Проблема хиральной чистоты

Никитин М.А.
(«ХиЖ», 2013, №3)

s20130322_biogenez0.jpgПосле опытов Миллера, о которых рассказывалось в предыдущем номере, 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: водный раствор формальдегида (СH2O) с добавлением Ca(OH)2 или Mg(OH)2 при небольшом нагревании превращается в сложную смесь сахаров. (Об этом, а также о других проблемах биогенеза рассказывалось также в статье В.Н.Пармона «Новое в теории появления жизни», «Химия и жизнь», 2005, № 5.) Формальдегид легко образуется из углекислого газа в присутствии паров воды на поверхности горячего железа — например, на включениях самородного железа, которые содержатся в вулканических лавах при извержениях. Найден он и в кометах, и в межзвездных газовых облаках.

Изучению реакции много лет мешал ее капризный характер — колбу с раствором надо было греть несколько часов без всяких видимых изменений, как вдруг за считанные минуты раствор желтел, затем коричневел и загустевал. А если исходные реагенты были очень чистыми, то реакция не шла вовсе. Причиной «капризов» оказался 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, то реакция запускается почти сразу. Другой способ ускорить ее — осветить раствор ультрафиолетом, под действием которого отдельные молекулы формальдегида соединяются в гликоальдегид.

Обычно в реакции Бутлерова получаются сложные смеси сахаров, где сахара, характерные для живых клеток, перемешаны с огромным разнообразием семи-, восьми-, девятиуглеродных сахаров и даже более сложных. Это долго не давало возможности привлечь ее к предбиогенному синтезу.

Однако в последние годы обнаружилось несколько способов, позволяющих избирательно накапливать отдельные сахара, именно те, что 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 далее не участвуют в реакции. Так накапливаются сахара, имеющие две соседние гидроксильные группы с одной стороны: эритроза, треоза, глюкоза, манноза (подробнее об этом можно прочитать в заметке Александра Маркова на сайте «Элементы») Если же в реакционную смесь добавить гидроксиапатит Ca3(PO4)2 ∙ Ca(OH)2, то на его поверхности практически избирательно осаждается рибоза (Pestunova et al, «Advances in Space Research», 2005, 36, 214—219, см. также статью В.Н.Пармона в майском номере «Химии и жизни» за 2005 год). Соли борной кислоты тоже избирательно осаждают из реакционной смеси рибозу (Ricardo et al., «Science», 2004, doi:10.1126/science.1092464).

Еще один избирательный катализатор реакции Бутлерова — комплекс аминокислоты пролина с ионом цинка. Он также останавливает реакцию на стадии пяти- и шестиуглеродных сахаров, и, что еще важнее, он стереоспецифичен! Комплекс «левого» пролина с цинком избирательно синтезирует «правые» сахара. (Kofoed et al., «Organic and biomolecular chemistry», 2005, doi:10.1039/ b501512j). Ряд других аминокислот, например глутамин и лейцин, тоже обеспечивают стереоспецифичный синтез «правых» сахаров в присутствии «левых» аминокислот, но не останавливают его на стадии рибозы и шестиуглеродных молекул.

Откуда же взять «левые» изомеры аминокислот? Как мы уже упоминали, оптические изомеры различаются поведением только при встрече с поляризованным светом или другими оптически активными веществами. Оказывается, в качестве оптически активного партнера могут выступать и другие молекулы того же самого вещества. Вспомним, как Пастер разделил изомеры винной кислоты: при медленном упаривании раствора L- и D-изомеры кристаллизовались отдельно друг от друга, что и позволило рассортировать кристаллы. Если же упаривать раствор с «метеоритным» соотношением изомеров 60:40, то преобладающий изомер начнет выпадать в осадок раньше. Вовремя остановив упаривание, можно получить чистые кристаллы одного изомера и равную их смесь в растворе.

