ホモキラリティー

ホモキラリティー（homochirality）とは、化学の分野で使われる専門用語です。キラルな構造を持つ分子において、特定の鏡像異性体（エナンチオマー）が他方の鏡像異性体に比べて圧倒的に多く存在している状態を指します。この概念は、単一の種類の分子だけでなく、複数の化合物の集まり全体に見られる立体配置の偏りに対しても用いられます。

生体におけるホモキラリティー

私たちの体を構成する生体分子の多くは、このようなホモキラリティーを示しています。例えば、タンパク質の材料となるアミノ酸は、天然にはほとんどがL体と呼ばれる一方のエナンチオマーとして存在します。また、エネルギー源となる糖質も、自然界では多くのものがD体として見られます。このように、生体分子の立体構造に特定の偏りが見られる現象がホモキラリティーです。しかし、なぜこのような偏りが生体分子に存在するのか、その根本的な理由はまだ完全には解明されておらず、現在も活発な研究が続けられています。

ホモキラリティー生成の段階

ホモキラリティーの状態がどのようにして生まれるかについては、一般的に三つの段階を経て進行すると考えられています。

1. 鏡像対称性の破れ: まず、何らかの外部あるいは内部の要因により、エナンチオマー同士の均衡がわずかに崩れることから始まります。これがホモキラリティー発生の端緒となります。
2. 不斉増幅（キラル増幅）: 次に、わずかに生じたエナンチオマーの偏り（鏡像体過剰率、ee）が、特定の化学反応などを通じて大きく増幅されます。これにより、一方のエナンチオマーが圧倒的に優位な状態へと近づきます。
3. 不斉転写（キラル転写）: 最後に、不斉増幅によって高いeeを持つようになったキラルな分子が「鋳型」や「触媒」となり、別のキラルな分子が合成される際にその立体情報を伝達します。これにより、新たなキラル分子も高いeeを持って生成します。

現在の複雑な生体系では、ホモキラリティーはすでに確立されており、上記のうち三番目の不斉転写の段階を酵素反応などで直接観察することができます。しかし、最初の鏡像対称性の破れや不斉増幅といった初期段階は、実験室でのモデル系を通じてその可能性を推測するよりありません。

不斉増幅と不斉転写

不斉増幅: 近年の研究では、単純なアミノ酸などが触媒となる不斉アルドール反応などで、不斉増幅が起こることが知られています。この発見は、生体ホモキラリティーの初期段階において、アミノ酸が重要な役割を担った可能性を示唆する根拠の一つとなっています。
不斉転写: 多くの不斉合成反応は、基質や触媒が持つキラリティーを生成物のキラリティーへと「転写」することを基本としています。生体内で酵素が行う立体選択的な反応も、不斉転写の典型的な例です。特に、原始地球環境で起こり得たプロセスとして、プロリンなどの有機分子が触媒する不斉マンニッヒ反応や不斉アルドール縮合などが注目されています。

生体ホモキラリティーの起源に関する説

地球生命に見られるホモキラリティーがどのようにして始まったのかは、長年の研究にもかかわらず、依然として未解決の大きな問いです。キラル分子の不斉合成には、キラルな出発物質や触媒が必要であることはよく知られています。地球上では化学進化の過程で、D体とL体が等量混ざったラセミ体のアミノ酸が生成したと考えられていますが、これがどのようにして一方のエナンチオマーだけが優勢なホモキラルな状態になったのかは不明です。いくつかの有力な説が提唱されています。

宇宙起源説: 一つは、地球外に起源を求める説です。原始太陽系において、特定の天体から放たれた紫外円偏光が、ある分子の一方のエナンチオマーのみを選択的に分解し、生き残った他方のエナンチオマーが地球に運ばれたという考え方です。この説を支持する証拠として、太陽系形成初期の状態を比較的よく保っているとされるマーチソン隕石からアミノ酸が検出され、そのアミノ酸にわずかながらL体の偏りが見られたことが挙げられます。また、オリオン大星雲のような星が生まれている領域で、若い大質量星が円偏光を発している様子が観測されており、宇宙空間に円偏光が存在するという環境的証拠も得られています。
ただし、隕石中のアミノ酸のeeは1～2%程度と非常に低いこと、また、紫外円偏光による光分解実験で得られるeeも数%程度（最大でも10%程度）であり、生体分子で見られるほぼ100%に近いホモキラリティーを説明するには、後述の不斉増幅が不可欠であるという課題があります。
さらに、隕石で見つかったアミノ酸は、すべてL体が優勢でしたが、これはたまたまそうであった可能性もあり、キラル炭素を持つ全てのアミノ酸が同時にL体になる必然的な理由や実験的な証拠は現在のところ知られていません。
地球起源説: もう一つは、地球上でラセミ体として生成したアミノ酸が、何らかの物理化学的な選別過程を経てホモキラリティーを獲得したとする説です。例えば、奈良女子大学の小城勝相らの研究では、D体とL体が等量混ざったアスパラギンが再結晶する際に、どちらか一方のエナンチオマーが偏って結晶化し（対掌体過剰、eeを生成）、共存する他のアミノ酸も同じ偏りを示しながら共晶することを示しました。この研究は、再結晶のようなプロセスが全てのアミノ酸に同じ立体配置の偏りを与える機構として機能し得ることを示唆しています。特に、単一のアミノ酸だけを不斉合成するのは困難でも、混合物として存在するD,L-アミノ酸は本来高いeeを持つ結晶を生成しやすい性質があり、初期に晶出する結晶が全体の結晶化の方向性を決めると考えられています。この説によれば、ホモキラリティーは地球独自の現象であり、アミノ酸の種類によっては理論上100%eeの結晶を与える可能性も示されています。

どちらの説においても、初期に生じたわずかなエナンチオマーの偏りを、現在の生体分子に見られるほぼ100%のホモキラリティーまで増大させるためには、不斉増幅の過程が必須であると考えられています。

歴史

「ホモキラリティー」という言葉は、1904年に物理学者ケルヴィン卿によって初めて用いられました。これは、彼の1884年の講義録を出版する際に導入されたものです。近年、この語が「光学的に純粋であること」とほぼ同義で使われることがありますが、化学命名法に関する国際的な機関であるIUPAC（国際純正・応用化学連合）は、このような用法を強く非推奨としています。しかし、一部の学術誌では特定の文脈（一対のエナンチオマーのうち、一方のエナンチオマーが他方より多く生成する反応や過程）でこの語の使用を認めている場合もあります。

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