הכימיה של החיים מעדיפה כמעט תמיד חומצות אמיניות “שמאליות”. מדוע אפוא יש בטבע יוצאים מן הכלל רבים כל כך?
אם תנסו לעצבן ברווזון שטוח רגל (פְּלַטיפּוּס) בעונת הייחום שלו, אתם עלולים לגלות שרגליו האחוריות, העבות והמגושמות, כרוכות סביבכם וסדרה של דרבנות חדים וגדושי ארס מאיימים עליכם. רעל הדקירה המכאיב מרחיק בצליעה זכרים מתחרים, והוא שימושי מאוד גם כהגנה מפני בני אדם מציקים וכלבים. אבל ההרכב הכימי של הארס חריג במידת מה, כצפוי אולי מיונק אוסטרלי מוזר שכזה, המטיל ביצים ומצויד במקור ברווזי. בארס הברווזון יש סדרה של מולקולות שביולוגים סברו בעבר שהן מצויות בטבע רק בעולם המיקרוסקופי של החיידקים.
המולקולות האלה הן תמונות ראי של החומצות האמיניות, המולקולות שתאי הגוף של כל היצורים החיים שוזרים זו בזו כדי ליצור את החלבונים החיוניים לתפקודם התקין. תמונות הראי המולקולריות האלה מורכבות בדיוק מאותם אטומים שמהם מורכבות כ-20 החומצות האמיניות ה”תקניות” המאכלסות את ארגז הכלים של הביולוגיה. ויותר מכך, האטומים האלה מחוברים זה לזה בדיוק באותו הסדר. עם כל זאת, ההכוונה המרחבית של הקשרים שונה מעט, ולכן המולקולות האלה נבדלות ממולקולות החומצות האמיניות הקלאסיות באותו אופן שבו כף ידנו השמאלית שונה מן הכף הימנית. ואף על פי כן בתגובות ביוכימיות אי-אפשר להחליף בין הצורות. בשל ההשוואה לכפות הידיים, החומצות האמיניות הקלאסיות מכונות “שמאליות”, ואילו תמונות הראי שלהן קרויות “ימניות”. [כימאים מכנים את התכונה הגאומטרית הזאת בשם “כיראליות”, הנובע מן המילה “יד” ביוונית – העורכים.]
בעבר סברו שחומצות אמיניות ימניות ממלאות תפקיד זניח בביוכימיה של בעלי חיים עיליים מפני שהן אינן אמורות להתאים למנגנון המולקולרי של רוב הצמחים ובעלי החיים ולכן אינן אמורות לתפקד בהם. ואולם, בשנים האחרונות צצו חומצות אמיניות ימניות פעילות מבחינה ביולוגית בכל מיני מקומות לא צפויים, החל בחומרים שסרטני ים (לובסטרים) מייצרים כדי ליזום יחסי מין וכלה בסם מעורר הזיות שציידים ילידים בפֶּרוּ משתמשים בו. והמרתק מכול, מתברר שחומצות אמיניות ימניות מבצעות משימות חשובות גם בפיזיולוגיה של האדם, ויש בהן הבטחה מרגשת לפיתוח טיפולים חדשים, ובהם טיפולים לסיסטיק פיברוזיס, לסכיזופרניה ולניוון מַקוּלַרי של הרשתית.
סולומון שניידר, חוקר מוח באוניברסיטת ג’ונס הופקינס, שערך את רוב המחקרים הראשונים שעסקו בתפקודן של חומצות אמיניות ימניות במוח, מספר שהוא נתקל בהתנגדות רבה כשניסה לפרסם את המאמרים הראשונים שלו בנושא. הוא מצא שהחומרים האלה מרתקים דווקא משום שהיה נראה כי הם “שוברים את החוק הראשון של ביולוגיית היונקים,” כדבריו. “כמו שקורה ברוב המקרים במדע, כשמתגלה משהו חדש או שונה באמת, יהיו מי שיגידו: ‘זה מגוחך’.”