Большинство аминокислот ведут себя противоположным образом: при упаривании раствора сначала выпадают рацемические кристаллы (с отношением изомеров 1:1), и раствор обогащается тем изомером, которого было больше в исходной смеси. Так, из раствора фенилаланина с отношением изомеров 52:48 удалось в два цикла упаривания получить раствор с долей L-изомера 90% (Breslow, Levine, «Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2006, doi: 10.1073/pnas.0605863103). Аналогично ведет себя и главный оптически активный промежуточный продукт (и автокатализатор) реакции Бутлерова — глицеральдегид. Пяти- и шестиуглеродные сахара неспособны к такой самоконцентрации оптически активного изомера, но рибоза в составе нуклеозидов (сахар плюс азотистое основание; если присоединить к нуклеозиду остаток фосфорной кислоты, получится нуклеотид) тоже, подобно аминокислотам, предпочтительно кристаллизуется в соотношении изомеров 1:1 и может накапливаться в растворе в оптически чистой форм. (Breslow, Cheng, «Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2010, doi: 10.1073/pnas.1001639107).

Более того, в некоторых условиях можно получить хирально чистые аминокислоты из смеси равных количеств обоих изомеров. Группа испанских химиков под руководством Кристобала Видмы («Journal of the American Chemical Society», 2008, doi: 10.1021/ ja8074506) показала, что, если нагреть раствор аспартата в присутствии салицилового альдегида и уксусной кислоты до 100—130ОС, образуются чистые кристаллы одного оптического изомера. Аспартат — это одна из двух аминокислот, оптические изомеры которых кристаллизуются раздельно. Салициловый альдегид в кислой среде катализирует переход изомеров в растворе друг в друга, поэтому небольшие случайные отклонения в начале кристаллизации приводят к полному превращению смеси в чистый L- либо D-изомер.

Еще один механизм разделения оптических изомеров — адсорбция на поверхности некоторых минералов. Кристаллы кальцита на одних гранях сильнее удерживают L-аминокислоты, а на других — D-изомеры.

Синтез азотистых оснований также может происходить разными путями. Аденин и гуанин образуются из синильной кислоты при замерзании ее водного раствора, ультрафиолетовом облучении или нагревании. Все четыре азотистых основания синтезируются с высоким выходом из формамида NH2CНO на поверхности частиц TiO2 при ультрафиолетовом облучении (Senanayake, Idriss, «Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2006, 103, 1194—1198, doi: 10.1073/pnas.0505768103, Saladino et al., «Chemistry & Biodiversity», 2007, 4, 694—720, doi: 10.1002/cbdv.200790059), аденин, цитозин и урацил — на поверхности монтмориллонита (разновидность глины) или оксидов железа при нагревании (см. обзор Constanzo et al, «BMC Evolutionary Biology», 2007, doi: 10.1186/1471-2148-7-S2-S1).

Чтобы азотистые основания приняли участие в синтезе РНК-подобных полимеров, они должны, естественно, сначала объединиться с сахаром и фосфатом. Еще в 1960-е годы было 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 АТФ. При этом присоединение последней фосфатной группы происходит примерно в сто раз быстрее, чем предшествующие реакции (Ponnamperuma et al., «Nature», 1963, doi:10.1038/199222a0). 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 АДФ обладает как раз подходящей длиной для эффективного переноса третьей фосфатной группы. Это, видимо, объясняет, почему в качестве универсального источника энергии в живых организмах используется гидролиз АТФ до АДФ и фосфата, хотя с таким же успехом можно использовать любой нуклеотидтрифосфат и даже дифосфат (его гидролиз до монофосфата выделяет такое же количество энергии). Действительно, ГТФ, ЦТФ, УТФ эпизодически выступают в этой роли, поставляя энергию для некоторых реакций, — однако гидролиз дифосфатов, насколько известно автору, нигде не используется.


1. АТФ — аденозинтрифосфат, соединение азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех фосфатных групп. В молекуле АТФ две высокоэнергетические связи, расщепление каждой из них высвобождает энергию, и на первый взгляд эти реакции очень похожи. Однако универсальной энергетической валютой клетки служит АТФ, но не АДФ. Возможно, так исторически сложилось потому, что присоединение третьего фосфата облегчал аденин (подробнее см. в тексте)  


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 Джона Сазерленда с коллегами из Химической школы Манчестерского университета (Powner, Gerland, Sutherland, «Nature», 2009, 459, 239—242, doi:10.1038/nature08013, краткий русский пересказ http://elementy.ru/ news/431082, «Химия и жизнь», 2009, № 7).

