_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Categories:

3. СОВРЕМЕННАЯ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ПРОБЛЕМА ХИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ

Со времени опытов Миллера были открыты и другие химические реакции, способные производить органику в условиях древней Земли. Одна из интенсивно изучаемых таких реакций — формозная реакция Бутлерова, открытая еще в 1865 году. В этой реакции водный раствор формальдегида (СH2O) с добавлением Ca(OH)2 или Mg(OH)2 при небольшом нагревании превращается в сложную смесь сахаров. Изучению реакции много лет мешал ее «капризный характер» - колбу с раствором надо было греть несколько часов безо всяких видимых изменений, как вдруг в течение пары минут раствор быстро желтел, затем коричневел и загустевал. А если исходные реагенты были очень чистые, то реакция не шла вовсе. Как оказалось, причиной «капризов» является автокаталитический характер реакции: сначала формальдегид медленно превращается в двух- и трехуглеродные сахара (гликоальдегид, глицеральдегид и дигидроксиацетон), которые затем катализируют синтез самих себя и более крупных сахаров. Если к исходной смеси сразу добавить чуть-чуть гликоальдегида или глицеральдегида, реакция запускается почти сразу. Также можно осветить раствор ультрафиолетом, под действием которого некоторые молекулы формальдегида соединяются в гликоальдегид, запускающий реакцию.



Обычно в реакции Бутлерова получаются сложные смеси сахаров, в которых сахара, характерные для живых клеток, перемешаны с огромным разнообразием семи, восьми, девятиуглеродных сахаров и даже более сложных. Это долго не позволяло привлекать реакцию к предбиогенному синтезу. Однако, в последние годы обнаружилось несколько способов избирательно накапливать отдельные сахара, именно те, которые нужны для биохимии. Например, при добавлении растворимых силикатов, таких как Na2SiO3, силикат-анион образует комплексы с четырех- и шестиуглеродными сахарами, которые выпадают в осадок и не участвуют в реакции далее. Так накапливаются сахара, имеющие две соседние гидроксильные группы с одной стороны: эритроза, треоза, глюкоза, манноза.

Если же в реакционную смесь добавить гидроксиапатит (Ca3(PO4)2 * Ca(OH)2), то на его поверхности практически избирательно осаждается рибоза! Еще один избирательный катализатор реакции Бутлерова — комплекс аминокислоты пролина с ионом цинка. Он тоже останавливает реакцию на стадии пяти- и шестиуглеродных сахаров, и, что еще важнее, он стереоспецифичен! Комплекс «левого» пролина с цинком избирательно синтезирует «правые» сахара!

Синтез азотистых оснований тоже не сводится к добавлению синильной кислоты в аппарат Миллера. Показано, например, что все четыре азотистых основания синтезируются с высоким выходом из формамида (NH2CНO) на поверхности TiO2 в отсутствие воды, вакууме и ультрафиолетовом облучении. Такие условия существуют, например, в стратосфере, где и сейчас оксид титана составляет заметную долю пылевых частиц.

Азотистые основания для их участия в синтезе РНК-подобных полимеров должны сначала объединиться с сахаром и фосфатом. Еще в 1960-ые годы показано, что при ультрафиолетовом облучении раствора аденина, рибозы и фосфатов аденин сначала образует связь с рибозой, а затем присоединяет последовательно три фосфатные группы, превращаясь в АТР. Причем присоединение последней фосфатной группы происходит примерно в 100 раз быстрее, чем предшествующие реакции. Возбужденное триплетное состояние аденина обычно локализует неспаренный электрон на аминогруппе, эта форма легко образует фосфоамидную высокоэнергетическую связь с фосфатом. Далее фосфат переносится на 5' гидроксильную группу рибозы. Дифосфатная цепь АDP обладает как раз подходящей длиной для эффективного переноса третей фосфатной группы. Это, видимо, объясняет, почему в качестве универсального источника энергии в живых организмах используется гидролиз ATP до ADP и фосфата, хотя с таким же успехом можно использовать любой нуклеотид-трифосфат (и GTP, CTP, UTP эпизодически используются) и даже дифосфат (его гидролиз до монофосфата выделяет такое же количество энергии) — но гидролиз дифосфатов не используется, насколько я знаю, нигде.

