Текст книги "Происхождение жизни. От туманности до клетки"

Итак, для построения сложных органических молекул на поверхности древней Земли у нас есть формальдегид, цианид и его производные. Что и как можно сделать из этих составляющих?

Еще в 1865 году А. М. Бутлеровым была открыта так называемая формозная реакция: водный раствор формальдегида (СH₂O) с добавлением гидроокиси кальция (известковая вода) при небольшом нагревании превращается в сложную смесь сахаров. (Об этом, а также о других проблемах биогенеза рассказывалось в статье Пармона В. Н. Новое в теории появления жизни // Химия и жизнь. 2005. № 5.) Изучению реакции много лет мешал ее капризный характер: колбу с раствором надо было греть несколько часов без всяких видимых изменений, и вдруг в течение пары минут раствор быстро 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 (гликольальдегид, глицеральдегид и дигидроксиацетон), которые затем катализируют синтез самих себя и более сложных сахаров. Если к исходной смеси добавить чуть-чуть гликольальдегида или глицеральдегида, то реакция запускается почти сразу. Другой способ ускорить ее – осветить раствор ультрафиолетом, под действием которого некоторые молекулы формальдегида соединяются в гликольальдегид.

В классической 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. Если ее не останавливать вовремя, то в итоге получается коричневая карамелизованная смесь сложных сахаров и продуктов их распада. Подобная проблема часто встречается в предбиогенной химии: если к органическим веществам долго подводить энергию в виде тепла или ультрафиолета, то в итоге обычно получаются сложнейшие, неразделимые смеси веществ, похожие на смолу или деготь. Это знает на собственном опыте каждый, кому приходилось отмывать пригоревшую кастрюлю или сковородку.

Чтобы получить в реакции Бутлерова именно те сахара, которые встречаются в клетках – рибозу, глюкозу, – нужно ее как-то останавливать на полпути. В последние годы было обнаружено, что некоторые минералы избирательно связывают и выводят из реакции отдельные сахара, именно те, которые нужны для биохимии. Например, при добавлении растворимых силикатов, таких как Na₂SiO₃ (силикатный клей), 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», http://elementy.ru/news/431261). Если же в реакционную смесь добавить гидроксиапатит Ca₃(PO₄)₂ × Ca(OH)₂, то на его поверхности практически избирательно осаждается рибоза (см. уже упоминавшуюся статью В. Н. Пармона в майском номере «Химии и жизни» за 2005 год)! Еще более эффективно и избирательно осаждают рибозу из реакции Бутлерова соли борной кислоты (бораты). (Ricardo et al, 2013). Соли молибдена превращают ядовитые разветвленные сахара, которые тоже получаются в реакции Бутлерова, в нужные линейные и повышают выход рибозы. Обратите внимание, что все эти вещества – силикаты, бораты, фосфаты и соли молибдена – избирательно накапливаются в грязевых котлах, которые и по другим признакам хорошо подходят на роль колыбели жизни.

Получить азотистые основания оказывается проще, чем сахара. Самые разные воздействия на синильную кислоту или формамид приводят к тому, что их молекулы соединяются в кольца, такие же, как в азотистых основания. Аденин и гуанин образуются из синильной кислоты при замораживании ее водного раствора, ультрафиолетовом облучении или нагревании. Если добавить цианамид или мочевину, то получаются цитозин и урацил. Все четыре азотистых основания образуются с высоким выходом из формамида (NH₂CНO) на поверхности частиц оксида титана TiO₂ при ультрафиолетовом облучении; аденин, цитозин и урацил – на поверхности глины или оксидов железа при нагревании (см. обзор Constanzo et al., 2007).