Они получили активированные пиримидиновые нуклеотиды (циклические 2',3' урацил- и цитидинмонофосфаты), смешивая в одной системе сразу и предшественники сахаров, и предшественники нуклеотидов, и фосфат. Казалось бы, это очень сильно расширяет возможные химические реакции, а значит, побочных продуктов должно быть больше. Однако эксперимент опроверг это предположение.


2. Обходной путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов. Серые стрелки — реакции, открытые Сазерлендом с коллегами. Черные — ранее известные пути синтеза рибозы и цитидина. (Powner et al., 2009)


Авторы смешали цианоацетилен (7), цианамид (8), глицеральдегид (9) и гликоальдегид (10). Фосфат избирательно катализирует синтез промежуточных продуктов 11 (2-аминооксазол) и 12 (арабинозоаминооксазолин), 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 цитидинмонофосфат достаточно подогреть реакционную смесь — все необходимое в ней уже имеется. Катали- затором фосфорилирования становится мочевина, образующаяся из цианамида в ходе одной из побочных реакций. На- конец, 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.

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

И новые направления исследований немедленно начали развиваться. Уже через два года вышла статья группы Джейсона Хейна (Hein, J.E. et. al., «Nature Chemistry», 2011, 3, 704—706, doi:10.1038/nchem.1108, Hein, J.E., Blackmond, D.G., «Accounts of Chemical Research», 2012, 45, 12, 2045—2054, doi:10.1021/ar200316n). Добавляя к системе Сазерленда различные аминокислоты, они получили стереоспецифический синтез рибонуклеотидов. Более того, достаточно было 1% избытка одного из стереоизомеров аминокислот, чтобы в конце концов получились хирально чистые рибонуклеотиды! Аминокислоты вмешиваются в синтез Сазерленда на стадии реакции 2-аминооксазола с глицеральдегидом, причем образуется тройной продукт.

Эта реакция стереоспецифична: пара глицеральдегида с аминокислотой одной хиральности реагирует в четыре 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.


3. Участие аминокислот в синтезе рибонуклеотидов. (Hein et al., 2011). Вверху — один из этапов синтеза с предыдущего рисунка; в эту реакцию вступает D-глицеральдегид. Внизу — побочная реакция, в которую L-пролин увлекает «неподходящий» L-глицеральдегид. Так происходит абиогенный отбор молекул нужной хиральности 

Ранее Сазерленд показал, что рибоаминооксазолин, 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 рибоаминооксазолина прямо из реакционных смесей с участием 14 чистых L-аминокислот из 19, содержащихся в белках. Пролин по стереоспецифичности далеко превосходит все остальные аминокислоты.

Таким образом, достаточно, чтобы в синтез Сазерленда попал раствор аминокислот, хирально обогащенный путем частичной кристаллизации. В экспериментах Хейна так были получены хирально чистые рибонуклеотиды, начиная всего лишь с 1% хирально обогащенного пролина. 

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


Такое небольшое хиральное обогащение аминокислот легко может быть обеспечено фотохимическими процессами с участием поляризованного УФ-света: как мы уже писали, в метеоритах встречаются аминокислоты с хиральным обогащением до 18%, причем с избытком именно L-изомеров.

Как видим, проблема разрешима и без вмешательства высшего разума.


Литература


Guzman, M.I., Martin, S.T. Prebiotic metabolism: production by mineral photoelectrochemistry of alpha-ketocarboxylic acids in the reductive tricarboxylic acid cycle. «Astrobiology», 2009, 9, 833—842, doi: 10.1089/ast.2009.0356.

Orgel, L.EThe implausibility of metabolic cycles on the prebiotic Earth. «PLoS Biology», 2008, 6, doi: 10.1371/journal.pbio.0060018.

Pasek, M.ARethinking early Earth phosphorus geochemistry. «Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2008, 105, 853—858, doi: 10.1073/pnas.0708205105.

<<Назад          Дальше>>


Элементы жизни: почему не кремний и не фтор

История вопроса

Проблема хиральной чистоты

Фотохимия и «черные курильщики»

Пути восстановления углекислого газа

Происхождение белкового синтеза и генетического кода

Мир вирусов, последний общий предок и происхождение ДНК

Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики

Закат «цинкового мира», прокариотная биосфера и происхождение фотосинтеза

Происхождение эукариот

Роль вирусов в происхождении клеточного ядра

Разные разности

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>