University of Groningen

Linksom of Rechtsom?Feringa, B.L.; Luider, T.M.

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Publication date:1986

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):Feringa, B. L., & Luider, T. M. (1986). Linksom of Rechtsom? s.n.

CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Download date: 21-07-2020

B.L.Feringal ,T.M. Luider I"Laboratorium voor Organische ChemieRijksuniversiteit Groningen ,

Bij de foto: 'IFossielen van schelpen verto-nen bijna allemaal dezelfdedraairichtin1ggi6 Zowel op macro-schaal ekulair' niveau ishet d aar Inie evolutiede voorkeur vooI

r

é ' iëntatieis ontstaan. '

Chiraliteitin de evolutie

Veel molekulen, vooral in denatuur, zijn asymmetrisch.Door een verschillenderangschikking van chemi-sche groepen aan, meestal,een koolstofatoom bestaandie molekulen in twee vor-men die elkaars spiegel-beeld zijn.In levende wezens komtsteeds maar één spiegel-beeldvorm als lichaams-eigen stof voor. Koolhydra-

ten, eiwitten en DNA bijvoor-beeld hebben slechts éénuniforme asymmetrie. Vanveel geneesmiddelen ismaar één vorm actief.Dit artikel gaat in op devraag of de natuur enig voor-deel heeft van asymmetri-sche molekulen. Was hetniet veel 'verstandiger' als inde evolutie beide spiegel-beeldvormen zouden zijngebruikt?

SCHEIKUNDE

Boven: Fig. 1. Het chirale aminozuur alanine kan in tweespiegelbeeldvormen (enantiomeren) D- en L-alanine voor-komen.

Weinig mensen zullen tijdens het aantrek-ken van hun schoenen erbij stilstaan dat schoe-nen ruwweg twee spiegelbeeld vormen hebben.Ook zal slechts een enkeling de vergissing be-gaan met de linkervoet in de rechterschoen testappen of omgekeerd; hij past immers niet!

Toch komen we hiermee bij een fundamen-teel aspect van de evolutie. Op molekulair ni-veau heeft de natuur lang geleden al geleerddeze keus te maken. Bijna alle voor leven es-sentiële molekulen, zoals eiwitten en kool-hydraten, bezitten immers een driedimensio-nale structuur die niet tot dekking te brengenis met haar spiegelbeeldvorm.

Het begrip waarmee deze asymmetrie wordtaangeduid is chiraliteit, afgeleid van het Griek-se woord chiros, dat handigheid betekent. Eeneenvoudig voorbeeld van een belangrijk chi-raai molekuul is het aminozuur L-alanine (fig.1). Aan het centrale koolstofatoom zijn vierverschillende groepen gebonden, gerangschiktop de hoekpunten van een tetraëder, waardoortwee spiegelbeeldisomeren (enantiomeren)bestaan. Chiraliteit komt ook voor bij assem-blages van molekulen zoals kristallen en poly-meren (polysacchariden, eiwitten en DNA).

Louis Pasteur was de eerste die het chirali-teitsfenomeen op molekulaire schaal ontdektedoor de enantiomeren van wijnsteenzuur viakristallisatie te scheiden. Van 't Hoff en Le Belverklaarden dit verschijnsel door het tetraëder-model van koolstof. (Intermezzo I)

Er zijn verschillende conventies D, L of R,Som de molekulen van verschillende chiraliteitte onderscheiden. In dit artikel worden beidenotaties door elkaar gebruikt.

Historie van het begrip

1812: Biot neemt waar dat een kwartskristalhet vlak van lineair gepolariseerd lichtdraait.

1825: Fresnel ontdekt dat een optisch ac-tief medium verschillende brekings-indexen heeft voor circulair gepolari-seerd licht.

1848: Pasteur ontdekt dat wijnsteenzuur-kristallen in twee spiegelbeeldvormenvoor kunnen komen. Hij verklaardedit doordat hij aannam dat er dissym-metrische fysische krachten in de na-tuur bestonden.

