[筆記]生命世界的旋光性

http://brc.se.fju.edu.tw/protein/structure/basic.htm#光學
參考資料: 魏耀揮等譯 生物化學原理 p83~85 國立編譯館
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自然界中所發現、具有一個不對稱中心的生物化合物，幾乎都只以一種空間異構物的形式存在，不是左旋便是右旋。除了沒有不對稱中心的甘胺酸之外，蛋白質的胺基酸都是左旋-空間異構物。經過對胺基酸的光學性質以及有機反應的許多化學試驗，我們獲得以上結論。有一些右旋-胺基酸的確存在於活體之內，但是它們卻從未在蛋白質內被發現過。
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構成蛋白質的胺基酸都是左旋-空間異構物是明顯可見的。因為普通不在生物體內、那些我們用來合成具有不對稱碳原子的化合物，其化學反應總是產生非光學活性產物；這是因為普通的化學反應以相等的速率產生左旋和右旋空間異構物，所以產物是消旋性混合物(racemic mixture或racemate)，亦即左旋和右旋異構物之等莫耳混合物，而不會旋轉平面偏極光。
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消旋性混合物可以藉著物理分餾法被分離成左旋、右旋異構物。純粹的左旋或右旋異構物最後將會變成消旋性混合物。活細胞有特殊能力藉著空間特異性酶(stereospecific enzyme)來合成左旋胺基酸，由於這些酶的活性位置為不對稱，因此得以形成它們的空間特異性。

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http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=126
左邊？右邊？----分子旋光性的新解釋
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生物最重要的兩種組成物質----胺基酸與糖類，分別為左旋和右旋分子。現在有一個新理論解釋生命為何這樣選擇。
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分子的旋光性最早由十九世紀的Pasteur發現。他發現酒石酸的結晶有兩種相對的結晶型，成溶液時會使光向相反的方向旋轉，因而定出分子有左旋與右旋的不同結構。
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這種差異在製藥上是關係重大的。不同的旋光性可能有不同的生理意義。舉葡萄糖為例，人體只能消化右旋型，因此左旋性便可做為人工無卡路里的糖精，而兩者都有甜味。理論上，完全使用右旋性分子的生命史是有可能出現的，但歷史選擇了左旋的蛋白質。沒有人知道為什麼。
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有幾種理論解釋。第一種推測由於陽光循環性的在極化，且偏好向較暗端極化，因此引發了早期地球上的光驅動反應中，生成的物質旋光性不再維持平衡，而偏向某一方。
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但另外有證據指出隕石上與地球物質有同樣的旋光性，因此地球上分子的旋光性偏向也可能是由隕石所引發。
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而Rikken 等人的研究則指出磁場可以和非極性的光（遠較極性光常見）作用，在分子由光驅動反應中形成時，促使分子旋光性偏向一方。實驗中當光由相反的方向通過磁場時，相反旋光性的分子會吸收較多的光能。這個結果暗示地球磁場與陽光的作用可能是分子具特定旋光性的原因，即使這個實驗結果在現實上發生的可能性微乎其微。
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http://203.68.20.65/science/content/1984/00010169/0005.htm
左‧左‧左又左
旋光物質的發現、理論及合成
(節錄)
酒石酸鉀（Ｃ4Ｈ5 O6 K）是葡萄汁中的成分，當葡萄汁中的糖分發酵成酒精之後，使得酒石酸鉀的溶解度降低而沉澱出來。鉀鹽加酸之後成酒石酸，1815年，比歐（Biot）發現分離出來的酒石酸有兩種同分異構物（C4 H6 O6），其一無旋光性，另一種卻具右旋性；就是說極化光通過酒石酸的結晶或溶液時，會向右改變方向。
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向右旋轉者訂為（＋），dextro，向左者為（－），levo。
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直到1848年，比歐的助理巴斯德（Pasteur）重覆舊實驗，才發現右轉的酒石酸銨鈉〔Na(NH4) C4 H4 O6．4H2 O〕結晶形是不對稱的，好比只有右手。而無旋光性的酒石酸銨鈉卻有左手和右手兩種結晶形！
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他在放大鏡之下把左右兩種晶形分開，右形的結晶旋光向右，左形的結晶體旋光向左。將等量的左右形結晶配成溶液，其旋光性即消失！他告訴了比歐之後，比歐給了他一瓶自己早先測過，沒有旋光性的酒石酸，當面叫他作成銨鈉鹽，等慢慢地在空氣中結晶後，巴斯德將左形結晶分出來測定，果然是左旋的！
