книги из ГПНТБ / Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров

8

Жирные кислоты

иглицериды

Жи р н ы е к и с л о т ы . В организме многоуглеродные цепи высших жирных кислот образуются путем конденсации молекул уксусной кислоты. Это было показано в экспериментах с введением белым крысам ацетата, меченного радиоактивным углеродом и дей­ терием [221]. Молекулы уже существующих в организме жирных кислот с короткими цепями удлиняются таким же путем — присоединением двууглеродных остатков уксусной кислоты — ацетилов. После открытия коэнзима ацетилирования (КоА—SH) были получены доказательства участия его в переносе ацетата с присоединением к жирным кислотам с короткими цепями или к ацетату. Ацетат присоединяется к KoA-SH с образованием ацетил-

КоА. При содействии ферментов ацетил-КоА карбоксилируется, образовавшийся при этом малонпл-КоА путем последователь­ ной конденсации с ацетилом превращается в пальмитиновую ки­

слоту С 1 в Н 3 2 0 2 .

Карбоксилирование (присоединение С02 ) ацетил-КоА проис­ ходит при участии биотина, АТФ и ионов магния [222]. Таков путь образования жирных кислот в современном организме.

Синтез жира — смеси триглицеридов — в организме соверша­ ется значительно проще синтеза жирных кислот. Глицерин синте­ зируется в процессе гликолиза в форме а-глицерофосфата. Эстерификация глицерина происходит при взаимодействии его с КоА, соединенным с соответствующей высшей жирной кислотой — оле­ иновой, пальмитиновой, стеариновой. Так образуютсятриглицериды трех высших жирных кислот [223].

Вся эта сложная многоступенчатая система синтеза жирных кислот и жира, существующая в современных живых организмах, не была представлена в предбиологическую эру существования Земли, эру преджизни. Вряд ли она могла существовать полностью и в протобионтах. Развитие этой системы в организме —предмет изучения биохимической эволюции.

Но возникающая, рождающаяся, может быть, из вулкани­ ческого пепла — по Фоксу и В. Н . Флоровской — жизнь поль­ зовалась органическим субстратом, образовавшимся вне перво­ бытного организма [36, 81]. Жирные кислоты, жиры, как и угле­ воды, и белки, и нуклеиновые кислоты, необходимые для организ-

101

темные пятна жирных кислот. Разделение жирных кислот в смы­ вах было выполнено методом фракционирования с мочевиной и другими способами. Температуру плавления и молекулярный вес определяли по общепринятым методам [224, 225].

В первых же опытах вылепилось, что полимеризация уксусной кислоты с образованием жирных кислот большего молекулярного веса происходит уже в смеси, содержащей только адсорбент и уксусную кислоту, но в незначительном количестве. Добавление глютатпона резко повысило выход продукта. Полимеризация в основном происходила на адсорбенте, в элюате которого и содер­ жался почти весь продукт синтеза.

Можно было ожидать, что продукты синтеза окажутся смесью жирных кислот разной степени полимеризации. Однако продук­ ты синтеза обычно состояли из одной какой-либо жирной кислоты,

В присутствии добавленного к этой смеси биотина число жирных кислот в продуктах синтеза увеличивалось до 2—3 (табл. 15, рис. 14). Эти закономерности обнарунгались путем хроматографии на бумаге, и благодаря им дальнейшая очистка и идентификация продукта синтеза были облегчены.

Можно предполагать, что в наших условиях полимеризации подвергается какая-то часть добавленной уксусной кислоты, причем процесс идет одновременно с одинаковой скоростью со всеми реагирующими молекулами уксусной кислоты. Разная ста­ дия полимеризации зависела от продолжительности синтеза. Поэтому в разных пробах одного и того же состава в зависимости

103

рая завершается за указанный срок образованием каприловой кислоты. В отсутствие адсорбента синтез также резко замедляется, но приводит к образованию нескольких низкомолекулярных жир­ ных кислот — валерьяновой, капроновой, энантовой. Добавление бпотнна 0,5—1,0 мг к полной смеси вызывает некоторое ускорение реакции, усиление полимеризации с образованием высших жирных кислот — пальмитиновой, стеариновой (рис. 14).

Наконец, можно отметить, что увеличение продолжительности синтеза при 80° до 4 час. и более приводило к образованию продук­ тов высокой полимерностп с молекулярным весом 720—800.

