سوشیانس تارنمای رسمی شروین وکیلی
نخست: شكست تقارن در سطوح مولكولى
شكست تقارن در سطوح مولكولى به فراوانى قابل‌‌‌‌مشاهده‌‌‌‌است. پيش از پرداختن به مثالها، بايد چند مفهوم ابتدايى در شيمى آلى و بيوشيمى تعريف شود.
الف) مفهوم ايزومرى فضايى انانتيومرى[1]
كربنى كه داراى چهار ليگاند متفاوت با هم باشد، كربن نامتقارن ناميده مى‌‌‌‌شود. از آنجا كه اين تعداد ليگاند با اين تنوع معمولا در مولكولهاى آلى ديده مى‌‌‌‌شود، اين اصطلاح بيشتر در شيمى آلى كاربرد دارد. مولكولهايى كه داراى كربن نامتقارن باشند، داراى نوعى خاص از ايزومرى هستند، كه انانتيومر ناميده مى‌‌‌‌شود. اين ايزومرى به اين مفهوم است كه در برابر هر مولكول داراى چنين كربنى، مولكول مشابه ديگرى هم وجود دارد كه ساختارش دقيقا مثل تصوير آيينه‌‌‌‌اى مولكول اول است. ناگفته پيداست كه مولكول فاقد كربن نامتقارن، به دليل داشتن يك محور تقارن، -كه از دو ليگاند مشابه متصل به كربن مى‌‌‌‌گذرد،- چنين ايزومرى نخواهد داشت. براى بيان خاصيت مولكولهايى كه به اين شكل راست‌‌‌‌دست و چپ‌‌‌‌دست هستند، اصطلاح Chirality را به كار مى‌‌‌‌برند. ايزومرهايى كه به اين ترتيب حاصل مى‌‌‌‌شوند، علاوه بر انانتيومر، با نامهاى ديگرى مثل ايزومر فضايى[2]، و ايزومر نورى[3] هم خوانده مى‌‌‌‌شوند. ايزومرهاى نورى، نام خود را مديون ويژگى خاصى هستند كه به فعاليت نورى شهرت يافته. مولكولهاى عادى، -مثل آب، دى‌‌‌‌اكسيد كربن، و مثلا دى‌‌‌‌هيدروكسى استون،- كه داراى ريخت متقارن هستند، نور قطبيده‌‌‌‌ى افقى را به هيچ جهتى منحرف نمى‌‌‌‌كنند. در مقابل، انانتيومرها بر حسب آرايش فضايى خود، اين نور را به راست يا به چپ مى‌‌‌‌گردانند. ساده‌‌‌‌ترين كربوهيدراتى كه داراى ايزومر فضايى است، گليسرآلدئيد نام دارد. در اين مولكول اگر بنيان هيدروكسيل متصل به كربن، در طرف چپ باشد، نور قطبيده به چپ منحرف مى‌‌‌‌شود، و بنيانى كه در سمت راست باشد نور را به راست مى‌‌‌‌گرداند. به همين دليل هم اين دو انانتيومر را به نامهاى ( L نماد Laevo يا چپ) و ( D نماد Dextro يا راست) مى‌‌‌‌نامند. در ساير مولكول‌‌‌‌ها هم، اين نامگذارى مورد استفاده قرار مى‌‌‌‌گيرد،ولى در اين موارد ديگر جهت چرخش نور نيست كه D يا L بودن را مشخص مى‌‌‌‌كند. بلكه اين دو نام تنها بر اساس ساختار فضايى مولكول تعريف مى‌‌‌‌شوند (Rawn,1989).
