![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров
.pdfЛактатдегидрогеиеза в организме животных и человека при сутствует в пяти формах — нзоферментах, которые различаются по электрофоретической подвижности и обозначают сокращенно ЛДГ-1, ЛДГ-2, ЛДГ-3, ЛДГ-4, ЛДГ-5. Наибольшей электриче ской подвижностью и отрицательным зарядом обладает ЛДГ-1. Этот изофермент наряду с ЛДГ-2 составляет преобладающую по активности фракцию изоферментов ЛДГ в сердце, эритроцитах, почках. Наименее подвижная катодная фракция ЛДГ-5 вместе с ЛДГ-4 характерна для печени и скелетной мышцы. Лактатдегид-
рогеназа представляет |
собой тетрамер с молекулярным весом |
|||||||||
135 ООО. Этот |
тетрамер |
состоит из двух типов мономеров А |
|
ж В |
||||||
с молекулярным |
весом |
35 ООО. Изоферменты ЛДГ |
представляют |
|||||||
собой комбинации мономеров А и В: ЛДГ-1 |
состоит из |
4 |
В, |
|||||||
ЛДГ-2 — и з |
3 |
В + |
1А, |
ЛДГ-3 — из 2/3 |
+ |
2,4, |
ЛДГ-4 - |
из |
||
ЗА + 1В и ЛДГ-5 - |
из |
44 [177—179]. |
|
|
|
|
|
|||
Наибольшей активностью обладают тетрамеры ЛДГ. По не |
||||||||||
которым данным, |
ее не лишены и мономеры и тем более димеры |
|||||||||
с молекулярным |
весом |
70 ООО [178, 179]. |
|
|
|
|
|
|||
Физико-химические |
|
различия между |
изоферментами |
ЛДГ |
объясняются некоторым различием в их аминокислотном составе:
преобладанием |
аспарагиновой кислоты |
в |
ЛДГ-1 |
и лизина |
в |
ЛДГ-5 [177, |
178]. |
|
|
|
|
Изоферменты ЛДГ отличаются один |
от |
другого |
также по |
ве |
личине константы Михаэлиса-Ментена, по иммунохимическим свойствам, по действию на них ингибиторов.
Фосфорилаза представляет собой своеобразный фермент. Она содержится в значительных количествах в печени и мышцах. Ее функция состоит в переносе остатков глюкозы от глюкозо-1- фосфата к гликогену или крахмалу. Оиа катализирует также обратную реакцию.
Известны две формы мышечиой^фосфорилазы [109]: активная а и неактивная Ь, которые могут взаимопревращаться. Фосфори лаза а содержит восемь молей фосфата, из них четыре присоеди
нены к остаткам серпна, |
а четыре содержатся в форме кофермен- |
та — пиридоксальфосфата |
[180]. В фосфорилазе Ъ содержатся |
два моля пиридоксальфосфата и две фосфатные группы, соеди ненные с серином.
Очевидно, |
фосфорилаза |
а |
представляет |
собой комплекс из |
|
двух частнц |
фосфорилазы |
Ъ, которая образуется путем расщеп |
|||
ления формы а на две равные части. |
|
|
|||
Молекулярный вес фосфорилазы а составляет 500 000, |
фос |
||||
форилазы b — 250 000 или, по |
другим данным, 185 000. В |
орга |
|||
низме превращение формы |
b |
в форму а |
осуществляется |
при |
участии, адениловой кислоты (адеиозии-З-5-монофосфата) и ионов магния под влиянием фермента кииазы, которая в свою очередь активируется адреналином и глюкагоном [180].
По данным советских ученых [181, 182], фосфорилазу можно разложить на мономеры с молекулярным весом 60 0000. Димер
71
ее имеет молекулярный вес 125 ООО и становится активным в при сутствии аденнловой кислоты.
Не исключена возможность, что и субъеддшицы фермента — мономеры — обладают активностью в известной степени [182].