1874: Le Bel en Van 't Hoff kennen de drie-dimensionale structuur aan het kool-stofatoom toe, waaruit direkt volgdedat een chirale verbinding in tweespiegelbeeldvormen voor kan komen.

1894: Toekenning van relatieve configuratiesvan D-glyceraldehyde en L-aminozu-ren. Hieruit concludeerde Emiel Fisher

-oZZEMREI-N

D-alanineL-alanine

462

SCHEIKUNDE

chiraliteit

Boven: Fig. 1-1.Pasteur ontdekte in 1848 de spontaneresolutie van een verzadigde wijnsteenzuuroplos-sing. Spontaan kristalliseerden de enantiomeren af-zonderlijk uit bij kamertemperatuur. Een dergelijkescheiding berust erop dat de enantiomeren een ande-re, kleinere oplosbaarheid hebben dan het racemischmengsel.

dat een serie natuurlijk voorkomendekoolhydraten dezelfde configuratie moetbezitten.

1894: De dissymetrische fysische grootheden be-schreven door Pasteur zijn volgens Curiesymmetrisch. Magneetvelden, elektrischevelden en rotatie zijn bijvoorbeeld symme-trische krachten.

1895: Cotton ontdekte dat chirale molekulen inoplossing verschillende absorptiecoëffi-ciënten hebben voor links of rechts circu-lair gepolariseerd licht.

1956: Lee en Yang ontdekken dat er fysischekrachten in de natuur voorkomen die nietsymmetrisch zijn. Het b-verval van isoto-pen is een niet-symmetrisch proces.

linksboven: Pasteur (links) en Van 't Hoff (rechts):twee geleerden die de kennis over asymmetrischemolekulen enorm uitbreidden.

Boven: Het doosje met tetraëdermodelletjes dat Van't Hoff gebruikte bij zijn werk aan asymmetrische mo-lekuulvormen.

Onder: Fig. 1-2. Molekuulmodellen van melkzuur intwee spiegelbeeldvormen zoals Van 't Hoff en Le Belze uitdachten. Nieuw was de ruimtelijke rangschik-king rond het centrale koolstofatoom.

Natuur en Techniek, 54, 6 (1986) - Cat. nr. 86065 - SISO 574, 546 463

SCHEIKUNDE

Wanneer beide enantiomeren van een chira-le verbinding in gelijke hoeveelheid voor-komen spreekt men van een racemaat of eenracemisch mengsel. Energetisch gezien is dit demeest gunstige toestand. In de natuur is hetovergaan, of verval, van een chirale verbin-ding in zijn racemaat dan ook een normaalverschijnsel, dat in de tijd verloopt met overi-gens per verbinding specifieke snelheden. Deste opmerkelijker is dan ook de eigenschap vanalle leven, chirale bouwstenen te gebruiken diedezelfde uniforme chiraliteit bezitten. Tevenswordt in de regel ook slechts één spiegelbeeld-isomeer van essentiële bestanddelen aange-maakt! Eiwitten zijn opgebouwd uit twintigverschillende L-aminozuren. In het algemeenzijn alle koolhydraten opgebouwd uit mono-meren die qua ruimtelijke structuur analoogzijn aan D-glyceraldehyde. Andere voorbeel-den van uniforme chiraliteit in de levende na-tuur zijn fosfolipiden, nucleotiden en co-enzymen. Uitzonderingen op deze regel komennauwelijks voor. Sommige lagere organismenzoals bacteriën en schimmels kunnen D-ami-nozuren gebruiken, echter niet als bouwsteenvoor eiwitten. In uitscheidingsprocessen zienwe overigens wel dat organismen afwijken vande regel van uniforme chiraliteit. Zo vormt deplant Pinus serotina D-limoneen terwijl Euca-lyptus staigeriana het L-enantiomeer af-scheidt. De plant Pinus silvestris scheidt daar-entegen beide vormen van limoneen af.