Однако, этот способ синтеза активированных нуклеотидов не подходит для других азотистых оснований. Гуанин при облучении присоединяет рибозу, но практически не реагирует с фосфатом. Пиримидины не реагируют и с рибозой. Поэтому очень важной вехой в изучении предбиогенных синтезов стала вышедшая в 2009 году работа Сандерленда с коллегами.

Они получили активированные пиримидиновые нуклеотиды (циклические 2',3' урацил- и цитидин-монофосфаты), смешивая в одной системе сразу и предшественники сахаров, и предшественники нуклеотидов, и фосфат. Казалось бы, это крайне расширяет возможные химические реакции и должно повышать количество побочных продуктов, но эксперимент опроверг это предположение.

Авторы смешали цианоацетилен (7), цианамид (8), глицеральдегид (9) и гликоальдегид (10). Фосфат избирательно катализирует синтез промежуточных продуктов 11 (2-амино-оксазол) и 12 (арабинозо-амино-оксазолин), подавляя возможные побочные реакции. Затем продукт 12 реагирует с цианоацетиленом, давая вещество 13 (арабинозо-ангидронуклеозид). В обычном водном растворе при этом повышается pH, что приводит к гидролизу промежуточных продуктов и побочным реакциям с цианоацетиленом, но фосфат и тут приходит на помощь, поддерживая среду кислой и направляя реакцию в сторону продукта 13. Для его превращения в циклический цитидин-монофосфат достаточно подогреть реакционную смесь — все необходимое в ней уже имеется. Катализатором фосфорилирования становится мочевина, образующаяся из цианамида в ходе одной из побочных реакций. Наконец, чтобы избавиться от побочных продуктов этой реакции и превратить часть цитозина в урацил, достаточно ультрафиолетового освещения раствора.

Этот синтез поражает своим изяществом: побочные продукты одних реакций здесь становятся катализаторами последующих, фосфат направляет реакции в нужную сторону задолго до того, как войти в окончательный продукт, а ключевой промежуточный продукт (11) способен к самоочищению и накоплению в высоких концентрациях благодаря своей высокой летучести — он хорошо испаряется из водных растворов при слегка повышенной температуре и конденсируется во время ночных заморозков.

Обходной путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов. Зеленые стрелки — реакции, открытые Сандерлендом с коллегами. Синие — ранее известные пути синтеза рибозы и цитидина. (Powner et al., 2009)

Как написал редактор журнала Nature в предисловии к работе команды Сандерленда: «Именно потому, что эта работа открывает так много новых направлений исследований, она на многие годы останется одним из великих достижений пребиотической химии»

И новые направления исследований немедленно начали развиваться. Уже через два года вышла статья группы Язона Хейна из Калифорнии, где они, добавляя к системе Сандерленда различные аминокислоты, получили стереоспецифический синтез рибонуклеотидов. Более того, достаточно было небольшого избытка одного из стереоизомеров аминокислот, чтобы в конце концов получились хирально чистые рибонуклеотиды!


Участие аминокислот в синтезе рибонуклеотидов. (Hein et al., 2011)

Аминокислоты вмешиваются в синтез Сандерленда на стадии реакции 2-амино-оксазола с глицеральдегидом, с образованием тройного продукта. Эта реакция стереоспецифична: пара глицеральдегида с аминокислотой одной хиральности реагирует в 4 раза быстрее, чем разнохиральная. Таким образом,  небольшой избыток L-аминокислоты будет связывать L-глицеральдегид в побочный путь реакции, оставляя для синтеза рибонуклеотидов больше D-изомеров сахара. Сандерлендом ранее было показано, что рибо-амино-оксазолин, подобно винной кислоте в опытах Пастера, способен при упаривании раствора кристаллизоваться в хирально чистые кристаллы уже при соотношении изомеров 60%/40%. Экспериментально получены такие кристаллы рибо-амино-оксазолина прямо из реакционных смесей с участием 14 чистых L-аминокислот из 19, содержащихся в белках. Пролин по стереоспецифичности далеко превосходит все остальные аминокислоты: с ним для получения хирально чистых кристаллов достаточно начального соотношения 70%/30% L/D изомеров пролина.

