《Science》125个最具挑战性的科学问题:为什么生命需要“手性”?
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发布时间：2024-10-21 10:41
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时间：2024-10-21 16:04
生命为何需要“手性”？探索科学挑战
何为“手性”？
探索双手的奥秘
双手在我们日常生活中无处不在，但你是否真正了解它们？当你仔细观察，你会发现，虽然双手看似一模一样，但它们实则互为镜像，左与右之间存在细微的不对称。这种现象，就是手性（Chirality），一种自然界的普遍属性，存在于从宇宙星云到路边植物的广泛领域。
手性与物质的分类
手性物质根据命名规则分为L构型和D构型，或R构型和S构型，用于区分左旋（左手性）或右旋（右手性）构型。这些构型不同的物质构成了对映异构体，而将相同量的对映异构体混合，即形成了外消旋体。
手性从何而来？
科学的两种解释
关于手性的起源，科学家们提出了生命学说和非生命学说两大主流观点。生命学说认为手性源于生命体内的生物分子，通过具有立体选择性的酶促反应产生不对称分子。而非生命学说则主张在生命起源之前，由于“手性性质的力”作用于有机底物，通过绝对的不对称合成或降解过程产生手性分子。
实验视角的探索
Frank的不对称自催化概念
1953年，英国化学家F. C. Frank提出了不对称自催化的理论，这一理论揭示了生成的手性产物也是该反应的手性催化剂，使得对映体自我增殖。1995年，日本化学家Kenso Soai报道了一个震惊科学界的实验：在嘧啶-3-醛与异丙基锌反应生成产物醇的过程中，加入少量低手性值的产物，生成的产物的两种对映异构体将出现明显的不对称过量，这证实了Soai反应，为手性起源提供了有力证据。
为何需要“手性”？
生命与手性的紧密联系
蛋白质、核酸等生命体重要有机分子几乎都是手性的，并且以单一构型存在。氨基酸中除了甲硫氨酸和甘氨酸外，其余均为L型，核糖核酸和脱氧核糖核酸中的核糖为D型，蛋白质和DNA的螺旋构象为右旋。手性的存在，使得同一结构的分子出现不同构型，在医药领域，两种不同构型的药物通常表现出不同的药效。
沙利度胺灾难与启示
悲剧背后的科学
历史上著名的“沙利度胺灾难”揭示了手性化合物对生命体的影响。沙利度胺有两种光学异构体，其中R构型是安全的镇静剂，而S构型则具有致畸性，影响胎儿四肢发育，导致婴儿四肢短小，海豹状。这一事件凸显了手性化合物的重要性，引发了全球对手性研究的高度重视。
手性化合物的应用与未来
从药物到材料
手性化合物的应用范围广泛，除了在医药领域引起关注，还被用于农药、材料等多个领域。随着研究的深入，手性物质在食品科学中的应用也将发挥重要作用。这一领域的研究，正引领着科学界的未来方向。
