книги из ГПНТБ / Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров
.pdfТ а б л и ц а 13 Гнперхромный эффект при нагревании синтезированных препаратов РНК
Номер препарата |
Содержание РНК. |
Л при 20—25° |
Л при 00° |
Гш1ерх\)омпн. % |
мкг.м.ч |
||||
1 |
19,1 |
0,460 |
0.500 |
8,7 |
2 |
4,6 |
0,110 |
0,140 |
27,27 |
3 |
4,0 |
0,038 |
0,125 |
27,55 |
4 |
10,0 |
0,245 |
0,270 |
10^2 |
5 |
16,6 |
0,400 |
0,430 |
7.5 |
6 |
6,2 |
0,155 |
0,159 |
2,6 |
7 |
2,5 |
0,063 |
0,066 |
4.0 |
Т а б л и ц а 14 Гнперхромный эффект после щелочного гидролиза синтезированных
препаратов РНК при -Б^би ~
Номер препарата |
Содержание РНК, |
Л до гидролиза |
Л после гидроли |
Увеличение, % |
м к г/мл |
за |
|||
1 |
4,0 |
0,0J5 |
0,130 |
36,7 |
2 |
6,6 |
• 0,160 |
0,210 |
31,0 |
3 |
3,1 |
0,075 |
0,105 |
40,0 |
4 |
13,4 |
0,325 |
0,468 |
44,0 |
Данные по этим параметрам для наших препаратов представле ны в табл. 13, 141 .
По-видимому, полученные нами синтетические препараты РНК имели неодинаковое содержание отдельных нуклеотидов.
Данные по увеличению светопоглощения (при 260 им) некото рых наших препаратов при нагревании растворов до 60° свиде тельствуют, что эти препараты, особенно N 2 и 3, обладали вторич ной структурой в форме спирали, которая при нагревании развер тывалась, что и обусловливало появление гнперхромного эффекта. Остальные препараты, видимо, почти не имели вторичной струк туры.
Гнперхромный эффект после щелочного гидролиза был присущ всем нашим препаратам; он был достаточно велик и близок во всех препаратах. Это означало, что первичная структура препаратов довольно однородна, что основания приблизительно в равной степени перекрывали одно другое в цепи полпнуклеотида, расстоя ние между их плоскостями укорачивалось. Кроме того, надо при нять во внимание, что некоторые наши препараты в растворе 0,14 моля NaCl были весьма склонны к агрегации, вследствие чего при комнатной температуре растворимость их постепенно пони жалась.
91
Определение молекулярного веса препаратов было дальнейшим шагом к их характеристике как рибонуклеиновых кислот. Вначале была применена методика вискозиметрии в обычном вискозиметре Оствальда с малым временем истечения. Вычисления были вы полнены с приведением к нулевой концентрации и нулевой вели чине градиента скорости истечения [211, 212].
Величина молекулярного веса синтезированной РЫК по этому методу составила в среднем 97 ООО.Можио предположить, что мо лекула синтезированной РЫК состояла примерно из 200 нуклеотидов.
При измерении молекулярного веса методом ультрацентрифу гирования в градиенте плотности сахарозы [209], при стоянии раствора, наблюдалась, как обычно, агрегация молекул РНК, образование осадка и повышение молекулярного веса до 1 000 000.
Предотвращали |
агрегацию добавлением 1—2% формальдегида |
пли 0,1—0,5% |
додецилсульфата. |
Все вышеизложенные результаты по синтезу РНК в целом, не смотря на некоторое методическое несовершенство (отсутствие фер ментативного анализа), оставляют уверенность, что в избранных нами условиях вполне возможен синтез рибонуклеиновой кислоты. Анализ полученных по нашему методу синтетических препаратов показал достаточную степень идентичности их свойств с нативиой РНК: по содержанию фосфора, рибозы, нуклеиновых оснований, по молярному соотношению последних. Препараты имели макро
молекул ярное строение, в |
некоторых случаях спиральное, обла |
дали достаточно высоким |
молекулярным весом. |
Правда, мы установили лишь возможность обратного синтеза РНК из продуктов ее щелочного гидролиза. Однако нет сомиеинй что из смесп чистых нуклеотидов можно осуществить синтез макро молекулы РНК с тем же успехом.
В этих исследованиях находит подтверждение гипотеза о воз можном участии глин в процессе химической эволюции в предбиологпческий период существования Земли [24, 49, 143, 149, 2131.
Синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты. Синтез ДНК в усло виях, примененных для синтеза РНК, уже не представляет труд ностей. Для этого требуется составить эквимолярную смесь четы рех дезоксирибонуклеотидфосфатов, входящих в состав ДНК, и подвергнуть ее инкубации в присутствии глины и восстановлен ного глютатиона.
В нашем распоряжении не было чистых дезоксирибонуклео тидфосфатов. Произвести гидролиз ДНК с целью получить состав ляющие ее молекулу нуклеотиды с помощью щелочи или кислоты невозможно.
