¿Por qué la estructura de doble hélice del ADN tiene una estabilidad especial?
Repostear el misterio de la quiralidad - de izquierda a derecha
La definición de quiralidad
Ahora es el momento de hablar sobre quiralidad de manera fluida.
La palabra quiralidad (=mano) proviene de la palabra griega "mano" χειρ (cheir), que hace referencia a las diferentes características de la mano izquierda y la mano derecha. Sólo hay dos categorías de quiralidad y sustancias quirales: zurdos y diestros. A veces, a modo de comparación, se añade como referencia una quiralidad adicional (sin quiralidad), que puede denominarse "quiralidad neutra". La zurda está representada por el alumno o L, la diestra está representada por Dexter o D, y la quiralidad neutral está representada por M.
La quiralidad se puede explicar por la simetría. La simetría rotacional (a veces llamada simetría radial, de manera imprecisa) es común en las plantas, lo que se refiere a la existencia de un eje de simetría rotacional. Por ejemplo, las flores de Dianthus dianthus, petunias y pepinos generalmente tienen cinco simetrías rotacionales, y cada flor gira 2π. ./5=360°/5=72°, coincide consigo mismo una vez. Otro ejemplo es que las plantas de iris suelen tener una simetría rotacional triple. Además, existen simetrías de traslación, simetrías de estiramiento, etc., pero la simetría encarnada por la quiralidad es diferente de éstas. Es imposible que la mano izquierda (sexualidad) y la mano derecha (sexualidad) coincidan completamente con una sola traslación y rotación. Deben reflejarse para superponerse, por lo que la simetría quiral también se llama simetría de reflexión especular. En pocas palabras, el objeto en el espejo es exactamente lo opuesto al objeto original en quiralidad. Por esta razón, los espejos no son perfectos para exhibir objetos físicos. No sé si otros tienen esa experiencia. Cuando operé la herramienta por primera vez según la imagen en el espejo, a menudo invertía la izquierda y la derecha, y me tomó un tiempo acostumbrarme.
Originalmente estudié geología. En mi primer año de universidad, tuve que aprender "Cristalografía y Mineralogía", usando el libro de texto editado por Pan Zhaolu del Instituto de Geología de Wuhan. En 1984, el Sr. Cao, un experto en mineralogía, nos enseñó en el edificio ruso de la Universidad de Pekín. Usualmente usaba un triciclo para transportar un carro con modelos de madera desde el piso 12 de la Universidad de Pekín (ahora demolido). Cuando la clase hablaba sobre la simetría de los cristales, todos jugaron repetidamente con modelos grandes y pequeños. Aprendí en clase que hay 47 formas simples en los cristales, de las cuales hay 5 simples (todas con nombres muy profesionales, incluido praxaedro trigonal, praxaedro tetragonal, praxaedro hexagonal, tritetraedro pentagonal y trioctaedro pentagonal. "Cuerpo correspondiente" significa que hay). son formas izquierda y derecha al mismo tiempo. Es imposible explicarlo específicamente aquí, sólo hay que saber que la geología moderna ha estado expuesta al concepto de quiralidad desde el principio.
En química, las moléculas que tienen la misma composición pero que son imágenes especulares (enantiómeros) entre sí en la estructura espacial se denominan moléculas quirales.