Чтобы азотистые основания приняли участие в синтезе РНК-подобных полимеров, они должны, естественно, сначала объединиться с сахаром и фосфатом. Этот этап оказался гораздо сложнее, чем получение отдельных сахаров и азотистых оснований. Во-первых, такая реакция идет с выделением воды, и поэтому в водном растворе равновесие сдвинуто в сторону отдельных сахаров и азотистых оснований. Во-вторых, стандартные способы обхода такой проблемы – нагревание сухой смеси веществ или крепкого рассола – здесь не подходят. В этих условиях азотистые основания соединяются с рибозой, но не той стороной – связь с сахаром образует боковая аминогруппа, а не атом азота из кольца. Аденин и гуанин можно соединить с рибозой правильным способом, облучая ультрафиолетом водный раствор азотистых оснований и рибозы, но выход нужного нуклеозида не превышает 1 %, а с урацилом и цитозином этот способ вообще не работает. В клетках азотистые основания соединяются с рибозой правильно с помощью сложных ферментов, но нам надо как-то обойтись без них.

Чтобы решить эту проблему, ученые пошли другим путем. Если не удается правильно соединить готовые азотистые основания с рибозой, то можно попробовать создавать эту связь до того, как рибоза и азотистые основания будут достроены. Есть три возможных пути: строить азотистые основания на готовой рибозе, строить рибозу на готовом азотистом основании и строить и то и другое одновременно. Первый путь, кстати, используется в клетках для синтеза адениновых и гуаниновых нуклеотидов из простых предшественников. В экспериментах были достигнуты успехи на всех трех направлениях.

Так, если взять сухую смесь тех веществ, из которых в клетках образуется аденин (это три аминокислоты: глицин, глутамин, аспарагиновая кислота, а также соли муравьиной и фосфорной кислот и рибоза), и запекать ее при температуре 120–150 °C без доступа воздуха, то образуется нуклеотид аденозин-монофосфат с выходом 2–3 % и нуклеозид (азотистое основание с рибозой без фосфора) с выходом до 5 % (Kritsky et al., 2007). В водном растворе рибозо-3-фосфата при добавлении цианамида и цианоацетилена получается нуклеотид цитидин-монофосфат (рис. 7.4) (Ingar et al., 2003). В обоих этих случаях предшественники азотистого основания сначала реагируют с рибозой, а потом этот промежуточный продукт становится нуклеотидом.

Второй путь начинается с побочных продуктов синтеза азотистых оснований из формамида. Наряду с аденином, гуанином, цитозином и урацилом при этом получаются их формильные производные, имеющие альдегидную (CHO) группу на одном из атомов азота в кольце, чаще всего именно на том, который образует связь с сахаром в нуклеотидах. Эта группа может служить затравкой для построения сахара, если такое вещество (например, 9-формил-аденин) попадет в условия реакции Бутлерова – щелочную среду с формальдегидом. Все хитрости, которые позволяют получить в реакции Бутлерова именно рибозу, а не пригоревшую карамель, здесь тоже работают.

Наконец, возможность получения нуклеотидов по третьему пути, когда ни рибоза, ни азотистые основания не встречаются на промежуточных стадиях, была показана в 2009 году в работе Сазерленда с коллегами из Школы химии Манчестерского университета (см.: Клещенко Е. Реакция начала жизни // 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 крайне расширяет круг возможных химических реакций, а значит, побочных продуктов должно быть больше. Но эксперимент опроверг это предположение.

Авторы использовали цианоацетилен (на рис. 7.5 это № 7), цианамид (№ 8), глицеральдегид (№ 9) и гликольальдегид (№ 10). Фосфат облегчает реакции, приводящие в итоге к нуклеотидам, и подавляет другие, побочные. Так, он направляет реакцию цианамида с гликольальдегидом в сторону промежуточного продукта № 11 (2-аминооксазол), а затем реакцию его с глицеральдегидом с образованием продукта № 12 (арабинозо-аминооксазолин). Затем продукт № 12 реагирует с цианоацетиленом, давая вещество № 13 (арабинозо-ангидронуклеозид). В обычном водном растворе при этом повышается pH, и среда становится щелочной, что приводит к распаду 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 осветить раствор ультрафиолетом.

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 многие годы останется одним из великих достижений пребиотической химии».

Вскоре в той же лаборатории аналогичным способом были получены и пуриновые нуклеотиды (циклические аденозин– и гуанозин-монофосфаты). Для этого оказалось достаточно добавить в систему синильную кислоту вместо цианоацетилена (рис. 7.6) (Powner et al., 2010).

