Kliv in i Spegellandet
Höger eller vänster kan vara livsavgörande när det gäller kemi.
De flesta molekyler som bygger upp våra celler har en tvilling, med exakt samma uppbyggnad, och som kan beskrivas med exakt samma kemiska formel. Den enda skillnaden är att de är varandras spegelbilder. Men bara den ena fungerar. Spegelvända molekyler kan få kummin att smaka mint, och har placerat hjärtat till vänster i kroppen.
Varför är den lilla skillnaden så viktig? Ett svar kan vara att vi härstammar från stjärnorna.
Alla med ett normalt luktsinne kan skilja mellan doften av apelsin och citron. Båda är friska citrusfrukter med tydlig karaktär, men helt klart olika. Få vill droppa apelsinjuice på räkorna, eller dricka nypressad citronjuice till frukost.
Skillnaden mellan de molekyler som framkallar aromerna är svårare att upptäcka. De ser identiska ut, består av samma grupper av kol-, väte- och kväveatomer, men den enda lilla skillnaden är att de är varandras spegelbilder. Många smakämnen har samma egenhet, att de har en spegelvänd tvilling, som ger en annorlunda effekt på våra sinnen. Ett känt exempel är doften av kryddväxten kummin, omtyckt smaksättare av bröd, fläsk och brännvin. Spegelvänd så smakar samma ämne mentol – gott, men inte lika populärt på julbordet.
Sötningsmedlet aspartam är hundra gånger sötare än vanligt socker. Men om man spegelvänder molekylen smakar den beskt.
Aromämnet alfa-terpineol får oss att känna tallbarrsdoft, såvida vi inte spegelvänder samma molekyl, för då luktar den mer som syrén eller liljekonvalj. Exemplen är många, och särskilt vanliga bland doft- och smakrika organiska ämnen.
Mysteriet bakom spegelvändningens effekter började nystas upp för 160 år sen i Strasbourg i Frankrike.
År 1848 var Louis Pasteur fortfarande i början av sin lysande karriär, men han stod i begrepp att göra sin första banbrytande upptäckt.
Pasteur undersökte det förbryllande faktum att vinsyra kunde förekomma i två former. De två tycktes vara identiska i alla avseenden utom ett. Den ena var vad kemisterna kallar ”optiskt aktiv” vilket innebär att den vred polariserat ljus åt höger. Den andra gjorde ingenting med ljuset.
Men den skarpögde fransmannen råkade få syn på att det uppstod två sorters kristaller i den senare vätskan. De var precis likadana förutom att den ena var den andras spegelbild. Med den envishet och noggrannhet som utmärker en framgångsrik vetenskapsman satte sig Pasteur och sorterade kristallerna i två prydliga högar, en med högervridna och en med vänstervridna kristaller av syran.
När han sen beredde nya lösningar av de två respektive högarna, fann han att den ena vred ljuset åt höger, och den andra åt vänster.
Slumpen fortsatte att visa vägen för Pasteur. En dag upptäckte han att det salt av vinsyran som han undersökte stod och möglade. Möglet förbrukade saltet, men bara den ena typen av kristaller gick åt.
En mögelsvamp kunde alltså skilja på de två formerna, på samma sätt som vi kan känna skillnad på apelsin och citron. Men svampen var bara intresserad av den ena sorten.
För levande varelser kan det uppenbarligen vara viktigt att skilja på höger- eller vänstervridande molekyler. Varför?
En del av svaret har vi redan fått av vårt eget luktsinne. Högt uppe i näsan sitter doftreceptorer. De utgörs av proteiner, stora komplicerade molekyler som passar ihop med luftens doftämnen på olika sätt. Inte bara den kemiska sammansättningen av luktämnet, utan själva den tredimensionella formen avgör vilka signaler som ska skickas vidare mot hjärnan.
Man kan säga att doftmolekylen och receptorn skakar hand. Om molekylen är spegelvänd betyder det att andra atomer kommer i kontakt med varandra och en annan signal skickas till hjärnans doftcentrum. Det blir som när en högerhänt skakar hand med en vänsterhänt. Tummarna kommer i vägen och det känns helt enkelt annorlunda.
De molekyler som har en exakt spegelvariant förhåller sig nämligen till varandra som en höger och en vänsterhand. De kallas därför kirala, efter det grekiska ordet för hand, cheir. De två spegelvända varianterna, höger och vänsterformen, kallas enantiomerer av samma ämne.
