HOCHIRALITY OF BIOORGANIC COMPOUNDS:AMINO ACIDS AND PEPTIDES EVOLVED FIRST?
OR SACCHARIDES AND RNAS EVOLVED FIRST?
BASED ON A CHEMICAL EVOLUTIONARY MODEL OF OLIGOPEPTIDES
Toratane Munegumi
Department of Science Education, Naruto University of Education
Naruto, Tokushima 772-8502, Japan
E-mail: tmunegumi@naruto-u.ac.jp(Received: 13, October, 2016 Acceted: 17, July, 2017)の基本ブロックは，それぞれ L-アミノ酸（翻訳直後）と D-リボヌクレオチド（糖である D-リボースがキラル：chiral）であり，それぞれ片手構造（ホモキラル: homochiral）をもつ。L-アミノ酸と D-リ
ボヌクレオチドの組み合わせはヘテロキラルな組（heterochiral pairing）[1]と呼べる。しかし，問 1：
なぜアミノ酸とリボヌクレオチドは homochiral なのか？ 問 2：なぜアミノ酸とリボヌクレオチドは
heterochiral pairing なのか？ 問 3：なぜアミノ酸がL でリボヌクレオチドは D なのか？（これは上記
2 つの問にも関係する）
これらの問に答える観点には次のようなものが列挙できる。(a) 化学進化によるのか生物進化によるのか，
あるいは両方か。
(b) 化学進化であるなら，反応場として地球外，移動過程，地球上のどこが重要であったか。(c) アミノ酸・ポリペプチドと糖・RNA の生成・進化の過程でどちらがホモキラ
リティー：homochirality を先に獲得したか，あるいは同時期であったのか。
図１で最上部の矢印は物質進化の時間的質的流れを示し，その下に素粒子の進化，宇宙の進化，
化学進化，生物進化に細分化している。(1) 地球外物質のキラリティーは地球外のホモキラリティーの生成・発展を，(2) の矢印は地球外と地球上の物
質の行き来を。
(3) 地球上物質のキラリティーは地球上のホモキラリティーの生成・発展を意味する。
(1)と(3)の接点は一箇所である必要はない。

Abstract
The process in which bioorganic compounds earned
their homochirality is still unclear. A symposium wasorganized in the title of “Homochirality of bioorganic
compounds: Amino acids and peptides evolved first? Or
Saccharides and RNA evolved first?” on the 41st
conference of the Society for the Study of the Origin
and Evolution of Life Japan. Seven presenters including
the author of this paper talked on the theme fromdifferent points of view. This paper mainly describes achemical evolutionary model of oligopeptides on theevolution and development of homochirality.
Epimerization, segmentation, and stereospecificcondensation of oligopeptides may explain the processof the development of homochirality. This paper alsomentions the heterochiral pairing between L-aminoacids and D-sugars, involving the metabolism of sugars.
(Keywords) Oligopeptide, segmentation, epimerization,
stereospecific condensation, heterochiral pairing,

生体物質のホモキラリティー：アミノ酸・ペ
プチドが先か？糖・RNA が先か？
―オリゴペプチドの化学進化モデル―
胸組虎胤
鳴門教育大学学校教育研究科
自然系コース（理科）1. はじめに
鳴門教育大学で開催された第 41 回生命の起原
および進化学会の学術講演会において，シンポジ
ウム「生体物質のホモキラリティーの起原：
アミノ酸・ペプチドが先か？糖・RNA が先か？
」を企画した。このシンポジウムでは，6 人の方々に登壇いただき（著者も含めると 7 人）
，地球外物
質のキラリティーから地球上におけるアミノ酸，
RNA とアミノ酸とのキラリティーの関わり，進化
分子工学，現在の地球上生命体がアミノ酸として
D も L も使用している点などについて，幅広い議論がなされた。このうち，著者はシンポジウムの趣旨を説明するとともに，オリゴペプチドに重点を置いたホモキラリティー発展のモデルを紹介した。本稿ではそれらの内容について述べる。