При всей важности результатов лаборатории Сазерленда и в этих путях синтеза есть к чему придраться. Во-первых, для них требуется последовательное добавление разных исходных веществ: сначала смешать гликольальдегид и цианамид, потом добавить глицеральдегид, а затем – цианоацетилен. Если смешать все сразу, то нуклеотиды практически не получаются. Во-вторых, не очень понятно, откуда взять простейшие сахара (гликольальдегид и глицеральдегид). В реакции Бутлерова они образуются из формальдегида, но тут же превращаются в более сложные сахара. Способов остановки реакции Бутлерова на глицеральдегиде пока неизвестно. В-третьих, для получения нуклеотидов нужны в больших количествах цианамид и цианоацетилен, а в атмосферных процессах они образуются в гораздо меньшем количестве, чем цианид.

Сотрудники Сазерленда обратили внимание на другие пути получения сахаров. В химии давно известен синтез Килиани – Фишера, в котором цианид реагирует с формальдегидом, давая гликольнитрил (рис. 7.7). На второй стадии гликольнитрил восстанавливается, а на третьей реагирует с водой, выделяя аммиак, и превращается в гликольальдегид. Аналогично гликольальдегид может присоединить следующую молекулу цианида и превратиться в глицеральдегид и далее в более сложные сахара. Первая и третья реакции этого синтеза легко происходят в водном растворе без дополнительных условий, а вот на втором шаге нужны водород и определенный катализатор: палладий на сульфате бария (Pd/BaSO₄). Просто палладий и другие металлы, катализирующие восстановление водородом (платина, никель), не подходят, так как вызывают побочные реакции восстановления, приводящие к образованию этиленгликоля и этаноламина. Понятно, что на древней Земле не было палладия на сульфате бария, поэтому синтез Килиани – Фишера долго не привлекал внимания специалистов по предбиологической химии. Однако недавно удалось найти подходящий восстановитель, который наверняка был на древней Земле: это сероводород (Ritson and Sutherland, 2013). В качестве катализатора при этом используются цианидные комплексы меди. Под действием ультрафиолета эти комплексы отнимают электроны от сероводорода (который превращается в серу) и передают их другим молекулам, в том числе гликольнитрилу. Механизм реакции получается сложнее, чем обычный синтез Килиани – Фишера, и кроме сахаров (гликольальдегида и глицеральдегида) получаются побочные продукты, прежде всего аминокислоты: глицин, аланин, серин и треонин.

Оказалось, что по условиям эта реакция совместима с синтезом нуклеотидов из простых сахаров, цианамида и цианоацетилена. В присутствии фосфата удается получить нуклеотиды, начиная с цианида и формальдегида, а также возникает дополнительное направление побочных реакций: часть глицеральдегида превращается в диоксиацетон, который восстанавливается до ацетона. Ацетон, присоединяя дополнительные молекулы цианида, дает в итоге еще две аминокислоты, входящие в состав белков, – валин и лейцин (рис. 7.8).

Для получения концентрированных растворов цианамида и цианоацетилена ученые обратили внимание на свойства цианидных комплексов железа. При добавлении синильной кислоты к воде, содержащей соли железа и других металлов, образуются гексацианоферраты, которые при упаривании раствора выпадают в осадок: K₄Fe(CN)₆ (желтая кровяная соль), Na₄Fe(CN)₆, Ca₂Fe(CN)₆ и Mg₂Fe(CN)₆. При нагревании до 500–800 °C гексацианоферраты разлагаются, давая различные продукты: карбид железа, азот, цианиды калия и натрия. Гексацианоферрат магния при таком разложении дает нитрид магния (Mg₃N₂), а гексацианоферрат кальция – карбид и цианамид кальция (CaC₂ и CaNCN). Если эти продукты прокаливания залить водой, то KCN и NaCN растворяются, соединения кальция разлагаются, давая цианамид NH₂CN и ацетилен C₂H₂, а нитрид магния разлагается с выделением аммиака. При добавлении солей меди ацетилен соединяется с цианидом, давая цианоацетилен (HC ≡ C–C ≡ N) и акрилонитрил (H₂C = CH – C ≡ N). На древней Земле такие процессы могли происходить, например, в окрестностях вулкана: сначала синильная кислота из дождей и вулканических газов попадает в озеро с обогащенной железом геотермальной водой, и там накапливаются гексацианоферраты. Потом повышение активности вулкана выпаривает озеро, и разные соли откладываются на его дне кольцами: менее растворимые выпадают в осадок первыми и откладываются ближе к исходным берегам, а более растворимые остаются на самом глубоком месте озерной котловины. Потом вулканическое тепло прокаливает осадки гексацианоферратов, а когда вулкан успокоится и высохшее озеро вновь зальет геотермальной водой с сероводородом, по запекшейся корке солей потекут ручьи из концентрированных растворов цианида и цианамида, в которых пойдет синтез нуклеотидов.