Consequenties en belang van uniforme chirali-teit.

Een gevolg van de eigenschap van orga-nismen om met uniforme chiraliteit te werkenis dat in het algemeen slechts één enantiomeervan een synthetische voedingsstof of genees-middel in het stofwisselingsproces wordt be-trokken. In dat 'gunstigste' geval wordt dehelft van een synthetisch gemaakt racemischmengsel van natuurlijke aminozuren of pepti-den als afvalprodukt ongebruikt uitgeschei-den. In het 'ongunstigste' geval heeft het spie-gelbeeldisomeer een volkomen verschillendeen vaak toxische werking. Bij thalidomide(Softenon) dat als racemaat werd toegediendfungeerde de R-isomeer als geneesmiddel. DeS-isomeer bleek verantwoordelijk voor hetontstaan van misvormde kinderen. De zoetstofaspartaam is opgebouwd uit L-asparaginezuur

464

Onder: Het slakkehuis in het menselijk oor is een voor-beeld van chiraliteit op macroniveau in het menselijk li-chaam.

Rechtsonder: De heggerank zet zich vast met ranken diehalverwege van draairichting veranderen, hier te zienrechtsonder op de foto.

Schelpen met een 'draai' zijn bijna allemaal in één rich·ting gewonden. Soms vindt men een uitzondering. Op de-ze foto zijn twee spiegelbeeldvormen bij elkaar gelegd.

en L-fenylalanine en is 150 maal zoeter dansuiker. Aspartaam gemaakt uit D-asparagine-zuur smaakt echter bitter! (fig. 2)

Hoe komt het dat de levende natuur slechtsgebruik maakt van bouwstenen van één uni-forme chiraliteit? Een overweging is dat wan-neer de D- en L-spiegelbeeldvorm van biomo-nomeren onwillekeurig (at random) gebruiktzouden worden in de vorming van biopolyme-ren het aantal mogelijke configuraties dan tegroot zou worden. Bij de synthese van een fic-tief eiwit bestaande uit 100 D- en L-amino-zuurresiduen is het aantal configuraties al2100, nog afgezien van de variatie in de 20 ver-schillende aminozuren. Een gigantisch aantal!Een efficiënte biologische werking als enzym isvan zo'n polymeer niet te verwachten. Het is

SCHEIKUNDE

Natuur en Techniek, 54, 6 (1966)

onwaarschijnlijk dat een complex systeem, zo-als een biologische cel, opgebouwd kan wor-den uit racemische molekulen. Er zouden geeneenduidige DNA-helices zijn of eenduidige se-cundaire, tertiaire of quaternaire eiwitstruc-turen. Door uitsluitend de D- of L-vorm te ge-bruiken is dit probleem opgeheven.

Het voorkomen van uniforme, chirale orga-nische molekulen is zo essentieel dat sommigeauteurs dit als het belangrijkste kenmerk voorde grens tussen levende en levenloze natuur be-schouwen. Evenzo zou het aantonen van chi-rale molekulen in materie uit de ruimte weleens een veel belangrijker aanwijzing van levenelders kunnen zijn dan alleen het voorkomenvan organisch materiaal, dat overigens allangis aangetoond.

465

SCHEIKUNDE

Asymmetrische synthese

Enantiomere molekulen bezitten een grootaantal gelijke fysische eigenschappen zoalssmeltpunt, kookpunt, oplosbaarheid of licht-absorptie. Als er echter gepolariseerd lichtdoor een oplossing van chirale molekulenwordt geleid, zijn ze te onderscheiden doorhun verschillende optische activiteit. Chemi-sche reacties van enantiomeren zijn identiek ineen symmetrische (achirale) omgeving, in dat

geval wordt altijd een racemaat gevormd. Alsbijvoorbeeld een reagens reageert met een niet-chiraal molekuul tot een tetraëdrisch koolstof-atoom met vier verschillende aanhangendegroepen ontstaat een 50/50 mengsel van beideenantiomeren (fig. 3).