図１．地球上生命体のホモキラリティー獲得過程

さらに，(3) 地球上物質のキラリティー;について
は，(3a) アミノ酸・ペプチドのキラリティー; (3b)糖・RNA のキラリティー; (3c) アミノ酸・ペプチ
ドと糖・RNA のキラリティーの相互作用に分けら

２．生体物質のホモキラリティーの生成・発展
地球上の生命体で使われるタンパク質と RNA

Viva Origino 2016, 44, 1© 2016 by SSOEL Japan1

Viva Origino 2016, 44, 1

れ， (4) 化学進化か生物進化のどちらかが重要であるかを表している。
(3a) はアミノ酸のホモキラリティーの進化過程であり，それがポリペプチド，最終的にはタンパ
ク質のホモキラリティーに結びつくと仮定している。(3b) 糖と RNA の進化過程であり，(3c) はア
ミノ酸・ペプチドと糖・RNA が，ホモキラリティ
ーの点で相互作用しあったシナリオを意味する。
この図で両方向の矢印がアミノ酸と糖の間および，ペプチドと RNA の間に表示してあるが，これらの矢印はそれぞれ化学進化段階，生物進化での相互作用を示している。しかも，単にアミノ酸と糖，
ペプチドと RNA の相互作用を必ずしも意味しない，アミノ酸と RNA，ペプチドと糖との相互作用も含む。
(4) 化学進化か生物進化のどちらかがホモ
キラリティー生成に有効であったかである。
モノマーであるアミノ酸とヌクレオチド（または糖）のホモキラリティーは, 必ずしもポリペプ
チドと RNA 中でのホモキラリティーを保証しない [2]。モノマーからポリマーまでの過程（分解，ラセミ化，エピ化，縮合反応等）でモノマーのホ
モキラリティーの生成と発展を考慮する必要がある（図２）。

ミノ酸が縮合して，オリゴペプチドとなった段階
は，ホモキラリティーの濃縮に重要な役割を果たしたと考えられる [3]。
このオリゴマーの状態で想定されるホモキラリティーの生成・発展への具体的な過程は，①ホキ
ラルペプチドとヘテロキラルペプチドとの分別（segmentation）, ②ホモキラルペプチドとヘテロ
キラルペプチド間のエピ化（epimerization）, ③縮合 B 反応（立体特異的縮合反応：stereospecificcondensation）である。
同じ一次構造をもつオリゴペプチド，たとえば，
Ala-Ala については，L-Ala-L-Ala と D-Ala-D-Alaは分子内のキラリティーがそれぞれ均一であるので，ホモキラルペプチド（homochiral peptides）という。一方，L-Ala-D-Ala と D-Ala-L-Ala は分子内のキラリティーが不均一なので，ヘテロキラルペ
プチド（heterochiral peptides）という。

図３．オリゴペプチドを経たホモキラルポリペプチドの生成モデル

図３には，縮合 A と縮合 B が記載してあるが，縮合 A はアミノ酸が縮合してオリゴペプチドが生成する反応であり，ホモキラルなオリゴペプチドとヘテロキラルなオリゴペプチドを生成すると考えられる。DL-Ala をカンラン石の存在下で加熱した化学進化的模擬実験において，環状のCyclo-(-Ala-Ala)が生成し，ホモキラルペプチド
Cyclo-(D-Ala-D-Ala)と Cyclo-(L-Ala-L-Ala)の合計
収 率 が 6.8% ， ヘ テ ロ キ ラ ル ペ プ チ ド
Cyclo-(D-Ala-L-Ala)が 4.9%（ジアステレオマー過剰率は 16.3%）であった [4]。
縮合 B はオリゴペプチドがそれぞれのキラリティーを認識して立体特異的縮合を起こし，ホモキ
ラルポリペプチドが生成することを想定している。