Добавление АТФ к инкубационной смеси оказалось излишним. В продуктах синтеза были найдены по реакции с КМп0 4 непре­ дельные жирные кислоты, но в небольших количествах (см.

табл. 15).

Г л и ц е р и д ы. Инкубационная смесь для синтеза глицеридов содержала пальмитиновую кислоту 1,5 ммоль в спиртовом растворе, глицерин 0,5 ммоль, а также глютатион восстановлен­ ный, аденозпнтрифосфат и адсорбент (амберлит Ира-400) в ука­ занных количествах. Инкубацпя длплась при 80° 2 часа пли при 37° 24—72 часа.

По окончании опыта анализировали фильтрат и осадок. К филь­ трату и осадку добавляли раствор. NaHC03 до 5%. Фильтрат затем экстрагировали многократно эфиром. Осадок после добав­ ления соды промывали много раз водой, подсушивали и экстраги­ ровали эфиром. Эфирные экстракты снова обрабатывали содой, промывали водой, высушивали. Вещество в сухом виде взвеши­ вали, определяли температуру плавления. Аликвоты сухих остат­ ков растворяли в эфире и подвергали хроматографии на бумаге с пропиткой 5%-ным силиконом в разделительной смеси этанол, толуол (4 : 1) или метанол, хлороформ (1:3) .

Далее аликвоты сухих остатков гидролизовали в 0,5 н. КОН. Из гидролизатов после нейтрализации и подкисления выделяли жирные кислоты и хроматографировали на бумаге, как указано выше.

Результаты опытов представлены в табл. 16.

Очевидно, в примененных нами условиях в присутствии гли­ церина и жирной кислоты образуется смесь трех глицеридов, судя по результатам хроматографии (рис. 15).

Температура плавления синтезированного вещества в одних

104

ваипи в присутствии воды в закрытом сосуде легко превращается

Для ускорения этого процесса применяются окислы металлов, в особенности окись ртути.

Тот же ацетилен в присутствии газообразного азота под влия­ нием электрической искры превращается в синильную кислоту:

СН == СН + N2 2HCN .

Условия синтеза уксусной кислоты, как и условия образова­ ния ацетилена, применяемые в технике, могли существовать иа Земле в предбиологическую эру в каком-то, вероятно, прибли­ жении.

В ряде работ по синтезу аминокислот из метана, аммиака и воды, воспроизводящему условия предбнологического периода, было констатировано образование низших жирных кислот, в том числе и уксусной [13, 64, 75, 192]. В связи с этим следует сделать вывод о возможных превращениях уксусной кислоты, образовании жирных кислот и нейтрального жира еще до появления живой субстанции или живого существа на земной поверхности.

Уксусная кислота обладает свойствами, в высокой степени спо­ собствующими конденсации ее молекул. Она имеет высокую реак­ ционную активность и вместе с тем достаточно устойчива по срав­ нению с альдегидами. В живых организмах уксусная кислота слу­ жит для ферментативного синтеза жирных кислот, холестерина и других соединений в форме комбинации с коферментом А, имею­ щим свободную SH-группу: КоА—SH, обладающую способностью присоединять уксусную кислоту:

СНзСО — S КоА.

Связь между углеродом карбоксила уксусной кислоты и ато­ мом серы КоА является макроэргической, чем и обусловлена осу­ ществляемая с ее помощью полимеризация уксусной кислоты в организме. По-видимому, в наших экспериментах адсорбент в при­ сутствии глютатиона образует комплекс, подобный КоА со сво­ бодной SH-группой. Возможно, что полимеризация уксусного альдегида на глине с образованием жирных кислот пойдет и без добавления глютатиона достаточно интенсивно.

Известно, что конденсация ацетальдегида с кротоновым аль­ дегидом с последующим гидрированием и окислением приводит к образованию жирных кислот с четным числом дтомов углерода [100].

106

9

Абиогенный синтез

ибиосинтез

Впредбиологический период на Земле синтез биологически важ­ ных веществ в процессе химической эволюции совершался либо спонтанно за счет сил химического взаимодействия или путем аутокатаяиза, либо с использованием внешней энергии и экзо­ генных катализаторов. В биологический период синтез нужных организму веществ стал прерогативой самих организмов, в кото­ рых возникли ферментативные системы, источники и переносчики внутренней энергии. Внешний абиогенный синтез в период биоло­ гической эволюции был заменен внутренним синтезом, биосинте­ зом, биогенезом.