Met zo weinig verschil en zoveel overeen-komst tussen enantiomeren is het een hele tourze apart te synthetiseren. Hoe krijgt men danuitsluitend D- of L-molekulen in handen?Asymmetrische synthese is het toverwoord.

SS RRGeneesmiddel tegen tuberculose Ethambutol Veroorzaakt blindheid

466

SCitroengeur

SGeneesmiddel tegen jicht

SS*Zoetstof

b-Blokker Propanolol Contraceptie

Limoneen

Penicillamine

Aspartaam

RSinaasappelgeur

RZeer giftig

S*RBitter

Als de uitgangsstof zelf chiraal is kan deze chi-rale informatie gebruikt worden om de reactieop het centrale koolstofatoom te sturen. Datwil zeggen een chiraal reagens kan onderscheidmaken tussen de twee 'spiegelbeeldkanten' vande uitgangsstof en er ontstaan niet gelijke hoe-veelheden van de produkt-enantiomeren. Demeest efficiënte manier van asymmetrischesynthese is het gebruik van chirale katalysato-ren (zie Intermezzo II).

Een belangrijk onderzoeksgebied in de orga-

Links: Fig. 2. Invloed van chiraliteit op biologische activi-teit.

Geheel boven: Thalidomide. beter bekend als Softenon,werkte in R-vorm als slaapmiddel. De S-vorm, dat in even-grote hoeveelheden werd toegediend, bleek verantwoor-delijk voor ernstige geboorteafwijkingen.

Boven: Fig. 3. De kans dat een achiraal deeltje X van on-deren of boven aanvalt is gelijk. De produkten zullen danook in gelijke hoeveelheden ontstaan.

Natuur en Techniek, 54, 6 (1986)

SCHEIKUNDE

nische chemie is het ontwerpen van efficiëntechirale katalysatoren die in staat zijn grotehoeveelheden van enantiomeer zuivere verbin-dingen te maken. De opkomst van de biotech-nologie zorgt ervoor dat ook steeds meer enzy-men, al dan niet gemodificeerd, gebruikt wor-den voor asymmetrische synthese. We zijnthans redelijk in staat chirale molekulen tesynthetiseren met behulp van andere chiralemolekulen. Het beschikbaar zijn van chiraleuitgangsstoffen is wel steeds voorwaarde!

Ontstaan van chiraliteit.

Waar ligt dan de oorsprong van chirale mo-lek uien en hoe is de uniforme chiraliteit alseigenschap van leven ontstaan?

In principe zijn er drie theorieën: de abioti-sche- de biotische- en de genetic-take-over-theorie.

De abiotische theorie gaat ervan uit dat ereerst een asymmetrische verrijking is opgetre-den en zo chirale verbindingen zijn ontstaan.Dit materiaal heeft gezorgd voor de aanmaakvan meer chirale stoffen bijvoorbeeld viaasymmetrische katalyse en gaf uiteindelijkaanleiding tot chirale aminozuren, nucleoti-den, biopolymeren en tenslotte tot levende or-ganismen. De biotische theorie gaat ervan uitdat asymmetrie ontstaan is door de aanwezig-heid van leven. Er moeten eerst primitieve le-vensvormen aanwezig geweest zijn waarbijasymmetrie nog niet essentieel was voor hetfunctioneren en voortplanten, maar waar doorhet evolutieproces allengs asymmetrie ont-staan is en herkend kon worden. De structuur-informatie opgeslagen in chirale molekulenbleek de evolutionaire voorsprong te geven.De theorie van de genetic take-over gaat er vanuit dat niet alleen het leven zelf geëvolueerd is,maar ook de molekulaire aanloop daar naartoe. Dit laatste vormt het verschil met de abio-tische en de biotische theorie.