図２．単量体から多量体までの様々な反応

上記の全般的な歴史的流れの中で，(3c) に関連し，アミノ酸・ペプチドがそのホモキラリティーを独自に進化させた場合，(4) に関連して，化学進化と生物の代謝が生成し始めた中間の段階（生物化学
進化と言えるかもしれない）におけるホモキラリティーの生成について考察する。
３． 化学進化的観点：アミノ酸からオリゴペプチ
ドを経てホモキラルポリペプチドへ
図３はラセミ体のアミノ酸からオリゴペプチドを経てホモキラルなポリペプチドに至る仮説的経路を示している [2, 3]。
モノマーの段階ではアミノ酸はラセミ体である
ことを仮定しているが，わずかに一方のエナンチ
オマーが過剰である場合も除外しない。次に，ア3.1. ホキラルペプチドとヘテロキラルペプチドとの分別（segmentation）
ホモキラルペプチドとヘテロキラルペプチドとは，互いにジアステレオマーの関係にあり，様々な物性が異なっている。特に，本論文で注目しているのは疎水性の差である。多くの場合，ヘテロ

2Viva Origino 2016, 44, 1

キラルペプチドの方が，ホモキラルペプチドよりも疎水性が高い [3]。ただし，この研究は鎖状のペプチドと計算値との相関を利用した推定値であり，
環状ジペプチドについての C log P の値の大小関係は実際と異なる場合もあり得る。
この疎水性はペプチドの水溶性と逆の関係にあり，疎水性が高い方が低い水溶性をもっている。
このような現象は，ホキラルペプチドとヘテロキ
ラルペプチドを疎水性の固定相を装着した HPLC(High performance Liquid Chromatography)での分析
で一般的に知られている。また，計算化学的手法を用いることで，ペプチドの疎水性を予想することができる [3, 5]。
たとえば，計算結果を図４に例を示すことができる [3]。ここには Ala のペプチドの例が示してあるが，鎖長が長くなるに従い，ヘテロキラルペプ
チドとホモキラルペプチドの疎水性の差が大きくなる。鎖長が長くなるにつれ，ペプチドの疎水性は増加するが，ヘテロキラルペプチドの方がホモキラルペプチドよりも高い疎水性の増加率である
ことを示している。

3.2．ホモキラルペプチドとヘテロキラルペプチド間のエピ化（epimerization）
エピ化はキラル中心を複数もつ有機化合物のキ
ラル中心の一方が，反転してジアステレオマーを生成する反応である [7–11]。これに対して，ラセミ化反応はキラル中心を 1 つ持つ化合物が反転して逆の立体配置を持つ反応であり，左右両方の化合物が 50％ずつになる（ラセミ体）と完全ラセミ化したことになる。
水溶液中で遊離のアミノ酸のラセミ化反応よりもペプチド結合を形成しているアミノ酸のエピ化反応の方が速いとの報告がある（図５）[11] 。これは熱反応と酸・塩基触媒を仮定している。

図５．化学構造とエピ化・ラセミ化速度の関係

しかし，ペプチド中のアミノ酸残基のエピ化と遊離アミノ酸のラセミ化の速度の違いについては，
アミノ酸の種類とアミノ酸残基がペプチド中のどこに位置するかによって大きさが異なる[11–13]
一方，放射線によるラセミ化やエピ化も報告されている。放射線は原始地球上のさまざまなところで存在した可能性がある。原始地球上でのエピ化反応を引き起こす原因として，光，放電，放射線などがある。広い意味では光も放射線と見ることができるが，γ 線のような放射線が原子核も含
む原子全体に作用するのに対して，光や放電は原子中の電子に作用することが違いである。原始地球上で考えられる放射線源からの放射線量を推定した研究がある（図６）[14]。

図４．疎水性尺度（Clog P）とオリゴペプチド鎖長の関係（log P:水とオクタノールの分配計係数の対数で，Cはその計算値を意味する）

これは逆に，ヘテロキラルペプチドは鎖長が長くなるに従い，ホモキラルペプチドより水溶性が低下しやすいことを意味する。たとえば，表１はアミノ酸の水への溶解度と C logP の関係を示している。水の溶解度が低くなるにつれて C logP 値は高くなる。
表１．アミノ酸の溶解度と ClogP

アミノ
酸
Gly
Ala
Val
Leu

水への溶解度（g/100gH2O ）
25
16.5
8.85
2.3

log Pa)Clog Pb)