ب) تكامل ايزومرى فضايى
اسيدهاى آمينه، به دليل دارابودن كربن نامتقارن آلفا، مى‌‌‌‌توانند دو شكل راست و چپ را از خود نشان دهند. در طبيعت شكل راست ديده نمى‌‌‌‌شود و همه‌‌‌‌ى پروتئينهاى شناخته شده، تنها داراى اسيدآمينه هاى شكل Lدر ساختار خود بوده‌‌‌‌اند. قندها هم، با توجه به پيچيدگى خود، قادر به توليد اين دو نوع ايزومرى فضايى هستند، ولى در آنهاهم تنها شكل Dديده مى‌‌‌‌شود. با توجه به اينكه اين دو ايزومر تفاوتى با هم ندارند، اين شكست تقارن بسيار شگفت‌‌‌‌انگيز مى‌‌‌‌نمايد. البته آشكار است كه اين يك جهته شدن اسيدهاى آمينه و قندها، ريشه در ساختار نامتقارن آنزيم‌‌‌‌هايى دارد، كه آنها را مى‌‌‌‌سازند، يا براى ساخت مولكولهاى درشت‌‌‌‌تر به كار مى‌‌‌‌برند.
در ساختارهاى كمى پيچيده‌‌‌‌تر، مثل مارپيچ آلفا و نوار DNAشكل ديگرى از اين شكست تقارن را مى‌‌‌‌توان ديد. در اين سطوح، شكل مارپيچى زياد ديده مى‌‌‌‌شود، و عدم تقارنى كه وجود دارد به راست‌‌‌‌گرد يا چپ گرد بودن اين مارپيچ‌‌‌‌ها مربوط مى‌‌‌‌شود. يك مارپيچ، با توجه با شكل فضايى خود، مى‌‌‌‌تواند داراى تصوير آيينه‌‌‌‌اى متفاوت با خود باشد، همين امكان وجود تصوير آيينه‌‌‌‌اى متفاوت، زمينه‌‌‌‌ساز شكست تقارن در سيستم‌‌‌‌هاى زنده‌‌‌‌است. در عمل هم هركجا كه ما چنين شكلى از تفاوت فضايى را مى‌‌‌‌بينيم، شكست تقارن را هم در كنارش مى‌‌‌‌يابيم. مارپيچ‌‌‌‌هاى آلفا، يا DNAهم با توجه به همين اصل، در دو شكل راست‌‌‌‌گرد و چپ‌‌‌‌گرد ديده نمى‌‌‌‌شوند. همه‌‌‌‌ى مولكولهاى مارپيچى مورد بحث، با وجود تنوع خارج از تصورى كه مى‌‌‌‌توانند پيدا كنند، همواره به شكل راست‌‌‌‌گرد ديده مى‌‌‌‌شوند. اين ساخت ويژه را مى‌‌‌‌توان به آنزيم‌‌‌‌هاى توليد كننده‌‌‌‌ى آنها نسبت داد.
گاه واحدهاى سازنده‌‌‌‌ى يك مولكول كه داراى گردش تقارنى خاصى هستند، نوع ديگرى از تقارن را از خود نشان مى‌‌‌‌دهند. مثلا واحدهاى سازنده پروتئينى به نام آلفا-كراتين ، از چهار رشته‌‌‌‌ى مارپيچ آلفاى راست‌‌‌‌گرد تشكيل يافته كه دو به دو به هم متصل مى‌‌‌‌شوند و در نهايت مارپيچى بزرگ را مى‌‌‌‌سازند كه خودش چپ‌‌‌‌گرد است. بنابراين پديد آمدن اشكال‌‌‌‌راست‌‌‌‌گرد و چپ‌‌‌‌گرد، از زيرواحدهاى مشابه دارنده‌‌‌‌ى تقارن راست‌‌‌‌گرد ممكن است. هرچند اين پديده چندان شايع نيست.