אבל מתברר שמבחינה ביוכימית די בכמה צעדים פשוטים כדי להפוך חומצה אמינית שמאלית לתמונת הראי שלה. לפיכך נראה שזה היה בלתי נמנע שהאבולוציה תערוך ניסויים בהפקת חומצות אמיניות ימניות. “הטבע היה נבון דיו להשתמש בהן כל השנים,” אומר ריצ’רד לוֹסיק, העוסק בביולוגיה של התא בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת הרווארד. “אנחנו פשוט איחרנו להכיר בכך.”
תקלה מועילה
כיצד קרה הדבר שהחומצות האמיניות השמאליות השתלטו על אחיותיהן הימניות, עד כדי כך שהתפקידים הביולוגיים שלהן חמקו מתשומת לב ראויה אף על פי שהן אופיינו כבר בסוף המאה ה-19? יש מדענים הטוענים שהיתרון של החומצות האמיניות השמאליות נובע מאירוע קוסמולוגי השקול להטלת מטבע. הישויות הכימיות הראשונות שהיו מסוגלות לשכפל את עצמן בהצלחה השתמשו במקרה בחומצות אמיניות שמאליות, וההטיה הזאת התקבעה, כך מציע רוברט הֶייזֶן, גאופיזיקאי וחוקר ראשית החיים באוניברסיטת ג’ורג’ מייסון. תיאוריה פופולרית אחרת טוענת שאור מקוטב שנפלט מכוכב שסבב במהירות סביב צירו בגלקסיה הקדמונית שלנו הרס יותר חומצות אמיניות ימניות באופן סלקטיבי כלשהו ושיפר בדרך זו את סיכוייהן של החומצות האמיניות השמאליות לשמש אבני הבניין של החיים. שתי הצורות מכונות גם חומצות אמיניות-L וחומצות אמיניות-D. הסימון נובע מן המילים הלטיניות laevus (שמאל) ו- dexter(ימין).
משנוצרה הבחירה הזאת היא עודדה את האבולוציה להנציח את החומצות האמיניות השולטות, מסביר ג’רלד ג’ויס, חוקר ראשית החיים במכון המחקר סקריפס בלה יולה שבקליפורניה, “באופן דומה לדרך שבה נוצרה ברכת השלום המקובלת בתרבות המערבית באמצעות לחיצת יד ימין”. הברכה הייתה פועלת בצורה דומה אילו הסכמנו כולנו ללחוץ את יד שמאל, אבל לולי הייתה דרך מקובלת היו נוצרים מפגשים מסורבלים רבים. וכך רוב המנגנונים של תאים חיים, החל באנזימים שמייצרים חומצות אמיניות וכלה במבנים המסובכים הידועים בשם ריבוזומים – אשר חורזים יחד חומצות אמיניות ויוצרים חלבונים – מותאמים לפעולה עם חומצות אמיניות שמאליות ולא עם בנות זוגן הימניות.
למעשה, ההכרעה המוקדמת הזאת של החיים להעדיף חומצות אמיניות שמאליות השפיעה גם על הכיראליות של סדרה אחרת של תרכובות אורגניות: הפחמימות. בעשר השנים האחרונות ערכו קבוצות מחקר רבות ניסויים בתמיסות המדמות את “המרק הקדמוני”, שאולי התקיים בכדור הארץ לפני כארבעה מיליארדי שנה. הם גילו שאם יש בתמיסות האלה עודף של כמה חומצות אמיניות פשוטות שמאליות, הן גורמות, מסיבות כימיות מסובכות, להעדפה של יצירת פחמימות ימניות, העדפה כיראלית שאכן תקפה בכל העולם הביולוגי.
