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

200 мг глины в форме взвеси в 0,5 мл воды, 25—250 мкг витамина,

сначала адсорбируется витамин на глине, затем добавляются активаторы реакции и после всего — субстрат.

Опыты проведены преимущественно с рибофлавином, адсор­ бированным на глине.

Дезаминирование и окисление аминокислот. Оксидаза амино­ кислот содержит рибофлавин в качестве кофермепта и обладает свойством одновременно с дезамиттироваиием аминокислот пре­ вращать их в оксокислоты.

При инкубации взвеси глины в воде с адсорбированным рибо­ флавином и какой-либо аминокислотой, например, лизином, в чаш­ ке Конвея в присутствии 0.1 н. НС1 в течение 12—18 час. при 30° можно наблюдать образование аммиака путем титрования остав­ шейся кислоты 0,1 н. едким натрием. При отсутствии в инкуба­ ционной смеси АТФ скорость реакции замедляется, а при отсут­

В элгоате с глииы 2 н. Н О с последующей его обработкой 2,4-

'динитрофенилгидразином и хроматографией на бумаге было доказано образование характерного для а-кетоглутаровой оксо­ кислоты фенилгидразона канареечного цвета.

(50—100 мкг) и АТФ (2 мг) в течение 24 час. при 37°.

По окончании инкубации глину элгоируют 0,2 и. раствором

ном Na2 HPO„ [1191.

42

Просвечивая бумагу после разделения и высушивания в ультрафиолете, легко обнаружить пятно, соответствующее по окраске и по Rf (0,05) положению ФАД.

В фильтрате от глины или при неполном составе инкубацион­ ной смеси, при отсутствии хотя бы одного из вышеуказанных ее компонентов, синтеза ФАД не наблюдается.

Образование глю.конолактона из глюкозы. В результате инку­ бации той же смеси с добавлением избытка глюкозы (5 мг) удается наблюдать появление глюконолактона по качественной, специ­ фичной для этого вещества реакции с гидроксиламином и FeCl3 в присутствии щелочи. Образование лактона глюкозы свойствен­ но, как известно, ферментам типа глюкозооксидаз (КФ 1.1.3.4 и 1.1.3.5), активной группой которых служат ФАД и ФМН [105, 1091. Количество синтезированного в указанных условиях глюко­ нолактона незначительно. В контрольных экспериментах его

из взвеси 200 мг глины с адсорбированным рибофлавином в при­ сутствии 50 мкг АТФ, 100 мкг глютатиона и 0,34 мкмоль мети­ леновой сини. Извлечение краски с глины производили щелочным

Стимуляция восприятия водорода метиленовой синей явственно происходит на глине в присутствии адсорбированного рибофла­ вина, восстановленного глютатиона и АТФ: полное обесцвечива­ ние краски наступает через 1 мин. При отсутствии в инкубацион­ ной смеси АТФ или глютатиона обесцвечивание снижается до 50—58%, при отсутствии того и другого до —0—10%, а при от­

адсорбция моментально осуществляется, как только в эту смесь будет добавлена метиленовая синяя. Несмотря на это, обесцве­ чивания метиленовой синей в присутствии всех указанных ве­ ществ на этой смоле совсем не происходит.

Биотип. Одной из важнейших функций биотина в организме является участие его в синтезе жирных кислот в составе фермен­ тов —карбоксилаз [109].

Изучая вопрос о синтезе жирных кислот и жира в абиогенных условиях, мы смогли убедиться, что биотип в бесферментных си­ стемах,- имитирующих предбиологические условия за Земле,

43

4

Аминокислоты и белки

Началом интенсивного изучения этого вопроса следует считать работу Миллера [131, повлекшую за собой большое число экспери­ ментов, повторяющих и дополняющих его исследование.

Всвоем стремлении имитировать природные условия добиологического периода на Земле авторы этих исследований исхо­ дили из представлений, выдвинутых ранее А. И. Опариным и Холдейном, о «холодном» образовании Земли из космической пыли,

овосстановительном характере первичной атмосферы и прозрач­ ности ее для ультрафиолетовых лучей [11, 121.