پ) اختلافات ايزومرهاى فضايى
با وجود آنكه ما در بحث خود دو ايزومر را تقريبا يكسان فرض كرديم، ولى بين اين دو ساختار تفاوتهاى كوچكى وجود دارد. اين تفاوتهاى جزئى، بيشتر به همان مفهوم شكست تقارن به معناى ناهمگن بودن شرايط محيطى مربوط مى‌‌‌‌شود. نشان داده شده كه دو شكل Lو Dاسيدهاى آمينه، داراى اختلاف انرژى پيوندى در حد
5/6 * 19- 10 الكترون ولت دارند. اين اخلاف براى غلبه كردن يك نوع بر نوع ديگر در سير تكامل كافى نيست. اين غلبه را به دلايل محيطى چندى، مثل اثر گردش جهتدار زمين به دور خود، و نامتقارن بودن سطوحى كه واكنشهاى اوليه‌‌‌‌ى بيوشيميايى بر آن انجام شده‌‌‌‌اند، نسبت داده‌‌‌‌اند. همچنين نشان داده شده كه آنتالپى بين ايزومرهاى فضايى، با توجه به درجه‌‌‌‌ى نامتقارن بودنشان، افزايش مى‌‌‌‌يابد.
مدلسازى‌‌‌‌هاى آمارى‌‌‌‌اى هم انجام شده كه نشان مى‌‌‌‌دهد شكل‌‌‌‌گيرى اشكال داراى ايزومرى فضايى، از مواد اوليه‌‌‌‌ى متقارن ممكن است. بر اساس اين مدلها، اگر در يك سيستم شيميايى داراى واكنشهاى Autocatalyticتغييراتى در حد %10-8در غلظت يكى از انواع ايزومرى ايجاد شود، در نهايت غلظت اين شكل ايزومرى بر ديگرى غلبه خواهد كرد. يعنى همين تفاوت جزيى در شرايط اوليه، مى‌‌‌‌تواند به حذف يكى از ايزومرها در محيط بيانجامد. با توجه به اين كه نوسانات كاتوره‌‌‌‌اى غلظت در سيستم‌‌‌‌هاى شيميايى مورد بحث بيشتر از اين مقدار آستانه است، به سادگى مى‌‌‌‌توان پذيرفت كه شكل خاص غلبه‌‌‌‌ى يك ايزومر فضايى بر ديگران در سيستم‌‌‌‌هاى زنده، نتيجه‌‌‌‌ى تغييرات تصادفى و بى‌‌‌‌هدف اوليه در سوپ آلى سازنده‌‌‌‌ى زندگى بر زمين بوده باشد.
اين تغييرات در طول اين ميلياردها سالى كه اندركنش مواد زنده صورت مى‌‌‌‌گرفته، تشديد شده و به حضور تنها يك نوع ايزومر انجاميده. با توجه به اينكه تخصص يافتن يك سيستم‌‌‌‌كاركردى، مثلا يك آنزيم، مى‌‌‌‌تواند با شكست تقارن همراه باشد، مى‌‌‌‌توان تمايل طبيعت به برگزيدن اشكال نامتقارن داراى Chiralityرا در سطح مولكولى توجيه كرد. اين گزينش به قدرى حالت تخصصى به خود گرفته كه آنزيم‌‌‌‌هاى كنونى تنها قادر به هضم و سنتز قندهاى Dو اسيد آمينه‌‌‌‌هاى Lهستند و فقط پروتئين و DNAهاى داراى خصلت راست‌‌‌‌گردى را توليد مى‌‌‌‌كنند. اين تخصصى شدن آنزيم‌‌‌‌ها نسبت به تقارن فضايى به قدرى شديد است كه هنوز هم بهترين راه براى جداسازى ايزومرهاى فضايى موجود در يك مخلوط راسميك[4]، استفاده از باكتريهايى است كه آنزيم هضم مخلوط دو ايزومر يكى از آنها را دارند. به بيان ديگر، با وجود پيشرفت‌‌‌‌هاى عظيم در تكنولوژى شيمى تجزيه، هنوز هم آنزيم‌‌‌‌ها حساسترين تمايزدهندگان تقارن فضايى هستند.