А.И. Опарин утверждает, что синтезированные в добиологический период полипептпды и полинуклеотиды послужили для образования первичных преджизненных образований — коацерватов, в которых и происходило дальнейшее совершенствование биополимеров, организация ферментных систем, субклеточных частиц и т. д. По его мнению, высокоорганизованные белки и ферменты не могли синтезироваться в «первичном супе» [11, 226, 227].

В связи с этими замечаниями возникает вопрос, существовала ли какая-то степень преемственности между способом синтеза и стрз^ктурой синтезированных органических микромолекул и поли­ меров в добиологический период и структурой тех же веществ и способом их синтеза в первичных живых существах? Имеется ли преемственность между хемогенезом и биогенезом? Или, наобо­ рот, между ними существует неодолимый разрыв, глубокая про­ пасть?

Существует точка зрения о приложимости биогенетического закона Мюллера — Геккеля к общему процессу эволюции, вклю­ чающему и хемогенез, и биогенез [227]. Некоторые исследователи [81, 82, 228] убеждены, что современные биохимические синтезы повторяют пути абиогенетических реакций. Однако никаких более основательных соображений и данных по этому вопросу не суще­ ствует.

Ниже сделана попытка начертать некоторые параллели, сопо­ ставив предполагаемые пути абиогенеза важнейших биологических соединений с процессами современного их биогенеза,

108

В модельных опытах Миллера и других [13, 64, 65, 75] амино­ кислоты были получены воздействием искровых разрядов или лу­ чистой энергии на смесь метана, аммиака и воды. В этих реакциях метан и синтезировавшиеся из него по радикальному механизму более сложные жирные и ароматические углеводороды претерпе­ вали постепенные окислительные превращения с образованием сначала алкильных радикалов, затем спиртов и, наконец, альде­ гидов (НСЫО, СН3 СНО) и кислот (муравьиной, уксусной, молоч­ ной). Окислителями при этом служили радикалы ОН, возникав­ шие из воды под влиянием вышеупомянутых воздействий. Обра­ зовавшиеся альдегиды вступали во взаимодействие с аммиаком и синильной кислотой, синтез которой в этих условиях также со­ вершался. В результате последней реакции, аналогичной извест­ ному синтезу Штрекера, синтезировались различные аминокис­ лоты.

Второй путь синтеза аминокислот в тех же условиях — из му­ равьиной кислоты. Эта кислота легко окисляется в С0.2 и приводит к образованию глиоксиловой кислоты, особенно в присутствии Н2 0.2 [229]. Глиоксиловая кислота ампнируется аммиаком с обра­

вии ультрафиолетовых лучей на смесь формальдегида и азотно­ кислого аммония было обнаружено помимо аминокислот боль­ шое число промежуточных продуктов: имидазол и его производ­ ные, жирные первичные амины и амиды кислот, муравьиная, уксусная, пропионовая кислоты, индол, триптамин. Указанные авторы считают, что имидазольные соединения в этом опыте об-- разовались путем конденсации глиоксаля, окспметилглиоксаля, метилглиоксаля с формальдегидом и аммиаком (схема I , а, реак­ ции 2, 3).

Таким мог быть путь синтеза гистидина, ядро молекулы ко­ торого и составляет имидазол.

Глиоксаль и метилглиоксаль могли бы служить также исход­ ными веществами для первичного синтеза аминокислот семейства пировиноградной кислоты: при окислении глиоксаля и метил­ глиоксаля образуются пировиноградная и молочная кислоты. Аминирование пировиноградной кислоты дает аланин, а конден­ сация ее с уксусным альдегидом с последующим аминированием

дина мог совершаться и иначе. В этих условиях в облученной смеси происходила полимеризация формальдегида с образованием рибозы, синтезировались аспарагиновая и глутаминовая кислоты, мог присутствовать и птеридин [194]. Все эти вещества, включая формил, переносимый птеридином, могли послужить для образо­ вания гистидина.

[Те же авторы нашли среди продуктов синтеза в своем опыте также индол и триптамин. Образование индола могло идти путем

109

а

NHa

СНО• СООН — CHaNHaCOOH

Глицин

ТФФ

СНзСО • СООН — СНзСНО—ТФФ —Валпп, Лейцин, Изолейцпн СНзСНО — CH3 CHaNH2 -COOH

110