Вкачестве источников энергии для синтеза в этих работах были использованы искровые разряды, ультрафиолетовые лучи, иони­ зирующее облучение, тепло.

Ниже приведено описание пекоторых наиболее важных работ в этом направлении.

Искровые разряды. Миллер наполнял шарообразный стеклянный сосуд с приводной и отводной трубками смесью метана, аммиака, водорода и паров воды; с помощью впаянных в сосуд платиновых электродов, пользуясь катушкой Тесла, в нем производили искро­ вые и тихие электрические разряды при 70—80°. Опыты вели в течепие недели. Последующим хроматографическим анализом содер­ жимого колбы было доказано образование в нем аминокислот глицина, аланииа, [i-алаиииа, а-амипомасляной кислоты и ее изоформы, аспарагиновой и глутамииовой кислот, саркозина, N - метил-аланииа [131. В повторных опытах Миллер и сотрудники кроме указанных аминокислот получили дополнительно валин и

45

нильной кислоты из аммиака, метилового спирта и затем формаль­ дегида из метана. Взаимодействие HCN и ЫСНО в присутствии N l l 3 завершается образованием амииоиитрнла (NH2 CH2 CN), ко­ торый путем омыления превращается в аминокислоту.

Нагнетали в нее аммиак до давления около 1 атм., впускали 1 л бпдистиллированнон воды, метан и водород с парциальным дав­ лением но 0.5 атм. па каждый газ. Давление внутри колбы повы­ шалось до 800—900 мм рт. ст. Затем в течение 10—30 дней в колбе производили искровые разряды между электродами. Вследствие образования и полимеризации цианидов под влиянием искрового

опыта находили две-три аминокислоты —глицин, серии, аспарагпновую кислоту. Через 100 час после начала опыта в колбе со­ держались уже четыре, а по истечении 200 час.— 8—12 синтези­ рованных аминокислот.

Отдельные аминокислоты синтезировались с неодинаковой скоростью, о чем говорит приблизительное молярное соотношение аминокислот в реакционной смеси. В одном из опытов оно состав­ ляло (в молях) аспарагиновая кислота, лейцин и изолейцип по 2, треонин и лизин по 4, серии и аланин по 14, глицин 16, глутамииовая кислота 1. В реакционной смесп были найдены также дипептиды, трипептиды, производные нуклеиновых кислот и мно­ гие иеидентифицированиые вещества. Оптической асимметрией синтезированные продукты пе обладали.

Выход аминокислот из смеси СН4 , N H 3 , Н 2 и И 2 0 под влиянием искровых разрядов составлял (в % ) : глицин 2,1, аланин 1,7, саркозии 0,3, (5-алаиин 0,8 и аминомасляиая кислота 0,3.

Искровые разряды были применены также для синтеза пури­ нов [128].

Ионизирующее облучение. Оро и сотрудники моделировали «условия ионизирующего облучения ядра комет» [38, стр. .145]. В камеру для синтеза они вводили радиоактивный метан, аммиак и воду, подвергали смесь глубокому охлаждению до твердого состояния жидким азотом. Полученный твердый диск, состоящий из этих веществ (ядро кометы), облучали электронами с энергией 5 мэв. Часть опытов в том же порядке была выполнена без охлаж­ дения, при комнатной температуре. Наконец, в «соответствии с областями столкновений комет и остывающими зонами звездных атмосфер», они пропускали подобную же смесь газов через трубку,

46

нагретую до .1300°. Применив радиоавтографировапне и автомати­ ческий аминокислотный анализатор, авторы доказали образова­ ние во всех модификациях опыта преимущественно глицина и аланииа и в меньшем количестве аспарагиповой кислоты, ссрина, треонина, глутаминовой кислоты, лейцина, аллоизолепцина, изолейцииа, фенилалаиина, тирозина и ряда неидеитифицированпых,

ароматических нормальных и изомерпых, в частности стирола. Углеводороды подвергаются окислению в альдегиды под влиянием гидроксильных радикалов, образующихся из воды. Альдегиды в присутствии аммиака и синильной кислоты превращаются в ами­ нокислоты по механизму известного синтеза аминокислот по Штрекеру [19, 38, 62].