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巴斯德的結晶只有在28。C以下才會結成左右兩種晶形。如果從熱的濃溶液中結晶出來，分子式則為Na(NH4)2． C4 H3 O6．H2 O，晶形對稱，其中左右旋的化學成分各半，沒有旋光性，無怪乎前人沒見到。
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而且至今百年來，這種能以晶形之不同而分出左、右旋化合物之例子僅有九個！此後巴斯德又陸續發現了左轉的兩種胺基酸及蘋果酸，並研究分離左右旋酒石酸的方法：其一是將不旋光的酒石酸跟奎寧（植物鹼，具左旋性）形成有機鹽，則右旋的酒石酸鹽溶解度較低，先成結晶而析出，左旋的就留在溶液中。其二是把不旋光的酒石酸以黴菌處理，則右旋成分被破壞掉，而留下左旋的化合物。至今分離左右旋同分異構物仍舊沿用這兩種方法。
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1858年，克苦勒和庫伯首先提出碳是個四價的原子，上面接著四個單價元素的構想，而於1874年，范荷夫（van't Hoff）及勒貝爾（LeBel）則提出碳化物之立體結構論。他們推定碳以四個化學鍵，形成正四面體，來解釋旋光同分異構物。當四個鍵上接著四個不同的東西時，則其鏡像必與本身不同，兩者有如左右手稱作「對掌性」（chirality），而這中心碳原子稱作「不對稱碳」。這種具對掌性的鏡像異構物，旋光程度一致，但方向相反。其他的化學及物理性質則完全相同。當時范荷夫還是博士班的學生，正遲疑應否提出這種構想，因為已知之旋光化合物只有十幾個，化學權威如柯比（Kolbe）等就不相信，指責立體結構論是「幻想、純胡說、毫無根據、瘋子的論調」，經他一罵，卻替范荷夫和勒貝爾打開了知名度。其後十年，大家發現了更多的證據，柯比也已去逝，立體論遂被接受。至於價鍵之真正理論還等到二十世紀有了量子論之後才能解說完整。而且除碳之外，任何立體構造有對掌性的，即有左、右旋之可能。
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到了1891年，糖化學的老祖宗費雪（Fischer）把最簡單的醣類，丙二醇醛（glyceraldehyde）向右旋的那一種「規定」成「右型」（D-form）。其他醣類及胺基酸的化合物則比照排列，與D-型丙二醇醛排列相同者為D型，相反者為L型。當時大家對原子之存在還很懷疑，化學家雖然早已用球作原子，桿子作鍵來表示化學構造，卻沒有物理方法可以斷定化合物之真正構造。費雪也可以把右旋的丙二醇醛訂成L型──D、L只是個「規定」，不一定右旋或左旋！比如很多L型胺基酸的旋光性是向右的──就是說費雪猜錯的機率也有50％。1951年，范荷夫之「徒孫」皮勃特（Bijvoet）終於用X-光結晶法測知右旋的丙二醇醛，的確是如圖所示的D型。很幸運的，這沿用了五十多年的規定不必更改了。但為避免混淆，目前立體化學都採用R（rectus）和S（sinister）的系統：先依原子序或原子量決定碳上a、b、c、d之大小（假設a＞b＞c＞d），將最小的d排在距眼睛最遠處，如果a到b到c是順時針方向的叫R型；反之為S型。
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酒石酸的構造中有兩個不對稱碳，每個碳有個鏡像，兩個碳就有2×2＝4個鏡像，但是巴斯德只發現三種：左旋、右旋及對稱無旋光性的。其解釋如圖五，左旋（2S, 3S）和右旋（2R, 3R）的酒石酸互為鏡像異構物。而對稱的酒石酸（2R, 3S），其鏡像翻個180。就跟本化合物是一樣的，沒有左右手之分。
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從大自然的生物中所提取的化合物，如蔗糖、味精、盤尼西林等都具有旋光性，而由實驗室或化工廠所製成之化合物則為左右各半之混旋物，沒有旋光性！要把左、右分開可用巴斯德所發現的黴菌處理或製成衍生物的方法外，還有一種新的晶種分離法。以製造味精（麩酸鈉）為例，丙烯氰（化合物1）、一氧化碳及氫在鈷化合物催化下變成化合物2，再加入氰酸及氨水變成化合物3，化合物3在鹼中水解變成麩酸鈉（化合物4），是左右各半的混旋物。幸好此物中和成麩酸之後，加入少量的S型麩酸的結晶作種，於是先結晶出來的都是S型。天然的麩酸是S型（右旋），也只有S型有「旨味」，能使「清水變雞湯」。留存在溶液中的R型可放入硫酸中加熱，變回左右之混旋物，再度用(S)晶種來分。適用晶種分離的例子也很少。總之，人工之初產物都是左右各半的化合物，要經過分離及回收的手續，事倍而功半。
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要突破這種困境，則等到十多年前化學家比擬自然界發展出不齊合成（asymmetric synthesis）的方法，蒙山多（Monsanto）公司之諾士（Knowles）發明用一種含磷的化合物（化合物5）作催化劑，將化合物6氫化成胺基酸（化合物7）。由於化合物5具有對掌性，促使產物7的旋光性強度為純自然物（S型）之95％〔鏡像超度（enantiomeric excess, ee）〕，即產物中97.5％為S型，只有2.5％是R型！反應過程中，化合物6取代了5式右邊的環辛二烯，然後氫只能從化合物6的下面加進去，變成幾乎純是S型。化合物7水解之後為L-DOPA，是一種治巴金森（Parkinson）症的藥物。