Получение хирально обогащенных растворов аминокислот тоже показано в достаточно несложных условиях. Многие аминокислоты, включая пролин, склонны образовывать рацемические кристаллы с соотношением изомеров строго 1:1. При кристаллизации аминокислот из раствора можно увеличить избыток одного изомера с 1% до 85-90%.


Схема синтеза хирально чистых рибонуклеотидов. (Hein et al., 2011)

Таким образом, достаточно, чтобы в синтез Сандерленда попал раствор аминокислот, хирально обогащенный путем частичной кристаллизации. В экспериментах Язона Хейна таким образом были получены хирально чистые рибонуклеотиды, начиная всего лишь с 1% хирально обогащенного пролина. Такое небольшое хиральное обогащение аминокислот легко может быть обеспечено фотохимическими процессами с участием поляризованного УФ-света: как мы писали выше, в метеоритах встречаются аминокислоты с хиральным обогащением до 18%, причем с избытком именно L-изомеров.

Были изучены и другие процессы, приводящие к обогащению одним оптическим изомером. Например,  полимеризация аминокислот, сахаров и нуклеотидов на поверхности различных минералов (глина, пирит, апатит и другие). В такой ситуации, в отличие от раствора, могут преимущественно соединяться мономеры одной хиральности. Были открыты, например, системы каталитически активных коротких пептидов, которые избирательно разрезают и сшивают друг друга, устраняя небольшие отклонения от хиральной чистоты (до 1 аминокислоты не той хиральности на 10).

Литература:

Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров. [WWW Document]. URLhttp://elementy.ru/news/431261

Пармон В.Н. Новое в теории появления жизни.  [WWW Document]. URL http://elementy.ru/lib/25618/25620

Hein, J.E., Blackmond, D.G., 2012. On the Origin of Single Chirality of Amino Acids and Sugars in Biogenesis. Accounts of chemical research.

Hein, J.E., Tse, E., Blackmond, D.G., 2011. A route to enantiopure RNA precursors from nearly racemic starting materials. Nat Chem 3, 704–706.

Kofoed, J., Reymond, J.-L., Darbre, T., 2005. Prebiotic carbohydrate synthesis: zinc-proline catalyzes direct aqueous aldol reactions of alpha-hydroxy aldehydes and ketones. Org. Biomol. Chem. 3, 1850–1855.

Pasek, M.A., 2008. Rethinking early Earth phosphorus geochemistry. PNAS 105, 853–858.

Pestunova, O., Simonov, A., Snytnikov, V., Stoyanovsky, V., Parmon, V., 2005. Putative mechanism of the sugar formation on prebiotic Earth initiated by UV-radiation. Advances in Space Research 36, 214–219.

Ponnamperuma, C., Sagan, C., Mariner, R., 1963. Synthesis of Adenosine Triphosphate Under Possible Primitive Earth Conditions. , Published online: 20 July 1963; | doi:10.1038/199222a0 199, 222–226.

Powner, M.W., Gerland, B., Sutherland, J.D., 2009. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239–242. (русский краткий пересказ: http://elementy.ru/news/431082)

Saladino, R., Crestini, C., Ciciriello, F., Costanzo, G., Di Mauro, E., 2007. Formamide Chemistry and the Origin of Informational Polymers. Chemistry & Biodiversity 4, 694–720.

Senanayake, S.D., Idriss, H., 2006. Photocatalysis and the origin of life: synthesis of nucleoside bases from formamide on TiO2(001) single surfaces. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 1194–1198.


Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 14 comments