-3.21
-2.85
-2.26
-1.74

-3.04
-2.55
-1.95
-1.62

a)実測値 [6]; b) 計算値 [3]図６.原始地球上であったと推定される放射線3

Viva Origino 2016, 44, 1

Mosqueria らは原始地球上における放射線の強さを推定している[14]。放射性元素で 40K，238U,
232
Th の重要性を示している。ここで，40K のうち
89.33％は γ 線（1.46 MeV）を放って 40Ca となり，10.67％は原子核が K 殻の電子を捕獲（K 捕獲）す
ることによって，β 線（1.33 Mev）を放出して 40Arとなる。
推定される 40K の存在箇所が，火成岩（Igneousrocks），堆積岩（Sedimentary rock），深海中堆積物（Deep Sea Sediments），閃長岩（Syenites）に分けて表示してある。そのうち，カリウム含量から閃長岩からの線量が強い（3.30 x 10-2 Gy/year）と推定している。また，深海中の粘土（Clay）は 1.75 x 10-2
Gy/year と推定される。これは 10 万年で 1.75 kGyの線量となる。この海底の粘土からの β 線，γ 線
は海水中にある有機化合物の反応を誘発すると考えられる。
ある化合物の水溶液中への放射線照射では，溶質への直接相互作用と水分子から発生した活性種と溶質分子との間接相互作用が考えられる。
図 7 はγ線が水溶液中に入射した後に，間接相互作用によって水中に様々な活性種が発生することを示している [15]。
水分子はγ線によって，電子（e -）を放出して水の陽イオン（H2O+）となるか活性化した水（H2O*）となり，電子は水と反応して水和電子（eaq-）となり，酸性であれば水素イオン（H+）と反応して水
素ラジカル（・H）を放出する。電子を放った後の水の陽イオン（H2O+）は水と反応して水酸ラジカル（・OH）を生じる。一方，活性化した水（H2O*）は水素ラジカル（・H）と水酸ラジカル（・OH）を生じる。

いた [2]。ジペプチドの二つある α 水素のそれぞれが水酸ラジカルで引き抜かれ, 相当するラジカル中間体が生成し，これらに水素ラジカルが再結合するとエピ化が起こるとするのが 1 つの考えである（図８）。おそらく，中間体に水素ラジカルが再結合する際の面の区別がジアステレオマーで異なるのであろう。

図８ L-Ala-L-Ala のエピ化で推定される反応

尚 ， 図 ７ の D-Ala-L-Ala と L-Ala-D-Ala は
D-Ala-D-Ala にエピ化することも考えられるが，エピ化速度に比べ分解速度が速いことを考えると，
D-Ala-D-Ala の収率は著しく小さいと考えられる。
一方，γ 線照射による固形アミノ酸のラセミ化の研究がなされている [16–20]。D と L のイソバリ
ンおよびロイシンに 60Co を線源としたγ線 9.0
×108 rad (9.0 × 103 kGy)が照射されると，イソバ
リンは DL それぞれ，4.9，4.7％ラセミ化し，ロイ
シンは DL それぞれ，5.6，5.0％ラセミ化していた[19]。しかし，固体のアミノ酸のラセミ化反応の機構は，何らかの平面構造が一時的に生成した後，立体的反転が起こると考えると説明できるかもしれないが，まだ十分に解明されていない。

図 7. 水へのγ線照射で活性種が生成する経路

水酸ラジカルは，炭素と結合した水素の引き抜きをすることが知られており，アミノ酸の α 水素の引き抜きに関わると考えられる。水素を引き抜かれたアミノ酸は炭素ラジカルとなり，平面構造をとったあと水素ラジカルとの再結合によりラセミ化（ペプチドならエピ化）すると考えられる。
たとえば，L-Ala-L-Ala および D-Ala-L-Ala の水溶液に 60Co を線源に γ 線を照射した場合 [2]には両方のジアステレオマーが分解する反応が速いが，同時にエピ化も進行した。分解速度とエピ化速度はこれらのジアステレオマーでわずかに異なって