Experimenteel is het bijzonder lastig devroeg-evolutionaire gebeurtenissen te onder-zoeken en na te bootsen. Miller en Haldane(1957) slaagden in hun beroemde experimen-ten er weliswaar in onder een gesimuleerdeprebiotische atmosfeer, met eenvoudige mole-kulen en elektrische ontladingen, een kleinaantal essentiële bouwstenen van levende orga-nismen te maken, maar dit proces leverde ech-ter racemische produkten.

467

SCHEIKUNDE

Abiotische theorieDe abiotische theorie steunt op een groot

aantal modellen en experimenten. Een zestalzullen we de revue laten passeren.

Door kristallisatie van anorganische mate-rialen kunnen chirale kristallen ontstaan. Se-lectieve adsorptie aan dergelijke kristallen kaneen verrijking van een bepaald enantiomeer uiteen racemisch mengsel tot gevolg hebben. Eenenantiomeer van een organische verbindingkristalliseert soms in een andere vorm dan deandere enantiomeer. Hoewel een aantal voor-beelden bekend is moet de waarde voor de evo-lutie sterk in twijfel getrokken worden. Voor-keur voor zowel D- als L-kristallisatie van de-zelfde verbinding in één serie experimentenwerd gevonden en de aanwezigheid van chiralekristallisatiekernen is nauwelijks uit te sluiten.Een zeer intrigerend experiment is de kristalli-satie van één enantiomeer van een ammonium-zout waarbij gelijktijdig een snelle racemisatievan de verbinding in oplossing plaatsvindt.Zodoende kon meer dan 50 procent van éénspiegelbeeldisomeer in de vaste stof wordenverkregen (fig. 4).

Een verdeling van enantiomeren is door sta-tistische verschillen nooit exact 50:50. Doorasymmetrische synthese met ongelijke hoeveel-heden enantiomeren zou een klein statistischverschil versterkt kunnen worden.

Sommige niet-chirale verbindingen sluitenslechts één enantiomere vorm van een andermolekuul in en kunnen zo verrijking van D ofL veroorzaken. Figuur 5 geeft hier een fraaivoorbeeld van.

Een deel van het zonlicht dat op Aarde valtis circulair gepolariseerd ten gevolge van re-flectie aan deeltjes in de ruimte. Andere oor-

468

Links: Fig. 4. De D-enantiomeer van dit ammoniumzoutkristalliseert hoofdzakelijk, de L-vorm nauwelijks. Uit-gaande van de L-vorm in oplossing blijken er ook D-kris-tallen te ontstaan dank zij een snel-optredende racemisa-tie.

Rechts: Het beroemdste chirale molekuul is wel DNA.Hier de rechtse schoef in de A-vorm.

zaken zijn reflectie aan het zeeoppervlak, bre-king van het licht in de atmosfeer en brekingen/of reflectie aan mineralen zoals kwarts.Curie poneerde al dat circulair gepolariseerdlicht wel eens de oorzaak van de uniforme chi-raliteit van biomolekulen kon zijn. Inderdaadis in enkele gevallen een lichte voorkeur voorde fotochemische omzetting van één van deenantiomeren van een racemaat met behulpvan gepolariseerd licht gevonden.

Als laatsten in deze opsomming acteren No-belprijswinnaars Lee en Yang die in 1957 aan-toonden dat b-straling die ontstaat bij vervalvan radioactieve isotopen circulair gepolari-seerd is. Dit fysische verschijnsel met een uni-forme asymmetrie is dankbaar aangegrepenals oorzaak van de uniforme chiraliteit in hetevolutieproces. Tot nu toe is echter asymmetri-sche verrijking onder invloed van b-verval nietovertuigend aangetoond.

Verschillende andere modellen zijn voor-gesteld zoals chemische reacties onder invloedvan elektrische velden en het aardmagnetischveld. Helaas is voor de aanhangers van dezelaatste theorie het magnetisch veld van de Aar-de enkele keren omgekeerd. Modellen geba-seerd op chirale molekulen afkomstig uit deruimte verschuiven natuurlijk alleen maar hetantwoord op de vraag: hoe zijn ze ontstaan?