Из смеси простых газов (СН4 , N H 3 , Н2 , СО, N 2 и Н 2 0 ) , имити­ рующих первобытную атмосферу Земли, при облучении ее рент­ геновскими лучами было синтезировано несколько основных и нейтральных аминокислот [123]. Аминокислоты получены также при облучении раствора ацетата аммония [З-лучами и углекислого

этим радиоактивные излучения К'1 0 , присутствовавшего на пер­ вичной Земле. Авторы синтезировали в этих условиях глицин и аспарагиновую кислоту. Среди продуктов реакции они нашли также синильную кислоту, адеиин, имидазол.

Интересно отметить, что путем воздействия осколками урана' на смесь СН4 , С2 Н2 , С2 Н4 , N H 3 , Н 3 и Н 2 0 удалось осуществить одностадийный синтез аминокислот [68]. Из этой же смеси амино­

лучи являются мощным источником эпергии. Они были успешно применены для синтеза аминокислот из смеси метана, аммиака и

и 1,5%-иого азотнокислого аммония. За время облучения (от 20 до 355 час.) им удалось обнаружить образование нескольких ами­ нокислот, причем в присутствии ацетальдегида их число было больше, чем при использовании формальдегида. Путем хромато­ графии на бумаге и на силикагеле было идентифицировано 11 аминокислот. В этой системе наряду с аминокислотами синтези­ ровались и другие вещества — имидазол и его производные, ами­ ны жирных кислот, мочевина, индол, триптампп [64],

47

в опытах ультрафиолетовая радиация по мощности соответствовала солнечной оперши, которую Земля получила за 5—0 тыс. лет. По его мнению, синтез аминокислот в данных условиях идет через образование промежуточных продуктов — глиоксаля, метилглиоксаля, оксиметилглиоксаля (СЫ.3ОП—СО —СОИ), реагирующих с аммиаком с образованием сс-иминоальдегидов и а-иминокстопов, которые путем перегруппировки переходят в аминокислоты.

Термический, синтез. В предбиологнческип период тепловая энергия, вероятно, была одним из самых доступных источников энергии. Применение ее в модельных биогенных синтезах было столь же успешно, как и применение других видов энергии. 15 водпых растворах аммиака и синильной кислоты (по 1,5 моля при нагревании до 90°) уже через .18 час. можно было обнаружить образование глицина, алашша, аснарагиновой кислоты и еще пяти других аминокислот наряду с пептидами [871. Точно так же простое нагревание раствора формальдегида с гидроксиламином при 80—100° в течение 40—60 час. привело к образованию амино­ кислот [69].

Более высокая температура была применена для синтеза ами­ нокислот из метана и аммиака Фоксом и сотр. [80, 81, 137]. Они пропускали метай через концентрированный водный раствор ам­ миака и получаемую таким путем смесь газов пропускали через раскаленную стеклянную трубку (900—1100°), наполненную квар­ цевым песком пли .раздробленными частицами силикагеля, вулка­ нической лавы или окиси алюминия. Исследование в аминокислот­ ном автоматическом анализаторе показало, что в этих условиях синтезируются все природные аминокислоты, в том числе арома­ тические, за исключением цистеппа и метионииа, причем преобла­ дали (в % ) : глнцни 60,3, аланин 18,0, аспарагпповая кислота 3,4, глутаминовая кислота 4,8; остальные содержались в пределах

Подобные же опыты проведены Поиамперума. Он пропускал смесь метана и аммиака через трубку из стекла «Викор» при 800°. Ему удалось наблюдать при этом образование аминокислот и пеп­ тидов [138].