המולקולות המפרות את כלל החומצות האמיניות השמאליות בטבע זכו לתשומת לב נרחבת יותר רק בשנות ה-90 של המאה ה-20, לאחר ששניידר הראה שכמה תרכובות ימניות משמשות שליחים עצביים במוח האדם. ב-2002 קבע הכימאי פיליפ קוּכֶל מאוניברסיטת סידני שבאֶרס הברווזון יש חומצות אמיניות ימניות. ב-2009 דיווחו חוקרים בהרווארד ובמכון הרפואי הווארד יוז שלכמה חומצות אמיניות ימניות יש תפקידים לא מוכרים ובלתי צפויים בדופן התא של חיידקים. ב-2010 גילו חוקרים שמושבות מורכבות של חיידקים הפרושות ברבדים דקים על פני משטחים, ממעיינות חמים ועד ציוד רפואי, משתמשות כנראה בחומצות אמיניות ימניות כאות המבשר את פרישתו של הרובד הביולוגי.
בבני אדם נמצא שהחומצה האמינית D-אַסְפַּרְטָאט משמשת שליח עצבי המעורב בהתפתחות תקינה של המוח. נוסף על כך, החומצה האמינית D-סֶרין פועלת עם החומצה האמינית השמאלית L-גְלוּטַמָאט לשפעול של מולקולות עצביות החיוניות לתהליך שחוקרי המוח מכנים גמישות (פלסטיות) סינפטית, החיוני בתורו ללמידה וליצירת זיכרונות. נראה גם שסֶרין ימני ממלא תפקיד חשוב בהפרעה הנפשית רבת הפנים סכיזופרניה. לסובלים מן המחלה הזאת יש פחות מדי D-סֶרין במוח, ממצא שהניע כמה חברות תרופות לחפש דרכים לתגבר את רמות הסֶרין הימני. ואולם, עודף של סֶרין ימני עלול לגרום לבעיות בנסיבות אחרות. ריכוז גבוה מדי עלול לגרום לנזק מוחי מוגבר לאחר שבץ. חוקרים מנסים אפוא לפתח תרופות שיורידו את רמות הסֶרין הימני כדי למתן את ההשפעות המזיקות של השבץ.
בתי החרושת התאיים שלנו מייצרים רק חומצות אמיניות שמאליות. כיצד אפוא יש בגופנו, בסופו של דבר, גם חומצות אמיניות ימניות, תהו החוקרים. שניידר גילה שתאי המוח אינם בונים מולקולות ימניות של סֶרין מן היסוד. למעשה, הם מייצרים אנזים שהופך את הכיראליות של החומצה האמינית סֶרין מצורת L לצורת D. זאת דרך מחוכמת לנצל את הרמות הגבוהות של חומצות אמיניות שמאליות שכבר מצויות בתא.
הביולוגיה משתמשת באותה השיטה גם כשהחומצות האמיניות הימניות הן חלק מפֶּפְּטיד, שרשרת קצרה של חומצות אמיניות, כמו זה המצוי בארס הברווזון. במקרים כאלה המנגנון המהימן של הריבוזום בונה את הפפטיד כרגיל, מחומצות אמיניות שמאליות. אחר כך אנזים משפעל את המבנה של אחת מן החומצות האמיניות בפפטיד והופך אותה מצורת L לצורת D. הטבע “תופס טרמפ” על המנגנון לייצור חומצות אמיניות שמאליות ולחיבורן זו לזו, ולכן הוא אינו נדרש לפתח מערכת שלמה של אנזימים ביו-סינתטיים, שהיו דרושים לוּ נדרשה בניית המולקולות הימניות מן היסוד, מסביר גינטר קרייל, כימאי באקדמיה האוסטרית למדעים בווינה, שגילה ב-2005 את האנזים היוצר חומצות אמיניות ימניות המצויות בארס של צפרדעי עצים רעילות בדרום אמריקה.