MeinodunecKue указания. В работе использованы следующие методы: 1) определение общей и удельной активности ЛДГ по Вроблевскому и Дэйдыо [183]; 2) микроэлектрофоретическое разделение изоферментов ЛДГ; 3) определение фосфорилазной активности по Иллингворс и Кори [184]; 4) микроэлектрофорез
фосфорилазы по Такеуши с окраской 0,01 н. 1а [185]. |
из амино |
||||
Инкубационная смесь для синтеза |
была |
составлена |
|||
кислот, АТФ и смолы |
Дауэкс. Исходный |
состав аминокислот |
|||
соответствовал |
составу |
имитируемого |
фермента — ЛДГ [109] и |
||
фосфорилазы |
[109]. |
|
|
|
|
Очистка продукта спнтеза лактатдегидрогипазиого |
действия |
(ПЛ) и продукта синтеза фосфорилазного действия (ПФ) произ водилась путем осаждения и переосаждепия двойным объемом
ацетона и |
сернокислым аммонием до 0,5 (для |
ПЛ) или 0,41 |
||
(для ПФ) |
насыщения, |
многодневным диализом |
при 0 + |
2°. В |
процессе очистки к |
растворам добавляли соль цинка |
(для |
||
ЛДГ), АМФ и пирпдоксаль-5-фосфат (для ПФ). |
|
|
В работе были использованы аминокислоты, адеипловая кис лота (АМФ), аденозиитрифосфат (АТФ), пирпдоксаль-5-фосфат и глготатион восстановленный чехословацкой марки, Na-P-глицеро- фосфат фирмы Schuchardt (Мюнхен).
Результаты исследовании. В фильтратах от смолы, получен ных после инкубации, ферментной активности не обнаруживается или она слаба.
По-видимому, ПЛ и ПФ обладают в слабой степени полпферментативной активностью, однако в каждом из них резко пре обладает специфическая ферментативная активность. Последняя, однако, значительно ниже активности природных чистых фер
ментов — ЛДГ и фосфорилазы [183, 184]. |
|
|
|
Активность, ед/ыг белка |
ПЛ |
|
ПФ |
ЛДГ |
607 (67—1553) |
2,2(0,3-3,3) |
|
фосфорилазная |
43,3 (19-83,3) |
458 |
(225-880) |
амилазпая |
0,66 (051—0,70) |
2,4(1,0-30) |
|
Выход белка, % |
5,8(3,6-9) |
6,72 |
(4,0-12,0) |
Другие параметры, |
характеризующие ПЛ и ПФ, также свое |
|
образны для каждого |
из них: |
|
Номер |
Молекуляр- |
N-концевые |
препарата |
иый вес |
аминокислоты |
Параметры, характеризующие ГШ |
||
2 |
И 295 |
Глутамиповая кислота |
5 |
23 443 |
То же, аллшги |
7 |
33 687 |
То же |
72
Номер |
Молен уляр- |
N-копцевые |
препарата |
iibiii вес |
аминокислоты |
|
Параметры, характеризующие ПФ |
И8 013 Лизни, аспарапшо-
|
|
вая кислота |
12 |
41 420 |
То же |
13 |
46 ООО |
» |
14 |
145 900 |
» |
15 |
55100 |
То же, валпн |
Приведенные значения молекулярного веса, полученные осмо тическим методом, не соответствуют, вероятно, истинному моле кулярному весу активных частиц, содержащихся в ПЛ и ПФ, и являются лишь среднечислеииыми. Однако максимальные зна чения молекулярного веса характерны для каждого препарата и близки к молекулярному весу субъедишщ природных фермен тов (ЛДГ - 35 000 [181] и фосфорилазы — 125 000 [182] или меньше).
Закономерное повторение одних и тех же N-концевых амино кислот во всех исследованных препаратах ПЛ и ПФ оказалось для нас неожиданным и притом своеобразным для каждого из этих двух продуктов синтеза: глутаминовая кислота для ПЛ, лизин для ПФ. Идентификация N-концевых аминокислот была подтверждена гидролизом ДНФ-производных ПЛ и ПФ в кон центрированном аммиаке с последующей хроматографией иа бу маге в смеси бутаиол, уксусная кислота, вода ( 4 : 1 : 5). Здесь можно указать, что N-концевой группой в пептиде, полученном из фосфорилазы, является тоже лизин [186]. Доказательство существования пептидных связей в ПЛ и ПФ было получено
путем определения N — N H 2 после гидролиза очищенных |
продук |
||
тов синтеза (20 час. при 105°) в 6 н. ЫС1: |
|
|
|
|
п л |
ПФ |
|
Количество белка, мг/мл |
0,167 (0,080—0,285) |
0,178(0,085—0,240) |
|
N—NFL>, % иа белок |
8,78 + 3,04 |
13,9 + 6,15 |
|
Характерные отличия |
ПЛ и ПФ были |
обнаружены |
и при |
микроэлектрофоретическом |
разделении их |
препаратов. |
В трех |
препаратах ПЛ были выявлены по две фракции, мигрировавшие к аноду. Первая медленная фракция соответствует по скорости миграции природному изофермепту ЛДГ2 , вторая — быстрая фракция не имеет аналога в природных пяти изоферментах ЛДГ и присутствует в ПЛ в меньшей концентрации, чем первая. Быть может, она в какой-то степени соответствует дополнительным фракциям, •существующим только в эмбриональной печени [187]. В двух препаратах ПЛ была найдена лишь одна фракция, а имен но первая — медленная (рис. 6). Относительное содержание обеих фракций составляло 65—75% для быстрой и 25—35% для мед ленной.
