自然界大分子同手性现象的热力学起源

徐昕

复旦大学化学系，上海 200433

蛋白质与DNA同手性模型及其协同效应和静电相互作用特征。

同手性(Homochirality)现象是指同一分子中所有手性中心均具有相同的手性，是自然界大分子体系如蛋白质和DNA最瞩目的特征之一。例如，20种氨基酸除甘胺酸没有手性之外，其他都是L型氨基酸，而DNA结构中脱氧核糖都是D型手性。关于自然界同手性的起源学说众多1–5，但至今没有定论。

最近，美国北卡罗莱纳大学刘述斌提出，同手性现象起源于普遍存在于自然界大分子中的螺旋结构6。众所周知，DNA采用双螺旋结构形式，而蛋白质二级结构中广泛存在α-螺旋或者310-螺旋结构，而且这些螺旋结构都是右旋的。这些右旋的螺旋结构决定了蛋白质体系中氨基酸L型同手性结构最稳定，而在脱氧核糖体系中D型同手性结构最稳定。

为此，作者搭建了若干模型予以证明。(i)用6个同L型或者同D型的丙氨酸残基分别搭建4个二级结构：α螺旋结构，310螺旋结构以及两种β片层结构，只有两种螺旋结构的同L型和同D型结构之间表现出明显的稳定性差，而且以同L型手性结构更稳定；(ii)分别用其他9种氨基酸搭建同手性α和310螺旋结构，结果一样，都是L型同手性结构更稳定；(iii)以丙氨酸为例分别搭建6残基α或者310螺旋结构且每个Cα手性分别取L或者D型，共得到26=64个混合手性体系，结果表明，混合手性体系稳定性均比同手性体系差，且以L型同手性结构最稳定；(iv)对DNA体系，用异丙基和二甲胺作为碱基替代物搭建不同长度的单螺旋结构，均以同D型手性核糖结构最稳定；(v)以6单元长度和异丙基为碱基替代物，搭建64个混合手性DNA单螺旋结构，结果表明，混合手性体系稳定性均比同手性体系差，且以D型同手性核糖结构最稳定。

此外，为了深入理解同手性现象起源，作者对所有体系进行了能量分解分析7，结果表明，相对于混合手性体系，同手性体系中存在更强的静电相互作用，稳定性和静电相互作用之间存在强烈的正相关。同时，作者发现，同手性体系中存在明显的协同效应8–10。

最后，作者将本文结论进行推广，提出了“手性等级原理”(Principle of Chirality Hierarchy)，认为三维手性决定二维手性，二维手性决定一位手性，以此类推。螺旋结构为一维手性，而分子手性中心是零维，所以自然界大分子同手性现象只是上述手性等级原理的表现之一。

上述研究工作近期在Journal of Physical Chemistry Letters上发表6。此项工作不仅为理解自然界大分子同手性的起源提供了坚实的热力学基础，而且“手性等级原理”的提出将为不对称合成(asymmetric synthesis)和大分子组装(macromolecular assembly)等领域的发展提供理论指导和新的思路。