Tot nu toe lijken van alle opgesomde moge-lijkheden spontane asymmetrische kristallisa-ties het best in staat grotere hoeveelheden chi-rale verbindingen te leveren. Deze zouden ver-volgens als chirale hulpstof de asymmetrischeinformatie over kunnen dragen middels asym-metrische katalyse (zie Intermezzo II). Al dezemogelijkheden laten de vraag waarom nu juistde L- of de D-enantiomeer gekozen is open!

Als er meer overtuigende voorbeelden ge-vonden kunnen worden van asymmetrischechemische omzettingen onder invloed vanasymmetrische fysische krachten kan dezevraag wellicht beantwoord worden. We kun-nen ons daarnaast afvragen of er misschien'spiegelbeeld-levensvormen' geweest zijn inhet begin van de evolutie!

Biotische theorieDe biotische theorie is vooral gebaseerd op

het argument dat de mogelijkheden voor deabiotische theorie zo gering zijn. De complexebiologische structuren in de levende cel van nubetekenen niet dat bij het ontstaan van leven alsprake geweest moet zijn van chirale bouwste-nen. G. Wald beschrijft een experiment hoe D-en L-aminozuren spontaan kunnen polymeri-seren. De gevormde produkten waren meestrelatief korte a-helixen gevormd uit uitsluitend

Natuur en Techniek. 54. 6 (1986)

SCHEIKUNDE

Boven: Fig. 5. Tri-o-thymotide is een chirale verbindingopgebouwd uit a-chirale bouwstenen. In zijn holte kanieder molekuul een molekuul 2-broombutaan insluiten.leder enantiomeer. past slechts in één van de spiegel-beeldvormen van het tri-o-thymotide.

D- óf uitsluitend L-aminozuren. Deze zelfas-semblage tot een geordende strucuur was ech-ter ook weinig efficiënt. Als we ons realiserendat bij de inbouw van een foutief spiegelbeeld-isomeer tijdens de a-helixvorming het processtopt, is dit ook niet zo verwonderlijk. Ook isin dit model slecht te begrijpen hoe complexestructuren als DNA, RNA en eiwitten spon-taan konden ontstaan. Een andere aanwijzingvoor de biotische theorie zou de aanwezigheidvan D-aminozuren zijn bij organismen zoalsbacteriën, waarvan wordt gedacht dat ze tot deoudste levensvormen behoren. Hogere orga-nismen bezitten een enzym D-amino-oxydasedat D-aminozuren omzet in efficiënt uit het or-ganisme te verwijderen molekulen.

Genetic take-overA.G. Cairns-Smith beschrijft in het boek

'Genetic take-over and the mineral origins oflife' een model voor het ontstaan van leven.

In levende organismen over de gehele wereldbestaat één molekulair grondpatroon. Ditgrond patroon gebruikt uniforme chiralebouwstenen. Het slaat informatie op in DNAof RNA met behulp van de genetische code,heeft vaak uniforme metabolische en anaboli-sche reactiewegen, en gebruikt een celmem-braan met het doel alle reacties in een afgeslo-ten systeem te houden.

Dit grondpatroon voor levende organismenis volgens A.G. Cairns-Smith geen reden omaan te nemen dat de eerste organismen al overeen dergelijk basissysteem beschikten. Decomplexe biopolymeren ontstaan immers nietspontaan, maar alleen wanneer in een gedefi-nieerde omgeving een groot aantal complexekatalysatoren, enzymen, aanwezig zijn.