I cellernas mikroskopiska värld gäller det inte bara att en molekyl har rätt sammansättning. Den måste också ha rätt form. Livet är extremt formmedvetet skulle man kunna säga.
De allra flesta ämnen i vår kropp är proteiner. Det gäller cellvävnad, enzymer, hormoner, signalsubstanser, antikroppar med mera. Proteinerna är i sin tur uppbyggda av långa rader av aminosyror.
Det finns sammanlagt 28 aminosyror som är nödvändiga för kroppen, och samtliga utom en är kirala, det vill säga, de finns i en höger och en vänsterform. Men i våra celler förekommer uteslutande den ”vänsterhänta” formen. Livet har valt den ena varianten och struntar i den andra.
Alltså är det bara den ena varianten som passar i alla de ”lås” och ”handskar” som finns i cellernas kemiska maskineri. Och därför var Pasteurs mögelsvampar bara intresserade av hälften av kristallerna. Människor och mögelsvampar har faktiskt rätt mycket gemensamt på det biokemiska planet.
En av de sakerna är det faktum att vi är uppbyggda av enbart vänsterhänta aminosyror, liksom allt annat som lever på jorden. Det här fenomenet har ett namn – homokiralitet, samma kiralitet. Trots att det borde finnas lika mycket av varje sort så ratar vi och svamparna den ena. Den andra fungerar inte.
Även genernas DNA är en kiral molekyl som bara finns i en av två möjliga varianter. DNA-spiralen, symbolen för den moderna biologin, är högervriden och snurrar medurs.
Det här gör också att de flesta läkemedel består av kirala molekyler. De är gjorda för att passa ihop med mottagarproteiner i våra celler, och en spegelvänd form fungerar ofta helt enkelt inte, eller kan ha en rent skadlig effekt.
Ett tragiskt exempel är talidomid, en substans som upptäcktes av ett tyskt läkemedelsbolag på 50-talet, och som marknadsfördes som ett nytt effektivt och oskadligt lugnande medel. I Sverige såldes det under varunamnet Neurosedyn. Det visade sig att det var talidomidens ena variant som gav den lugnande effekten. Den spegelvända molekylen gav allvarliga fosterskador när den åts av gravida kvinnor. Något som tog flera år att upptäcka och bevisa och ledde till att tusentals barn föddes med missbildade armar och ben, och ett okänt antal dog.
Det har spekulerats i att neurosedynkatastrofen hade kunnat undvikas om man bara vetat hur man skiljer mellan två sådana spegelformer vid läkemedelstillverkningen. I det här fallet stämmer det inte. Det har visat sig att när talidomid av den oskadliga typen hamnar i kroppen så uppstår ändå snabbt en blandning av de två formerna. Det sker när ämnet behandlas i levern.
Idag är kontrollen av läkemedel bättre än på 1950-talet och förhoppningsvis slipper vi stoppa i oss farliga spegelmolekyler. Men ofta äter vi mediciner som är till hälften mer eller mindre verkningslösa.
Iprenmannen avslöjar sig som högerhänt när han spelar på sin gitarr. Men den aktiva substansen i tabletterna, ibuprofen, är betydligt effektivare i sin ”vänster”-form.
Ett annat exempel är magsårsmedicinen Losec, under några år världens mest sålda läkemedel. Losec är en 50/50 blandning av den aktiva molekylens två spegelvarianter. När AstraZeneca började tappa marknadsandelar till alla Losec-kopior som började säljas så lanserade man den ”förbättrade” varianten Nexium.
Nexium är en renodlad form av samma molekyl, alltså enbart den mest effektiva spegelvarianten, men annars samma ämne.
Det här sättet att renodla en blandad molekyl har blivit ett av de viktigare sätten för stora läkemedelsbolag att försvara sig mot konkurrerande kopior och förlänga livet på en lönsam produkt.
Den levande naturen är oerhört effektiv när det gäller att skilja mellan enantiomerer av närmast identiska ämnen. Den döda naturen gör det inte. Rent kemiskt blir det alltid lika mycket av varje sort.
I ett laboratorium där en kemisk reaktion kan framställa miljontals molekyler kommer slumpen att se till att det blir lika många av den ena som av den andra typen. Det är som om man skulle singla slant så där ett par miljoner gånger. Resultatet blir väldigt nära exakt femtio/femtio.