A veces las propiedades de las moléculas quirales son similares, y a veces son muy diferentes, e incluso una es beneficiosa y la otra perjudicial para el ser humano. El aroma a pomelo de los dos enantiómeros de nootkaona con la fórmula química C17H20O es en realidad 750 veces diferente (según el artículo de Song Xinqi, consulte "Tendencias científicas y tecnológicas extranjeras", número 11, 2001). La estructura de esa sustancia está determinada, porque los receptores que actúan sobre el sentido del olfato humano también están compuestos de moléculas quirales, y sólo la combinación quiral puede producir un sentido del olfato perceptible. Algunas hormonas de los insectos también son selectivas para los quirales. Una determinada especie quiral sólo puede atraer a los machos, mientras que su contraparte sólo puede atraer a las hembras. Entre los medicamentos, cuando el nombre del medicamento es el mismo pero la configuración quiral es diferente, las propiedades medicinales también son diferentes. Por ejemplo, el isómero L del tetramidazol es un antihelmíntico, mientras que el isómero D es un antidepresivo; el isómero L de la tiroxina sódica es una hormona tiroidea, mientras que el isómero D es un fármaco hipolipidémico, etc. (según Yuan). Ke y Dai Lixin, "Investigación sobre terminología científica y tecnológica, número 2, 2002). La controvertida "talidomida" es una droga sintética que es una mezcla de dos enantiómeros. Se ha sugerido que una contraparte puede ser terapéutica, mientras que la otra puede ser dañina. Como resultado, la industria farmacéutica posterior y los pacientes fueron muy sensibles a la quiralidad molecular de los fármacos.
La quiralidad puede describir cosas extremadamente diversas, que van desde brazos espirales de galaxias, rotaciones planetarias, ciclones atmosféricos, hasta cristales minerales, moléculas orgánicas, corriente de amperios, no conservación de la paridad de interacciones débiles, etc. En botánica, la quiralidad también es una característica morfológica importante. Las formas simétricas (como las hojas de arce y el paphiopedilum, pero no absolutamente simétricas. La simetría absoluta sólo se puede encontrar en matemáticas) y la dirección espiral de los tallos de las plantas trepadoras y sinuosas. quiralidad. Para las hélices, la denominación de las dos quiralidades es relativa, en principio, una de ellas puede definirse arbitrariamente y la otra será exactamente opuesta. De hecho, a lo largo de la historia las personas han dado diferentes definiciones.
En un artículo soviético traducido de la revista "El conocimiento es poder" en la década de 1960, los términos para la lateralidad son exactamente opuestos a los términos populares actuales. No existe una definición correcta o incorrecta, la clave es dejarla clara.
En cuanto a la quiralidad de una espiral, nuestra definición es: estirar una mano, dejar que el pulgar apunte al eje de la espiral (no hay necesidad de preocuparse por en qué dirección es la dirección de crecimiento) y hacer un puño con los otros cuatro dedos, por lo que hay una dirección "hacia adelante" desde la palma hasta las yemas de los 4 dedos si es la dirección hacia adelante de la espiral (no es necesario que sea la dirección de crecimiento, pero debe ser consistente con la dirección de crecimiento). dirección del pulgar) es exactamente consistente con la mano izquierda extendida, entonces la espiral es zurda. Si es consistente con la dirección del pulgar, la espiral es zurda. Si la mano derecha coincide, es diestra. entregado. Es difícil decirlo, pero si miras el gráfico, lo entenderás de inmediato. Esto es similar a la regla de Ampére en el electromagnetismo. La regla de Ampére explica dos situaciones: 1) La dirección de la corriente en el cable recto que transporta corriente y la dirección del campo magnético inducido. Deje que el pulgar de su mano derecha apunte en la dirección de la corriente y la dirección de los cuatro dedos sea la dirección del campo magnético. 2) La dirección de la corriente en el solenoide portador de corriente y la dirección del campo magnético inducido del solenoide. Deje que los cuatro dedos de su mano derecha apunten desde la palma hacia los dedos en la dirección de la corriente, y luego el pulgar apunte hacia el polo norte del campo magnético inducido. La regla de la mano derecha del electromagnetismo (comúnmente conocida como regla de Fleming en este momento) también se usa para expresar la relación general entre el campo eléctrico, el campo magnético y la dirección del movimiento en el ejemplo de un alambre cerrado en movimiento que corta líneas de fuerza magnéticas. Para producir una corriente inducida, extienda la mano derecha y deje que la palma de la mano mire hacia el polo norte magnético, el pulgar apunte a la dirección del movimiento del cable y los cuatro dedos apunten a la dirección de la corriente inducida. Este es todo el contenido de la física de la escuela secundaria. Repasémoslo aquí.