4

図９．イソバリンとロイシンの立体配置

Viva Origino 2016, 44, 1の中で見ることができる。それは生物化学的な進化の段階といえるであろう。その中で RNA を構成するリボース中の 4 つのキラル炭素がどのように構成されるかを見ていきたい。

3.3 縮合 B: 立体特異的縮合反応（stereospecificcondensation）
L-アミノ酸からなるタンパク質の酵素は立体特異性をもつと言われるが，たとえば，酵素が基質の鏡像異性体の一方とだけ反応するという基質特異性のことである。ここで，立体特異的反応と立
体選択的反応が区別されないで使われることがあるためその定義を示す（図 10）。

図 11. リボースのキラル中心を導入する酵素

リボースは 1′, 2′, 3′, 4′位がキラル炭素であるが，生合成の中で，4´位のキラリティーがエノラーゼによって導入され，D-グリセルアルデヒ
ドが生成する。次の 3´位のキラリティーがアルドラーゼによって導入される。この二つのキラル炭
素のキラリティーは，D-リボースまで一貫して保たれる。しかし，他の 1´, 2´位の炭素のキラリティ
ーは，代謝の中で反転するなど何度か変化する[1,25]。
したがって，D-単糖を構成する最初の反応がエノラーゼであり，RNA 中のヌクレオチドの結合方向を決めているのがアルドラーゼである。ただし，これらのキラリティーはすべて L-アミノ酸から構成される酵素タンパク質が起こしている反応である。つまり，L-アミノ酸が D-単糖を選択していると言えるかもしれない。

図 10． 立体特異的反応と立体選択的反応

E. L. Eliel [21] は H. E. Zimmerman [22] の論文の考え方を用いて，次のように記述している。
「立体特異的」とは異なる立体異性体の出発物
質が異なる立体異性体の生成物を与えることであり，「立体選択的」とはある反応で可能な生成物のうち，一方が他方よりも（支配的に）多く生成することを意味する [21]。
ここで，図 10 に示す例の(2)立体特異的反応では，Boc-DL-Val が L-Ala と縮合して，Boc-L-Val-L-Ala
が過剰に生成しており，これは L-Ala が Boc-L-Val
に対し立体特異的に作用している反応である。オ
リゴペプチドの立体特異性を見た反応では，たとえば，
L-Ala のオリゴマーを結合させた固相ペプチ
ド合成用樹脂を用いると，L-Ala の 6 量体はBoc-L-Val との結合がBoc-D-Val よりも23％過剰であった。また，いくつかのジペプチド誘導体生成の立体特異性も調べられている[23]。
尚，DL-γ-ベンジルグルタミン酸の N-カルボキ
シ無水物に対して，ポリ-L-γ-ベンジルグルタミン酸を開始剤とした反応で，立体特異的に L 体が縮重合することが明らかとなっている[24]。
立体特異的反応が想定される原始地球条件下でどのように生じるかを調べる研究が必要となろう。

５. おわりに
ホモキラリティー生成・発展のシナリオを考えるには，様々な領域の専門家の研究結果に基づく議論が必要である。シンポジウムで講演された方々の発表では，すべての過程において，必ずしも明確な合意が得られたとは言えない。しかし，
アミノ酸・ペプチドと糖・RNA がヘテロキラルであること合理性には一定の合意が得られたと思われる。また，現在の生命体には D と L のキラルなアミノ酸が両者とも使用されていること(parachiral)を強調する講演もあった。この点については，アミノ酸・ペプチドと糖・RNA のキラリテ
ィーを単なるタンパク質合成の点だけでなく幅広く考察する必要性があることを示したと言える。

参考文献
1.

4. 生物化学的な進化の段階
ホモキラリティーの生成・発展の結果として，
現在の L-アミノ酸と D-単糖というヘテロキラル
な組み合わせが合理的に使われている例を，代謝2.

5T. Munegumi, Aldolase as a chirality intersection of L-aminoacids and D-sugars, Orig. Life Evol. Biosph, 45, 173–182(2015).
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