Ta Pasteurs vinsyra, till exempel. Den högervridande lösning han hade, den var framställd ur äkta franskt vin, alltså genom en biologisk process i druvor. Men den lösning som inte vred ljuset alls, och som var en blandning av vänster- och högervridande salt, den var tillverkad i laboratoriet. I provröret bildas spontant lika mycket av varje. I druvan skapas bara den ena. Livets kemi sorterar hela tiden fram den ena sorten, men Pasteur fick själv sortera sina kristaller för hand.
Att kunna plocka fram den intressanta formen av en molekyl ur en blandning är naturligtvis viktigt för den som vill tillverka läkemedel eller smakämnen på syntetisk väg.
År 2001 gick nobelpriset i kemi till Knowles, Noyori och Sharpless för deras arbeten med att hitta effektiva metoder att framställa bara den önskade spegelvarianten av ett ämne. Som en följd av deras insatser finns numera metoder för att välja vilken enantiomer man vill tillverka. Läkemedelsfabrikanterna behöver inte sitta med pincett och sortera kristaller som Pasteur gjorde 1848.
Men den förmågan som tog nära 150 år, och tre nobelpristagare att ge människan, den har funnits i naturen ända sen livets uppkomst. Var kommer den ifrån?
Livet på jorden är byggt efter ett gemensamt grundmönster. Från enklaste bakterier till blåvalar och prästkragar så bär vi alla på DNA-molekyler som styr hur proteiner byggs upp av aminosyror. Den här livets enhet är ett bevis för att allt levande har samma ursprung. Biokemisterna är överens om att fenomenet med homokiralitet, alltså att våra celler bara vill ha den ena av två möjliga varianter, inte alls är så underligt eller svårt att begripa sig på när det väl har uppstått.
Cellernas fina maskineri kräver en exakthet som motsvaras av den här petigheten med de kirala molekylerna. Det skulle inte fungera annars. Och har man väl bestämt sig för den ena varianten så följer resten av bara farten.
Ett encelligt foster med sina vänstervridande aminosyror får efter en tids celldelningar en tydlig vänster- och högerdimension. Vänster- och högersidorna kommer snart att utvecklas lite olika. Organ hamnar på olika ställen, hjärnhalvor utvecklas olika till höger och vänster. Skillnaderna mellan kroppshalvorna är inte miljöbetingad, beror inte på något utanför eller inne i moderlivet. Det går att visa hur proteinernas vänstervridning på mikroplanet skapar uppdelningen av kroppen. De första pusselbitarna bestämmer hur de efterföljande måste se ut. Och därför ”vet” kroppen att hjärtat ska hamna till vänster och blindtarmen till höger. Annars skulle en del av oss vara spegelvända.
Men, och det är den stora frågan, varför blev det just den ena, och inte den andra formen? Vi har konstaterat att själva kemin, utanför de levande cellerna, inte föredrar någon variant. Höger eller vänster kan vara hugget som stucket, och lämnas ämnena ifred i ett provrör, så blir det fifty-fifty.
Men något har fått pendeln att slå över åt det ena hållet och startat en process som blev omöjlig att vända. Detta faktum har fått vissa forskare att spana ut bland stjärnorna efter livets ursprung.
Den 28 september 1969 föll delar av en meteorit ner över den lilla staden Murchison, tio mil norr om Melbourne i Australien. Tidpunkten och platsen gjorde murchison-meteoriten till en av de viktigaste och mest välstuderade som slagit ner på jorden. Man lyckades hittade många fragment av den tack vare att området var tämligen tätbefolkat.
Och fynden gjordes två månader efter Apollo 11:s månlandning. Det fanns därför just då en hög beredskap för att analysera utomjordiska stenbitar. Fynden revolutionerade vår syn på vad som kan finnas ute i rymden. Meteoritfragmenten visade sig inehålla mängder av organiska ämnen, bland annat aminosyror, som är nödvändiga för livets uppkomst.
Nu behöver inte det här betyda att livet har förts till jorden från rymden fixt och färdigt, även om det finns några som talar för den idén. Men det betyder att några av råvarorna till livets maskineri kan ha ramlat ner från himlen, från kometer och meteoriter.