La quiralidad vegetal también se puede definir de la siguiente manera: en un extremo de crecimiento o movimiento, visto desde el eje vertical, si la espiral es en el sentido de las agujas del reloj, es zurda; si la espiral es en el sentido contrario a las agujas del reloj, es; zurdo. Las dos definiciones son equivalentes, pero la segunda definición es mucho menos conveniente y práctica que la primera, y es fácil confundirse. Una hélice izquierda se llama hélice izquierda; una hélice derecha se llama hélice derecha. En meteorología, la definición es la misma. En el hemisferio norte, las áreas de baja presión pueden formar ciclones de dirección izquierda y las áreas de alta presión pueden formar ciclones de dirección derecha. En el hemisferio sur ocurre lo contrario.
En cuanto al "giro" en la parte posterior de mi cabeza, gira hacia la izquierda en relación con mi propio cuerpo. Visto desde lo alto de mi cabeza, el cabello gira en sentido antihorario. El "giro" de esta persona cumple con la regla de la mano derecha y debe considerarse diestro.
La definición de quiralidad utilizada por T.A. Cook en "La curva de la vida" es equivalente a nuestra definición, pero la afirmación es extremadamente engorrosa y no puede ser elogiada. Casi todo el libro "La curva de la vida" analiza la rotación y la quiralidad, utilizando tales convenciones.
Pero como dice Cook: "Aquí, sin embargo, me opondría firmemente a cierta terminología utilizada por los botánicos. Llaman 'dextral' a la espiral izquierda de una cuerda. Se dice que". este tipo de cuerda es tejida por personas diestras. Entonces, ¿cuál es la razón para llamar a la madreselva "zurda"? "De hecho, también creo que las definiciones implícitas en algunos libros sobre plantas son muy inconsistentes. Estamos de acuerdo con el uso que hace Cook de que la madreselva es zurda, es decir, zurda.
Entonces, ¿cómo define el reino vegetal la quiralidad? "Cómo dibujar plantas", editado por Chen Rongdao (Segunda edición de China Forestry Press, 2002), dice: "Aquellos que se tuercen y tuercen de izquierda a derecha se llaman tallos retorcidos hacia la izquierda, como la campanilla, la glicina y la enredadera. De derecha a izquierda Los tallos torcidos se llaman tallos torcidos a la derecha, como el lúpulo, la schisandra, etc.” (Página 144) La definición en sí no está clara ¿Qué son “de izquierda a derecha” y “de derecha a izquierda”? Esto es como la predicción de un maestro a miles de kilómetros de distancia de que el cohete se desviará 15 cm hacia la izquierda antes del lanzamiento. No tiene sentido porque puede evitar ser falsificado. Si lo miras en una dirección, se desviará hacia la izquierda. , y si miras en otra dirección, se desviará hacia la derecha. Lo mismo ocurre con las plantas. La dirección de crecimiento debe especificarse antes de que queden claros los conceptos de izquierda y derecha. De lo contrario, la izquierda es la derecha y la derecha es la izquierda. Pero el ejemplo dado es casi claro, porque la quiralidad del lúpulo y la Schisandra chinensis es la misma. Según nuestra definición, es zurdo, pero según su definición, es diestro. A partir de los ejemplos dados, podemos adivinar que su definición es exactamente opuesta a la de la ciencia matemática, y también opuesta a nuestra definición. Estamos acostumbrados a llamar a las campanillas y otros animales diestros, y a los lúpulos, etc., zurdos. Consulte los detalles a continuación. La razón por la que se dice que es "aproximadamente" clara es porque la quiralidad de Wisteria es relativamente compleja. Como se puede ver a continuación, las plantas del género Wisteria son tanto diestras como zurdas.
El uso de la quiralidad en matemáticas y física se puede confirmar en "De las pompas de jabón a las biopelículas de cristal líquido" escrito por Ouyang Zhongcan y Liu Jixing (una de las series "Los científicos hablan de física" de Hunan Education Press , 1994). El libro escribe: "La mayoría de las moléculas de aminoácidos biológicos que se encuentran en la Tierra son zurdas, y todas las proteínas naturales están compuestas de aminoácidos zurdos. La mayoría de las proteínas y el material genético del ADN compuesto de estas moléculas zurdas tienen una estructura helicoidal diestra. Algunos organismos, como las bacterias espirales, las plantas que se enrollan hacia arriba y las caracolas, son todos diestros." (Páginas 127-128) El libro también utiliza gráficos para ilustrar claramente el significado de la palabra izquierda. diestro y diestro. Se puede decir inequívocamente que esto es totalmente coherente con nuestro entendimiento.