Синтез аминокислот из смеси метана, аммиака, водорода и воды при нагревании до высокой температуры был осуществлен также Оро [32].

В табл. 3 даны некоторые негазовые модельные смеси, которые

•18

В описанных экспериментах применялись различные источ­ ники внешней энергии, которые могли существовать иа первичной Земле. Все они оказались достаточно действенными в отношении синтеза аминокислот из смеси простых первичных газов. Более того, в ряде работ по синтезу аминокислот источники внеш­ ней энергии не использовались. В этих опытах синтез происхо­ дил спонтанно благодаря высокой реакционной способности ис­

произведению первичного синтеза аминокислот в предполагаемых и имитируемых условиях предбиологического периода на Земле убедительно подтверждают мнение, что структурные элементы белковой молекулы — аминокислоты — синтезировались еще в раннюю эпоху химической эволюции. Дальнейшие превращения

Гроссепбахер и Найт сообщили об аутокаталитическом обра­ зовании пептидов в условиях синтеза аминокислот из смеси мета-

49

на, аммиака и воды по методу Миллера [06]. Лоу и сотр. [87] в модельных опытах по синтезу аминокислот нз цианистого водо­ рода, аммиака и воды при нагревании до 90° в течение 18 час. получили не только свободные аминокислоты, но и полиглицин и полимеры, состоявшие из нескольких аминокислот. О присутст­ вии пептидов среди свободных аминокислот в продуктах синтеза сообщает и Попамперума 1138]. Эти наблюдения уже предрешили вопрос о возможности синтеза пептидов из свободных аминокис­ лот в воспроизводимых предбиологических условиях. Так, при облучении лампой Филиппа 1000 вт в течение 600 час. водного рас­ твора глицина, L-лейцииа, L-глутаминовой кислоты в 5%-ной сахарозе среди продуктов реакции были найдены ди-, три- и тетрапептиды. Такие же результаты получены при облучении смеси аминокислот солнечным светом [142, 145—147].

Синтез пептидной связи теоретически должен совершаться с отщеплением воды, вследствие чего происходит уменьшение сво­ бодной энергии на 3—4 ккал.

Для создания определенной последовательности аминокислот

впептиде применяют предварительную защиту NH.,- и СООНгрупп аминокислот путем присоединения к ним например карбо- бензокси-группы, которую затем можно легко отщепить. Реакцию ведут в присутствии конденсирующих и водоотнимающих агентов.

Вводной среде конденсация аминокислот без применения со­ ответствующих агентов и при невысокой температуре могла бы идти лишь очень медленно. В безводном растворителе эта реакция будет протекать уже достаточно успешно. Действительно, Шрамм при относительно низкой температуре (60°) в безводных условиях

вприсутствии метафосфорпого эфира как растворителя, катализа­ тора и дегидрирующего агента получил из смеси тирозина, аланина и глутаминовой кислоты полипептид со средним молекуляр­ ным весом 7300 и с выходом 70% [71]. Кроме того, им были полу­ чены полиаргинин и полипептид из 24 звеньев алапина и глицина. Этот способ был применен также для синтеза нуклеозидов, полинуклеотидов, для полимеризации глюкозы (см. ниже).

По мнению Кальвина и Оро, процесс полимеризации амино­ кислот с образованием пептидов в предбиологических условиях лучше мог совершаться в разбавленных водных растворах, со­ провождался образованием промежуточных продуктов, обладав­ ших каталитическим действием, и носил, следовательно, аутокаталитический характер. Для стимуляции этого синтеза в модель­ ных экспериментах оказалось необходимым добавление веществ с большим запасом энергии, способных поглощать воду. К числу таких веществ относятся цианамид H2 N—CN, дициаидиамид

H3 NC=NH,

I дициаиамид NC—NH —CN.

N H - C N

Дициаиамид среди них более активен, так как способен при­ соединить 2 моля Н 2 0 с образованием биурета: NC—NH—CN^-Я

50