На первом этапе работы мы постарались получить анурпновую ДНК, в которой вследствие гидролиза в присутствии муравь иной кислоты и дифениламина по Бартону отщеплены и разруше ны пуриновые основания — аденин и гуанин. После очистки
92
нуклеиновых кислот. В наших предварительных, еще недоста точно совершенных и полных исследованиях удалось синтезиро
вать |
вещества, |
близкие |
по своим |
свойствам |
к нуклеиновым кис |
||||
лотам. |
В этих |
экспериментах |
была использована |
универсаль |
|||||
ная |
предбиологическая |
модельная система |
с применением гли |
||||||
ны, |
с |
использованием |
гетерогенного катализа, |
на |
которой |
||||
прежде |
были |
синтезированы белковоподобиые и ферментоподоб- |
|||||||
ные |
вещества. |
В |
этой |
системе содержался в качестве стимуля |
|||||
тора |
синтеза |
восстановленный |
глютатион. присутствие |
которо |
го в предбиологических условиях на Земле вполне вероятно, что подтверждается его модельным синтезом из свободных аминокис лот при участии дицианамида [2151.
Эти исследования, нам кажется, открывают |
перспективу для |
дальнейших исследований процесса химической |
эволюции. |
7
Углеводы
М о н о с а х а р и д ы . В современных условиях синтез углево дов из неорганических веществ CO., и Н.,0 совершается только в зеленых растениях и бактериях, содержащих хлорофилл. Пути этого синтеза сложны, но в некоторых отношениях напоминают предполагаемый путь синтеза углеводов в предбиологический период (см-, раздел 9). Известная обобщенная формула углеводов (СН2 0)„ наводит на мысль, что углеводы можно рассматривать как полимеры формальдегида НСОН. Действительно, в много
численных |
исследованиях начиная с А. М. Бутлерова [5] была |
доказана |
возможность синтеза углеводов из формальдегида |
[93-99]. |
|
Бутлеровскую конденсацию формальдегида можно трактовать как модельный предбиологический синтез. Источником формаль дегида на первичной Земли, как упоминалось выше, мог служить метан. Требующиеся для осуществления этого синтеза катализа торы — гидроокись кальция или бария — могли присутствовать иа первичной Земле. Могли присутствовать и редкоземельные ме
таллы — лантан, самарий, |
гадолиний, |
тербий, диспрозий, голь |
|||
мий, эрбий, |
туллий, иттрий, использованные в виде гидроокисей |
||||
в |
недавних |
опытах |
по бутлеровской |
конденсации формальдеги |
|
да |
[98]. |
|
|
|
|
|
Продукт |
бутлеровской |
конденсации формальдегида — «фор- |
||
моза» представляет |
собой |
смесь нескольких (трех, пяти, шести) |
моносахаридов — гексоз, пентоз. В опытах с применением гидро окисей магния и таллия продукт синтеза состоял из более 30 раз личных моносахаридов — триоз, тетроз, пентоз и гексоз [97].
Бутлеровская конденсация интересна тем, что она представля ет собой самокопденсацию и имеет явно выраженный аутокаталитическпй характер, о чем было уже сказано в разделе 2.
Возможность синтеза моносахаридов в предбиологических си туациях была продемонстрирована в опыте Т. Е. Павловской [64], а также в экспериментах Понамперумы и соавт. [190]. В их опытах в результате воздействия коротковолнового ультрафиолетового света или гамма-излучения 6 0 С на смесь метана, аммиака и воды были получены пеитозы — рибоза, дезоксирибоза. Углеводы были с интезироваиы также в опытах с воздействием электрических
95
разрядов на смесь формальдегида и ацетальдегида с выходом 15% [200].
Однако еще нет достаточно ясного представления, где образо вался на Земле формальдегид и где он подвергался своим превра щениям.
Согласно мнению Бернала, Акаборп, Эрлиха и Холма, В. Л. Комарова, В. Н. Флоровской, как выше указано, процессы химической эволюции протекали в прибрежных зонах при участии ила, глины. Если это так, то, вероятно, здесь происходила и кон денсация формальдегида в сахар.
Механизм образования углеводов из метана состоит в превра щении метана сначала в этиловый спирт, а затем в формальдегид
с последующей конденсацией |
последнего: |
|
2 0 Н - |
20H - |
|
Н С Н з — ; H C I b O H |
— Н С Н О |
-> (ИСНО)„ |
Сшгрт |
|
|
Окисление метана в этой реакции идет |
под влиянием радикала |
|
ОН, образующегося пз воды. |
|
|
С о б с т в е н н ы е и с с л е д о в а н и я . С целью выяс |
нить, какова могла быть роль глины в процессе конденсации фор мальдегида в сахар, мы провели ряд опытов по осуществлению этой реакции в присутствии глины.