En química, las moléculas quirales se identifican por sus características ópticas. Las moléculas de diferente quiralidad tienen diferentes actividades ópticas. El enantiómero que puede girar la luz polarizada plana en el sentido de las agujas del reloj se llama forma dextrógira, denotada como (+) o D, y el opuesto se llama forma levógira, denotada como (-) o L. Cuando se mezclan cantidades iguales de moléculas enantioméricas, ya no provocan la rotación de la luz polarizada plana y el líquido no tiene actividad óptica y se denomina racemato, denotado como (±) o DL.
En 1953, Watson y Crick propusieron el famoso modelo de estructura de doble hélice del ADN. Construyeron una estructura de doble hélice derecha. Cuando la disposición de las bases asume esta estructura, la energía de la molécula está en su punto más bajo. En "La doble hélice: la historia del descubrimiento de la estructura del ADN" (una traducción al chino publicada por Science Press en 1984) que Watson escribió más tarde, hay múltiples diagramas de la estructura del ADN, todos los cuales son diestros. Esta doble hélice muestra la estructura secundaria de la molécula de ADN. Entonces, ¿existe sólo diestro en la estructura secundaria del ADN? La respuesta es no. Aunque la mayoría de las moléculas de ADN son diestras, como el ADN-A, el ADN-B (la conformación más activa) y el ADN-C, en 1979 Rich propuso una estructura de ADN-Z que es parcialmente zurda. Ahora resulta que esta estructura de ADN Z zurdo es sólo un complemento del modelo de estructura de doble hélice diestro. El siglo XXI es la era de la información o la era de la información sobre la vida. Sólo en Beijing se han erigido muchas esculturas arquitectónicas de doble hélice de ADN, entre ellas un enorme modelo de doble hélice frente a un instituto de investigación en la Academia de la Universidad de Hubei. de Ciencias de la Vida detrás de la Universidad de Pekín. La gente tiende a pensar en ello como un modelo de ADN, pero en realidad esto es incorrecto porque la escultura es para zurdos y la escultura en general es para zurdos. Incluso si el ADN Z puede ser zurdo, sólo puede ser parcial. Por lo tanto, no es apropiado darle forma a toda la escultura en una doble hélice izquierda. Al menos es incorrecto usarlo para implicar la estructura general del ADN.
Desde la astronomía hasta las ciencias de la tierra, desde la química hasta la biología, la quiralidad aparece en casi todas partes. El Premio Nobel de Química de 2001 fue otorgado al principal contribuyente a la catálisis quiral molecular. En 1968, W.S. Knowles utilizó elementos de metales de transición para crear complejos que contenían ligandos quirales y los utilizó como catalizadores para producir productos quirales. Posteriormente, Ryoji Noyori de la Universidad de Nagoya en Japón desarrolló un catalizador más eficaz. En 1980, B. Sharpless de Estados Unidos descubrió el catalizador quiral para la reacción de oxidación, que promovió en gran medida la síntesis química de fármacos quirales. En el año 2000, las ventas mundiales de medicamentos quirales habían alcanzado los 123 mil millones de dólares, lo que representa un tercio de las ventas totales de medicamentos. Entre los 500 medicamentos más vendidos en el mundo en 1998, los medicamentos quirales vendidos con un solo enantiómero representaron más de la mitad.
El 13 de junio de 2002, el periódico británico "Nature" publicó un artículo de los científicos canadienses L. Jesson y S. Barrett sobre el estilo quiral de una determinada planta, señalando que existen dos alelos. Uno de los Los genes controlan los lados izquierdo y derecho del estilo, siendo dominante el derecho. Algunas personas comentaron que este trabajo es de gran importancia.