На основе акрилонитрила и цианоацетилена в этих условиях получаются не только нуклеотиды, но и дополнительные аминокислоты. Акрилонитрил присоединяет аммиак и превращается в бета-аминопропионитрил, который через несколько стадий дает пролин и аргинин. Цианоацетилен с помощью меди может присоединить еще молекулу цианида и превратиться в малеонитрил (№ 48). Из малеонитрила образуются аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота. Таким образом, из четырех простых веществ (синильная кислота, сероводород, цианамид и ацетилен) получаются не только все четыре нуклеотида, но и десять из двадцати белковых аминокислот. Что еще интереснее, в этой сложной сети реакций практически не образуется никаких веществ, которые не встречались бы в современных клетках, – в отличие от аппарата Миллера и реакции Бутлерова! Значит, цианосульфидные реакции могли определить исходный набор нуклеотидов и аминокислот, из которых строились первые живые системы.

Глава 8
Происхождение хиральной чистоты

Живое вещество, в отличие от неживого, обладает хиральной чистотой: все белки состоят из левых аминокислот, а ДНК и РНК построены на правой рибозе. В опыте Миллера и других экспериментах по абиогенному синтезу левые и правые изомеры сахаров и аминокислот образуются в равных пропорциях. Если пытаться строить белки и нуклеиновые кислоты из такой смеси, то обычно получается случайное чередование левых и правых звеньев. Такие ДНК не могут свернуться в двойную спираль, а белки – в определенную устойчивую форму и потому не могут работать ферментами. Чтобы жизнь могла возникнуть, нужны какие-то механизмы, которые отделяют левые изомеры от правых. Поиск таких механизмов уводит нас очень далеко от биохимии.

Изучая метеориты, ученые узнали, что хиральная асимметрия – небольшое преобладание одного изомера – возникла еще до появления планеты Земля. В богатых органикой метеоритах из группы углистых хондритов содержатся различные аминокислоты, причем левых изомеров обычно на 1–5 % больше, чем правых. Скептики объявили этот результат следствием загрязнения метеоритов земными бактериями уже после падения, а сторонники гипотезы панспермии решили, что в метеорите сохранились остатки космических микробов. Однако подробное изучение метеоритных аминокислот показало, что они возникли без участия любых организмов. Избыток левых изомеров наиболее заметен в тех метеоритных аминокислотах, которые вообще не встречаются в живых клетках, например в изовалине. «Белковые» аминокислоты из тех же метеоритов – аланин, валин, пролин – имеют почти равное содержание обоих изомеров. Изотопный состав метеоритных аминокислот точно такой же, как у сажи, карбонатов, карбидов и других углеродсодержащих веществ в том же метеорите, а живые организмы всегда обеднены тяжелым углеродом-13 по сравнению с неживой средой. Так что какие-то космические факторы могут приводить к небольшому преобладанию левых аминокислот.

Что это за факторы? Хиральность молекул проявляет себя при взаимодействии либо с другими хиральными молекулами, либо с поляризованным светом. Луи Пастер смог разделить смесь кристаллов винной кислоты, сортируя их пинцетом. В поляризованном свете кристаллы одного изомера были темными, а другого – светлыми.