مارپيچ‌‌‌‌هاى آلفاى توليد شده از اسيدآمينه‌‌‌‌هاى نامتقارن، داراى سطوح انرژى متفاوتى هستند. يك مارپيچ آلفاى راست‌‌‌‌گرد كه فقط از L-Alanin تشكيل شده باشد، نسبت به شكل چپ گرد خود پايدارتر است. چون در اين مارپيچ سطح انرژى هر جايگاه اسيد آمينه در حدود چند دهم كيلوكالرى برمول از نوع قرينه‌‌‌‌اش كمتر است. برخى از اسيدهاى آمينه، به دليل وضع انرژيايى خود، تنها يك نوع مارپيچ مى‌‌‌‌سازند. مثلا -Benzyle- L-Aspartat Poly-Bفقط مارپيچ چپ‌‌‌‌گرد مى‌‌‌‌سازد. در مقابل Poly-y-Benzyle-Glutamate هميشه مارپيچ راست‌‌‌‌گرد توليد مى‌‌‌‌كند.
خواص زيستى مواد طبيعى كه داراى نوع خاصى از Chirality هستند هم با نمونه‌‌‌‌هاى مصنوعى عكسشان كه در آزمايشگاه توليد مى‌‌‌‌شوند، فرق دارد. اثرات زيستى اين نمونه‌‌‌‌هاى عكس، معمولا با هم بسيار تفاوت دارد. يكى از مشتقات نورآدرنالين به نام [[–Isopropyle-Norepinephrin داراى خاصيت گشادكردن مجارى تنفسى[5] است. ايزومر فضايى اين ماده، يعنى [+]-Isopropyle-Norepinephrinدر مقايسه با همین خاصيت را با شدتى 800برابر نشان مى‌‌‌‌دهد. نكته‌‌‌‌ى جالب اينكه حالت راسميك، تنها نصف اثر نوع ]-[ را نشان مى‌‌‌‌دهد.
داروهاى انانتيومر هم مى‌‌‌‌توانند در اثرات خود تفاوتهاى عمده‌‌‌‌اى را آشكار كنند. برخى از اين داروها، نسبت به ايزومر نورى خود حالت مخالف Antagonist يا موافق Agonist نشان دهند. اين اثرات متناقض داروهاى نامتقارن مى‌‌‌‌تواند گاه باعث بروز فجايعى هم بشود. مثلا S-[-]-Propanolol داروييست با اثر تحريك كننده سيستم آدرنالى[6]. انانتيومر اين مولكول، يعنى R-[+]-Propanolol داراى اثر ضدحاملگى است . مخلوط راسميك اين دو شكل هم اثر ضدحاملگى از خود نشان مى‌‌‌‌دهد. پيش از اين هردو شكل فضايى اين دارو هاتوليد مى‌‌‌‌شدند و به همين دليل هم عده‌‌‌‌ى زيادى از زنانى كه شكل ]+[- R اين دارو را مصرف مى‌‌‌‌كردند، دچار نازايى شدند. فاجعه‌‌‌‌ى تاليدوميد Thalidomide هم به شكلى به همين شكست تقارن در داروهاى انانتيومر مربوط مى‌‌‌‌شد. تاليدوميد، دارويى آرام‌‌‌‌بخش است كه در شكل ]+[- Rخود اثر بدى بر دوره‌‌‌‌ى بارورى زنان نمى‌‌‌‌گذارد. ولى شكل عكس آن، يعنى S-[-]-Thalidomide داراى خاصيت Teratogenic است.به بيان ديگر، شكل ]-[ S آن باعث ايجاد ناهنجارى‌‌‌‌هاى شديد در جنين مى‌‌‌‌شود. ناآگاهى كارخانه‌‌‌‌هاى داروسازى از اين تفاوت عملكرد، چند دهه قبل باعث بروز فاجعه‌‌‌‌اى در آمريكا شد. به اين معنا كه عده‌‌‌‌ى زيادى از زنان مصرف كننده‌‌‌‌ى اين دارو، نوزادانى بدون دست و پا زاييدند.
ادامه مطلب: دوم:شكست تقارن در سطح سلولى
رفتن به: صفحات نخست و فهرست کتاب