קרייל החל להתעניין בנושא לאחר ששמע לראשונה על תושבים ילידים בפרו, הקרויים מַאטְסֶס, המשתמשים בטקסי הציד שלהם בסמים חזקים מעוררי הזיות. בסמים יש פפטידים המצויים בעורן של צפרדעי עצים מסוג Phyllomedusa bicolor הכוללים חומצות אמיניות ימניות. המַאטְסֶס צורבים את עור החזה שלהם ואז מורחים את תמצית עור הצפרדעים על הכוויות. הסם גורם להם מיד לשלשול ולדפיקות לב ואחר כך מפיל עליהם עילפון. הם מתעוררים בחושים חדים מאוד ובתחושה שיש להם כוח על-אנושי. הפפטיד שמייצרות הצפרדעים מורכב כמעט כולו מחומצות אמיניות שמאליות, אבל ללא החומצה האמינית הימנית היחידה המצויה בו הסם אינו מעורר הזיות כלל, אומר קרייל.
עולם הצללים
אף על פי שחומצות אמיניות ימניות מופיעות ברעלנים במגוון רחב של יצורים חיים, יש גם כאלה שבהם למולקולות האלה תכלית שלווה יותר. סרטני ים, לדוגמה, משתמשים בחומצות אמיניות ימניות כדי להמריץ את חיי המין שלהם וכדי לשמור על רמות מלח תקינות בגופם.
ועם כל זאת, המשתמשים הכבדים ביותר בחומצות אמיניות ימניות הם עדיין היצורים החד-תאיים, וגם כאן החוקרים מגלים תפקידים חדשים למולקולות האלה. רוב החיידקים בונים את דופן התא שלהם מחומר המשלב סוכרים וחלבונים הקרוי פֶּפְּטידוֹגְליקַן ומכיל D-אַלַנין וחומצות אמיניות ימניות נוספות. ב-2009 גילה מתיו ולדור מאוניברסיטת הרווארד ומן המרכז הרפואי הווארד יוז שהחיידקים מחזקים את הפֶּפְּטידוֹגְליקַן באמצעות “מלט” שבו D-מֶתיוֹנין ו-D-לוֹיצין. החומצות האמיניות הימניות האלה יכולות גם לשנות את המבנה של פֶּפְּטידוֹגְליקַן בחיידקים שכנים, ואפילו ממינים שונים. התגלית מרמזת שייתכן כי החיידקים יכולים להשתמש במולקולות האלה כדי לתאם פעילויות רב-תאיות כגון הדלקת זוהר פלואורסצנטי ובניית רובד חיידקי, אומר ולדור. הבנת הדרך שבה החיידקים מתקשרים ביניהם באמצעות חומצות אמיניות ימניות מושכת מאוד את תשומת לבם של המעוניינים לפתח תרופות או מוצרים המפרקים רבדים חיידקיים על גבי השיניים שלנו, בריאותיהם של חולי סיסטיק פיברוזיס, בצינורות דלק ועל ציוד רפואי כמו צנתרים.
אחת הסיבות שחיידקים ובעלי חיים ארסיים משתמשים בחומצות אמיניות ימניות היא שנוכחותן של חומצות כאלה בפפטיד, או בחלבון גדול יותר, מקשָה על האנזימים של הפונדקאי או של האויב לפרקם. לכל בעלי החיים יש אנזימים, הקרויים פְּרוֹטֶאַזוֹת, שתפקידם לפרק במהירות חלבונים הבנויים מחומצות אמיניות שמאליות – אבל לא ימניות. למעשה, מפתחי תרופות ניסו להוסיף חומצות אמיניות ימניות על חלבונים ופפטידים רפואיים כדי להתחמק מפעולות הטאטוא של הפְּרוֹטֶאַזוֹת ולשרוד זמן ארוך יותר בגוף.