Om man nu kan visa att aminosyror från rymden är övervägande av vänsterformen, den som livet på jorden har valt, då har man ett starkt argument för tanken att livet har ett kosmiskt ursprung.
Det skulle ju i så fall vara förklaringen till varför alla cellers aminosyror är ”vänster”. Det var den riktningen livsprocesserna fick en gång för över tre miljarder år sen, eftersom aminosyrorna från rymden var sådana. Det skulle också betyda att livet inte är ett unikt jordiskt påhitt, ifall byggstenarna far omkring i rymden och kan starta livsprocesser när de hamnar i en lämplig miljö.
Men oenigheten är stor.
Några forskare har påstått sig hitta stora överskott av en del vänsterformade aminosyror på murchison-meteoriten. Andra hävdar att det handlar om jordiska föroreningar.
Nu kan man fråga sig varför i hela friden organiska ämnen från meteoriter skulle ha överskott på någon av spegelvarianterna. De kemiska lagarna säger att de spontant ska bildas i lika stora mängder. Det är livet som skapar snedfördelningen. Vilket fenomen ute i rymden skulle likt en Pasteur ha sorterat de två blandade varianterna i prydliga högar?
Den förhärskande teorin är att aminosyrorna bildats i områden med något som kallas roterande polariserad ljusstrålning. Det här ljuset färdas genom rymden som en skruv, och vrider sig antingen medurs eller moturs och är alltså i sig själv kiralt. Och det uppstår till exempel i områden där nya stjärnor bildas, så kallade kosmiska barnkammare.
Vill man se ett sådant område kan man vända sig mot stjärnbilden Orion. Strax nedanför Orions bälte kan man på vinterhimlen med hjälp av en vanlig handkikare ana det grönskimrande ljuset av Orionnebulosan. Här föds nya stjärnor, och här har man hittat mycket höga nivåer av sådant roterande polariserat ljus.
Laboratorieförsök med vänsterroterande polarisation har visat att det faktiskt påverkar nybildandet av aminosyror just så att det bildas mer vänstervarianten. Om man tänker sig att vårt solsystem uppstod i ett sådant här kosmiskt moln så skulle de aminosyror som än idag finns i kometer och meteorer vara övervägande av en och samma sort. De ämnen som utgjorde råvaror till de första levande systemen kan antingen ha landat här under den forntid då jorden bombarderades av stenar från rymden. Eller också fanns de redan här i själva urberget.
Det finns också andra teorier om homokiralitetens ursprung som inte söker sig ut i världsrymden för en förklaring. Till exempel genom att vissa mineraler fungerat som mallar för bildandet av de första proteinerna. Kristaller av den vanliga stenarten kalcit har visat sig kunna sortera aminosyror så att det blir mer av den ena sorten på dess yta.
Men hur det än har gått till så kan det vara en fullständigt slumpartad historia om det var höger eller vänster som fick övertaget. För att livets mekanismer ska fungera så måste det vara antingen högerhänt eller vänsterhänt, och det kanske är helt likgiltigt vilket det blev. Men när beslutet väl var fattat så var det bara att fortsätta på den inslagna vägen.
Oavsett vilket, så var det på det viset som världen fick sina dofter och smaker. Och man kan undra om nu valet av de vänstervridande aminosyrorna var en slump, kan det på någon annan planet finnas livsformer som är byggda som vi, men av spegelvända molekyler? Kryddar de i så fall sitt bröd med mentol? Och har de hjärtat på höger sida?
Fakta:
Tydliga kirala molekyler är de som är byggda av fyra atomer, eller grupper av atomer, kring en kolatom. Aminosyran alanin är ett exempel.
De två formerna kallas för enantiomerer av samma ämne. En blandning med lika delar av de två formerna kallas för ett racemat. Många läkemedel är racemat trots att bara den ena enantiomeren är verksam.
Hur bestämmer man vilket som är höger och vänster?
Tidigare bestämdes det av ämnets förmåga att vrida polariserat ljus åt höger eller vänster (i ljusets riktning). De fick då betckningen L (för levo, vänster) eller D (för dextro, höger).
Det moderna namnsystemet bygger på särskilda regler för att numrera grupperna i en molekyl och inte alls på polariserat ljus. De två varianterna kallas i det nya systemet för S (sinister = vänster) eller R (rectus = höger).