Происхождение жизни. #абиогенез #эволюция
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!
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.
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.
(См. рис 1 - 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!
(См. рис. 2 - 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%.
(См. рис. 3 - 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).
#bio4all #биология #статьи