Что такое поляризация света и какая она бывает? Видимый свет, наряду с радиоволнами, тепловым, ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением, является электромагнитной волной, т. е. колебаниями электрического и магнитного поля, распространяющимися от источника на неограниченное расстояние. И электрические, и магнитные колебания направлены поперек хода луча, под прямым углом к нему и друг к другу. Обычный свет, например от Солнца, свечи или лампы накаливания, представляет собой смесь электромагнитных колебаний во всех возможных направлениях. Такой свет называется неполяризованным. Если в луче света все колебания происходят в одной плоскости, то это линейная поляризация (рис. 8.1). Свет с линейной поляризацией можно получить, пропуская неполяризованный свет через поляризационный фильтр. Кроме того, линейная поляризация может возникать при отражении света. Отраженный от горизонтальных поверхностей солнечный свет приобретает вертикальную поляризацию, поэтому поляризационные фильтры, пропускающие только свет с горизонтальной поляризацией, используются в солнцезащитных очках и фотообъективах для устранения бликов.

Бывает и более сложная поляризация, называемая круговой или спиральной. В этом случае плоскость, в которой колеблется электрическое поле, не постоянна вдоль пути луча, а вращается вокруг него. Свет со спиральной поляризацией излучается, например, при движении заряженных частиц в сильном магнитном поле (циклотронное излучение). Природным источником такого излучения являются солнечные пятна.

При прохождении линейно поляризованного света через раствор одного оптического изомера вещества его плоскость поляризации поворачивается (рис. 8.2). Левый изомер поворачивает плоскость поляризации влево, правый – вправо на точно такой же угол. Это свойство хиральных молекул и было названо оптической активностью, и из-за него левые и правые изомеры называются оптическими.

Любая спираль может быть правой или левой. Соответственно, свет со спиральной поляризацией хирален и по-разному взаимодействует с правыми и левыми хиральными молекулами – один изомер поглощает его сильнее, чем другой. Это явление называется круговым дихроизмом.

Известно, что жесткое ультрафиолетовое излучение разрушает аминокислоты. И вот оказалось, что ультрафиолет с круговой поляризацией разрушает один из изомеров заметно лучше, чем другой. В зависимости от направления поляризации освещения (лево– или правоспиральная) можно получить избыток либо левых, либо правых аминокислот.

Откуда в космосе может взяться поляризованное ультрафиолетовое излучение? В молекулярных облаках, где происходит образование новых звезд, астрономам удалось наблюдать достаточно мощное ультрафиолетовое излучение с круговой поляризацией. Уровень поляризации достигает 17 % в туманности Orion (OMC-1) и 23 % – в NGC 6334V (Chrysostomou et al., 2000). Его интенсивность вполне достаточна, чтобы за десятки тысяч лет в космической пыли образовался заметный избыток одного из изомеров аминокислот. Поляризация света в этих облаках вызвана рассеиванием на частицах пыли, причем пылинки должны быть вытянутой формы и ориентированы длинной осью в одну сторону. Такая ориентация требует достаточно сильного межзвездного магнитного поля. Наблюдения этих туманностей в инфракрасном диапазоне подтверждают наличие вытянутых пылинок, ориентированных вдоль магнитного поля. Области туманности, где преобладает ультрафиолет с одной поляризацией, достаточно велики – их размеры превышают 100 астрономических единиц (в четыре раза больше, чем размер Солнечной системы).

Поляризация ультрафиолета за счет рассеивания на пылинках в магнитном поле наблюдается только в облаках, где рождаются массивные звезды. В областях рождения небольших звезд, отличающихся меньшей температурой газа, не наблюдается сколько-нибудь заметного уровня поляризованного ультрафиолета, и, возможно, там метеоритная органика не будет иметь избытка одного оптического изомера.

Все эти фотохимические процессы с участием поляризованного ультрафиолета приводят к образованию небольших областей газопылевого облака, обогащенных аминокислотами одной хиральности. В среднем по Галактике из них будет образовываться примерно поровну звездных систем, обогащенных правыми и левыми аминокислотами, и следовательно, по этой гипотезе жизнь во Вселенной должна быть представлена примерно поровну лево– и правоаминокислотными формами.