学行业，给工业生产一下子带来了巨大的好处，这项研究也获得了2001年度的诺贝尔化学奖。毫无疑问，这个成果具有重要意义。
我们知道，在自然界的各个方面，尤其是物理和化学中，都广泛地存在着许多对称的概念：带负电的电子与带正电的反电子，磁场的南极和北极，以及化学中的分解和合成反应。就连遥远的河外星系也存在着正旋和逆旋的旋涡结构。科学家们不禁感到疑惑：这是否在提示我们在宇宙中存在着一种奇特的普适性的对称规律？看来，手性真是一种奇妙的东西，手性的氨基酸甚至决定着我们这个世界存在的方式，对手性的研究，在造就工业奇迹的同时，也启发了我们对地球生命起源新的认识，甚至对宇宙起源的重新认识。地球上没有找到右旋氨基酸的生命，但是，按照手性的原则，漫漫的宇宙中确实是可能存在右旋氨基酸的生命，甚至，有智慧的右旋氨基酸的生命。
参考文献
[1]赵树磊.生物手性分子螺旋结构与旋光性的理论研究[D].曲阜师范大学，2009年硕士学位论文.
[2]手性分子螺旋结构与旋光度的理论研究[D].曲阜师范大学，2006年硕士学位论文.
[3]黄梅芳，刘朋生.旋光性高分子的合成研究之进展[J].湘潭大学社会科学学报，2002，26（z1）.
[4]冯锋.甲基取代的手性环酯化合物的螺旋结构与旋光性分析[J].高等学校化学学报，2004，25（01）.
[5]吴国春，李俊庆.手性分子的非线性极化模型[J].哈尔滨理工大学学报，2002，01.
[6]郑仰东，fox.hit.edu.cn，李俊庆，辛丽，李淳飞.基于耦合双振子模型的手性分子的超极化率[J].光子学报，2000，12.