Система для синтеза моносахаридов из формальдегида состояла
из 1 мл 40%-ного |
водного раствора формальдегида, |
насыщенного |
окпсью кальцпя, |
250 мг белой глины, 2—10 мг восстановителя. |
|
Инкубация проведена была при 75—100° в течение |
1,5—2 час. |
|
в стеклянных запаянных ампулах. |
|
По окончании инкубации в содержимом ампул (фильтрат и водный элюат из глины) определяли количество оставшегося фор
мальдегида сульфитным |
методом, |
количество |
общего |
сахара |
|||
по Бертрану и идентифицировали |
образовавшиеся углеводы хро |
||||||
матографией на бумаге в разделительной |
смеси бутанол, |
ледяная |
|||||
уксусная кислота, |
вода |
( 4 : 1 : 5). Ниже представлены |
данные |
||||
о выходе продукта |
синтеза в зависимости от состава инкубацион |
||||||
ной смеси: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гга-т™ |
|
ВЫХОД дродук- |
|
||
|
|
Ьостав смеси |
т о |
в c n H T e 3 a i |
% |
|
|
Полная |
|
|
|
50—80 |
|
|
|
Без |
глины |
|
|
20—30 |
|
|
|
Без |
Са(ОЫ)2 |
|
|
30-40 |
|
|
|
Без |
Са(ОН)з и без глютатиопа |
0 |
|
|
|||
ИагЭгО.! (взамен |
глютатиопа) |
0 |
|
|
Результаты этих опытов свидетельствуют, что глина, а также восстановитель могли в значительной степени ускорить реакцию конденсации формальдегида в водном растворе с образованием моносахаридов.
96
других веществ в различных качественных и количественных ва риациях. Всего проведено 245 опытов.
Во многих экспериментах в инкубационную смесь, в качестве затравки в опытные и контрольные пробы, добавляли несколько микрограммов крахмала в равных количествах.
Инкубация происходила при 37° в течение 24—48 час , после чего следовало извлечение горячей водой. Содержание образовав шегося крахмала в пробах определяли количественно йодной пробой. В большинстве этих экспериментов было констатировано путем хроматографии на бумаге образование мальтозы, и в 50 процентах из них по реакции с йодом удалось наблюдать обра зование декстрина или даже крахмала. Инкубационная смесь в этих случаях содержала 2—5 мг глюкозо-1-фосфата и двойное количество глютатиона восстановленного. Выход образовавшегося крахмала в некоторых опытах составил 85%. При уменьшенном содержании глютатиона в смеси выход уменьшился в несколько раз. В ряде опытов взамен глютатиона были применены гистидин, Na2 S3 04 , цистеин и другие вещества. В некоторых опытах с гисти-
дииом |
был получен |
слабый положительный результат. |
Выход |
|
в |
этом |
случае резко |
увеличивался при добавлении глютатиона. |
|
В |
инкубационной смеси, содержащей глюкозу взамен |
глюкозо- |
1-фосфата, гистидин, глютатион и неорганический фосфат, в при сутствии смолы и затравки, было отмечено иногда довольно зна чительное образование крахмала. Добавление АТФ в инкубацион ную смесь ие вызывало какого-либо изменения в ходе реакции.
|
|
|
|
Выход |
|
Состав смеси, мг |
|
|
крахмала, % |
1. Глюкозо-1-фосфпт |
5,0 |
1 |
|
|
|
Глютатион |
10,0 |
\ |
85—14 |
|
Глина |
200,0 |
J |
|
2. |
То же, без глютатиона |
|
|
0 |
3. |
То же, без глины |
|
|
0 |
4 . Глюкоза |
51 о |
|
|
|
|
Гнстндпн |
5( |
о |
|
|
Глютатион |
5,0 |
\ |
4,1—2,5 |
|
Глина |
200,0 |
|
|
|
Фосфат К |
12 0 |
|
|
Итак, синтез моносахаридов |
из формальдегида, дисахаридов |
из моносахаридов и полисахаридов из глюкозы и глюкозо-1-фос- фата может быть осуществлен в предложенных нами мягких ус ловиях гетерогенного катализа на-глине, при умеренном нагрева нии в присутствии восстановленного глютатиона. Механизм син теза дисахаридов и полисахаридов в этих условиях, возможно, был близок к ферментативному катализу синтеза углеводов [217,
218], поскольку |
установлено |
сходство гетерогенного катализа |
с ферментативным |
(см. раздел |
9). По-видимому, механизм кон- |
99
денсации моносахарлдов на глине значительно отличается от ме ханизма поликонденсации глюкозы, осуществленного Мора [219.] Он получил полимеры путем нагревания альдоз при температуре несколько выше температуры их плавления, устанавливал их строение исходя из стерических соображений и подтверждал ме тодом периодатного окисления, метилирования и другими прие
мами анализа, измерял молекулярный вес осмотическим |
методом |
и по числу восстанавливающих групп. Он пришел к |
выводу, |
что процесс полимеризации совершается по закономерностям,
заложенным в |
молекулярном строении. О возможности синтеза |
|
полисахаридов |
из моносахаридов под влиянием |
гамма-излучений |
в водном растворе сообщают также Баркер и |
сотр. [220]. |