כעת, כשחוקרים בוחנים את עולמן החדש והמוזר של החומצות האמיניות הימניות, הם מחפשים תפקידים נוספים שהמולקולות האלה עשויות למלא. לוסיק ואחרים מניחים, למשל, שלפחות מקצת החומצות האמיניות הימניות המיוצרות באמצעות טריליוני התאים החיידקיים המצויים על גבי עורנו, במעיים שלנו ובאזורים אחרים בגוף, עשויות להשפיע השפעה חשובה על רווחתנו, על בריאותנו ואולי אף על התנהגותנו.
אחת השאלות הגדולות המעסיקות כיום את חוקרי החומצות האמיניות הימניות היא אם מלבד המוח יש עוד איבר המייצר את המולקולות האלה באופן פעיל. התוצאות הראשוניות מרמזות שכך הדבר. קבוצת המחקר של יוקו נאגאטה מאוניברסיטת ניהון בטוקיו דיווחה על חומצות אמיניות ימניות ברוק של בני אדם. חוקרים בראשותו של קנג’י הַמַסֶה מאוניברסיטת קיוּשוּ ביפן הבחינו בריכוזים גבוהים של D-אלנין בתאי ביתא מפרישי אינסולין בלבלב של חולדות. נוסף על כך, בניסויים ראשוניים שנערכו בעת האחרונה במעבדתו של קוּכֶל באוסטרליה הוא מצא בלבבות של עכברים ובני אדם אנזימים שממירים חומצות אמיניות שמאליות בימניות, בדומה לאנזימים המצויים בארס הברווזון.
ואולם, התפקיד המדויק שממלאים אנזימים כאלה בפיזיולוגיה האנושית הוא “תעלומה גמורה”, כדברי קוכל. אבל לפחות עצם הרעיון שהם ממלאים תפקידים חשובים כבר אינו נראה מגוחך.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
בקיצור
לחומצות האמיניות, אבני הבניין של החלבונים, יש שתי צורות, שכמו כפות ידינו, הן תמונות ראי זו של זו. כשהחלו החיים על כדור הארץ הם העדיפו את החומצות האמיניות ה”שמאליות” מן ה”ימניות” לביצוע הפעילויות בתאים.
זמן רב נמצאו היוצאים מן הכלל היחידים בחיידקים. ואולם, בשנים האחרונות נמצאו יותר ויותר דוגמאות לכך גם בבעלי חיים עיליים, ובהם בני אדם.
חוקרים ביו-רפואיים מחפשים יישומים לחומצות האמיניות האקזוטיות האלה כדי לטפל במחלות כגון סכיזופרניה, סיסטיק פיברוזיס וניוון רשתי.
על המחברת
שרה אֶוֶורְטְס, ילידת מונטריאול, היא הכתבת בברלין של כתב העת השבועי לחדשות בכימיה ובהנדסה. היא גם מנהלת בלוג על אודות אמנות ומדע בשם Artful Science.
קרדיט: ג’ן כריסטיינסן
ועוד בנושא
The New Ambidextrous Universe: Symmetry and Asymmetry from Mirror Reflections to Superstrings. Third revised edition. Martin Gardner. Dover, 2005.
High Dose D-Serine in the Treatment of Schizophrenia. Joshua Kantrowitz et al. in Schizophrenia Research, Vol. 121, No. 1, pages 125-130; August 2010.
D-Amino Acids in Chemistry, Life Sciences, and Biotechnology. Edited by Hans Brückner and Noriko Fujii. Wiley, 2011.
Emerging Knowledge of Regulatory Roles of D-Amino Acids in Bacteria. Felipe Cava et al. in Cellular and Molecular Life Sciences, Vol. 68, No. 5, pages 817–831; March 2011. www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3037491
עוד בנושא באתר הידען:
2 תגובות
אולי במערכת העיכול(יש הרבה חידקים מועילים)מיוצרות מולקולות ימניות,כך אולי אפשר להתגבר על רגישות לגלוטן.
יתכן שלכוח החלש יש תפקיד בחוסר סימטריה הזה.