73
![](/html/65386/283/html_YB3CQnYhbe.hWcZ/htmlconvd-aaTI7174x1.jpg)
жание крахмала в смеси определяли йодной реакцией. Синтети
ческая способность была найдена только в четырех |
препаратах |
||
ПФ из 26 исследованных и составляла |
в среднем |
3,29 (1,82— |
|
5,66) |
мг крахмала на 1 мг белка. Как |
указано в первой части |
|
этого |
раздела, аминокислотный состав |
продуктов |
синтеза иа |
смоле близок к составу исходной смеси аминокислот, что пока
зано на примере |
аминокислотного состава ПФ |
(в % ) : |
|
|
Аминокислоты |
ПФ |
Исходный |
|
раствор |
||
|
|
|
|
Аргнинн |
|
15,0 |
13,5 |
Аспарагиповая кислота |
17,0 |
14,6 |
|
Алании |
|
5,8 |
5,4 |
Валии -|- метнотган |
10,7 |
8,65 |
|
Глутаминовая кислота-f-треоиин |
17,3 |
14,35 |
|
Глицин + |
серии |
8,5 |
10,8 |
Лейцины |
|
7,3 |
6,7 |
З а к л ю ч е н и е . Описанные эксперименты позволяют утвер ждать, что в условиях гетерогенного катализа возможен синтез белка с ферментными свойствами.
В качестве адсорбента были применены каолин и ионообмен ные смолы. Инкубационная смесь содержала все аминокислоты в количественном соотношении, характерном для синтезируемого фермента. Ее обязательными ингредиентами были АТФ и свой ственный моделируемому ферменту кофактор.
Синтезированные вещества имели более низкую активность, чем природные ферменты, и не обладали строгой специфичностью. Молекулярный вес некоторых из них был достаточно высоким. Однако в составе продукта синтеза содержались и мономеры, и дробные доли субъедишщ наряду с активными частицами пол ного молекулярного веса.
Такая неоднородность состава продуктов синтеза |
находит |
себе объяснение в ступенчатом характере синтеза на |
адсорбен |
тах. По аминокислотному составу, по кинетике активности, отношению к рН среды и к активаторам, по N-концевым амино кислотам синтезированные вещества были близки к копируемым природным ферментам.
Синтезированная лактатдегидрогеназа посредством электрофо реза на агар-агаре была разделена на два изофёрмента. Амилаза оказалась близкой к а-амилазе.
Необходимо подчеркнуть своеобразие каждого из трех син тезированных веществ, отличие их одно от другого и сходство в свойствах и строении с иоделируемыми ферментами. Отличи тельные особенности синтезированных фермеитоподобных ве ществ могли быть обусловлены лишь различным и характерным для каждого из них аминокислотным составом, так как все дру гие условия синтеза были одинаковыми.
75
Можно утверждать в соответствии с данными Стейнмана [1481, что в условиях гетерогенного катализа происходит синтез полипептидов не хаотической, а какой-то упорядоченной структуры, зависящей от количественного соотношения отдельных амино кислот в исходном растворе и обладающей соответствующей моде лируемому ферменту активностью.
Представленные здесь данные в значительной мере подкреп ляют представление о вероятном синтезе нативного белка с при митивными ферментными свойствами (или без них) в предбиоло гический период: в мягких условиях, в мутной воде прибреж ных зон, в присутствии мелкораздробленных адсорбентов — час тиц глины, апатита и др.