469

SCHEIKUNDE

-oZZEMRETN

Asymmetrische katalyse

Het gebruik van katalysatoren voor chemischereacties biedt een groot aantal voordelen. Zoverlopen sommige omzettingen zonder katalysa-tor in het geheel niet, terwijl in aanwezigheid vaneen katalysator enorme versnellingen bereiktkunnen worden. Ook kan vaak een selectievechemische omzetting bewerkstelligd wordendoor gebruik te maken van een katalysator.

De katalysatoren in biologische processen, en-zymen, zijn bovendien in staat van een grootaantal produkten slechts één enantiomeer doormiddel van asymmetrische synthese te maken.Zo kan een enzym uit Brevi bacterium ammonia-genes water adderen aan fumaarzuur en uitslui-tend S-appelzuur maken; een proces dat momen-teel industrieel wordt toegepast.

Een transaminase enzym is in staat 66000 mo-

Rechts: Fig. 11-1.De asymmetrische katalyse van hetaminozuur alanine aan een chirale rhodium-katalysa-tor. Daarnaast de reactie van wijnsteenzuur totL-DIOP.

lekuien alanine per enzymmolekuul per minuutte vormen. Hierbij wordt alleen het L-enantio-meer gevormd. De asymmetrische synthese be-rust op de chiraliteit van het enzym. Het is im-mers opgebouwd uit uitsluitend L-aminozuren.

Voor het ontwerpen van chirale katalysatorendie asymmetrische synthese kunnen bewerkstelli-gen is het dus essentieel dat de chirale informatiein elke katalytische cyclus tijdens het opbouwenvan nieuwe asymmetrische molekulen zo effi-ciënt mogelijk overgedragen wordt. Bovendienzijn levensduur en activiteit van de katalysatorbelangrijk. Het is immers wenselijk met weinig,meestal dure, katalysator zo snel en zo veel mo-gelijk zuiver chiraal produkt te vormen.

Een voorbeeld van een succesvol ontworpenchirale katalysator voor de asymmetrische syn-these van aminozuren is in figuur II-I schema-tisch weergegeven. Hierbij wordt een amino-acrylzuurderivaat gereduceerd met waterstof on-

De experimenten van Miller en Haldanekunnen niet logisch het ontstaan van de zeercomplexe biopolymeerstructuren van nu ver-klaren. Algemeen is bekend dat reacties in eenmengsel van een groot aantal organische ver-bindingen hoogstens een teerachtig produktopleveren en niet de ingenieuze structuren zo-als aanwezig in DNA en in eiwitten.

Cairns-Smith stelt voor dat er vóór het sta-dium van de ingewikkelde biopolymere infor-matiedragers al verschillende andere, eenvou-

Onder: Fig. 6. Schematische weergave van genetic take-over. G, stelt een primitief genetisch materiaal voor.Door evolutie ontstaat er een organisme, dat beter af-gestemd is op de omgeving. Uiteindelijkontstaat er eenfenotype, dat zich aangepast heeft aan de omgeving(sta·

470

diger structuren zijn geweest. Ze kunnen ge-functioneerd hebben als katalysator of matrijsvoor chemische reacties. In figuur 6 is aange-geven hoe men zich in dit model van genetictake-over het begin van leven moet voorstel-len. Het genetisch materiaal zou bijvoorbeeldin plaats van DNA of RNA, een anorganischkristal geweest zijn. Dit anorganische kristalmet een bepaalde chirale structuur en metroosterfouten zou reacties kunnen katalyse-ren. Reproduktie van dergelijk primair gene-

dium3). Langzamerhand wordthet primairgenetisch ma-teriaal vervangen door een complexer genetisch systeem(G2). Doorde voordelen van G2 verdwijnthet primairge-netisch materiaal (G,).

der invloed van een chirale rhodium kataly-sator. De katalysator bestaat uit één spiegel-beeldvorm, aangezien het een complex is be-staande uit een rhodium metaalzout en hetL-enantiomeer van een fosfine verbinding(afgekort als L-DIOP). Deze laatste is zelfweer bereid uit één enantiomeer van natuur-lijk wijnsteenzuur. Daar zowel het amino-acrylzuurderivaat als het waterstofmolekuultijdens de chemische omzetting aan de chira-le rhodium katalysator binden vindt water-stofadditie voornamelijk plaats aan de kantvan het molekuul die aan de katalysator isgebonden.

Via een analoog proces van katalytischeasymmetrische hydrogenering bereidt hetAmerikaanse bedrijf Monsanto L-DOPA(= L-3,4-dihydroxyfenylalanine), een be-langrijk geneesmiddel tegen de ziekte vanParkinson.

tisch materiaal zou door splitsen van hetkristal aannemelijk zijn (fig. 7). Deze informa-tie op kristallen zou te vergelijken zijn met in-formatie op magneetbanden. In dit model iseenvoudiger voor te stellen hoe asymmetrischekatalyse zou kunnen optreden, wanneer hetprimair genetisch materiaal al chiraal was. Opdeze manier zou een 'evolutie van chiraliteit'plaatsvinden!

Bij genetic take-over is in te zien dat natuur-lijke selectie (evolutie) de drijvende kracht is.

LiteratuurScharloo, W., (1976). Bouwstenen voor de evolutie. Natuur

en Techniek 44, 3, pag. 180-199.Eigen, M. en Winkler-Oswatisch, R., (1982). Evolutie van

de genetische orde. Natuur en Techniek 50, 5, pag.350-365.

Cairns-Smith, A.G., (1982). Genetic take-over and the mi-neral origins oJ life. Cam bridge University Press.Cambridge.

Cairns-Smith, A.G., (1985). Seven clues to the origin oJ liJe.Cambridge University Press. Cambridge.

Natuur en Techniek, 54, 6 (1986)

SCHEIKUNDE

Boven: Fig. 7. Een voorstelling van hoe primaire genen eruit gezien kunnen hebben. 'Genetische kristallen' waaropinformatie vastgelegd was, zou gebruikt kunnen zijn voorbijvoorbeeld de stereoselectieve katalyse van reacties.Door splijting en groei van deze kristallen zou deze infor-matie ook doorgegeven kunnen zijn aan de volgende ge-neraties.

Het leidt tot meer complexe structuren en uit-eindelijk tot DNA als informatiedrager. Degrens tussen leven en niet-leven is in dit modelwillekeurig en eigenlijk niet van belang.

De huidige complexiteit van het leven laatslechts de laatste fase zien van de evolutie, dieongeveer 3 à 4 miljard jaar heeft geduurd. Inde veelheid van geëvolueerde soorten zijnovereenkomsten te zien. Eén van de opmerke-lijkste is de uniforme chiraliteit. Op de vraaghoe dat precies gekomen is, is nog steeds alleeneen speculatief antwoord mogelijk. Toch kanmen de voordelen van een uniform chiraalsysteem voor de bouwstenen van levende orga-nismen goed begrijpen. Het huidige inzicht inenzymreacties en asymmetrische katalyse geefteen beeld van het gebruik van chiraliteit in na-tuurlijke processen. Opvallend is ook dat or-ganismen heel streng het principe van unifor-me chiraliteit hanteren.

Het ontstaan van chiraliteit en het belangvan bijvoorbeeld L-aminozuren of D-glucoseis echter veel moeilijker te begrijpen en is di-rect verbonden met het ontstaan van leven.

Bronvermelding illustratiesChiel Westra, Hilversum: pag. 460-461, 465 (onder).Hachette, Parijs: pag. 462.Uit: Outch Pioneers in Science, uitgeverij Van Gorcum, As-sen: pag. 463 (rechts).Oeutschen Museums, München: pag. 463 (links).Centrum voor Medische Elektronenmicroscopie, RU Gro-ningen: pag. 464.EFG-fotopersbureau, Groningen: pag. 465 (boven).ANP-foto, Amsterdam: pag. 467.Foto Paul Mellaart, Maastricht: pag. 469.

471