6
Нуклеиновые кислоты и их структурные элементы
П р е д в а р и т е л ь н ы е з а м е ч а н и я . В природе суще ствуют два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеииовые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Первые локализованы преиму щественно в клеточных ядрах, вторые — в плазме, в рибосомах, а также в ядре. Оба типа нуклеиновых кислот построены по еди ному плану. Молекула каждой из них представляет собой весьма длинную цепь из соединенных друг с другом в определенной по вторяющейся последовательности четырех иуклеотидов. Каждый нуклеотид построен из углевода, трех остатков фосфата и пуринового или пиримидииового основания.
Нуклеотиды в молекуле нуклеиновых кислот соединены один с другим остатками сахара и фосфорной кислоты, основания же прикреплены к молекуле сахара и остаются в остальном свободными и способными образовывать водородные связи. В ДНК углеводом, является дезоксприбоза, в РНК — рибоза. Пуриновые основания в ДНК и РНК одинаковые — аденин и гуанин. Пиримпдиновые 'Основания в ДНК представлены цитозином и тимином, в РНК — цитозииом и урацилом.
Путем гидролиза ферментами из ДНК можно получить четы
ре нуклеотпда — дезоксиаденозинтрифосфат, |
дезоксигуанозинтрп- |
||||||
фосфат, |
дезоксицитидинтрифосфат, |
|
дезокситимидинтрифосфат |
||||
или |
нуклеозиды — дезоксиаденозин |
и |
т. д. |
Из |
рибонуклеино |
||
вой |
кислоты таким же путем |
или |
гидролизом |
щелочью полу |
|||
чают |
нуклеотиды — адеиозинтрифосфат |
и т. д. и нуклеозиды — |
|||||
аденозин, |
гуанозин, уридин, |
цитидин |
[189]. |
|
|
Структурную основу ДНК и РНК составляют пуриновые и тгиримидиновые основания, от характера и последовательности расположения которых в молекулах ДНК и РНК и зависят ин дивидуальные свойства нуклеиновых кислот.
Представление о строении нуклеиновых кислот, о внутрен ней связи элементов их молекул — фосфатов, сахара и оснований— дает прилагаемая схема (см. стр. 78).
77
фосфат |
|
|
|
I |
сахар |
А |
::::: |
фосфат |
1 |
|
|
| |
сахар |
Г |
::::: |
фосфат |
1 |
|
|
I |
сахар |
Ц |
::::: |
фосфат |
1 |
|
|
| |
сахар |
У (Г) |
::::: |
фосфат |
1 |
|
|
Синтез нуклеиновых кислот и начинается с синтеза оснований. П у р и н о в ы е и п и р и м и д п н о в ы е о с н о в а н и я .
Возможность их синтеза в предбпологическую эпоху на Земле сомнений не вызывает. В ряде лабораторий выполнены модельные
синтезы оснований в условиях, имитирующих земные |
условия |
той эпохи. |
|
Исходными веществами для этих синтезов послужплп |
прежде |
всего метан, аммиак, цианистый водород, водород. Имитируя
возможное действие 1 0 К иа первобытной Земле, указанную |
выше |
смесь с добавлением радиоактивного 1 '1 С-метаиа, 4 н.раствора |
хло |
ристого аммония и водорода помещали в цилиндрический стеклян ный прибор и подвергали действпю пучка электронов мощностью 4,5 мэв. Йод этим воздействием жидкость кипела, количество поглощенной энергии за время опыта составило 7-101 0 эрг/г. Хроматографическим методом в этом опыте было установлено образо вание радиоактивного адеппна [190].
При этом выяснплось, что присутствие водорода замедляло синтетическую реакцию, а в отсутствие его ода значительно ус корялась.
В связи с этим наблюдением авторы приходят к выводу, что после удаления всего водорода из земной атмосферы количество органического вещества иа Земле увеличилось [145, 190].
Одновременно с аденином в реагирующей смеси были открыты гуанин и пентозы — рибоза и дезоксирибоза [190]. Прибавление формальдегида к смеси увеличивало выход углеводов. Очевидно, формальдегид был промежуточным веществом в этой реакции при образовании углеводов из метана.
Кроме метана исходным веществом для модельного синтеза пуринов послужила и синильная кислота. Радикал CN обнару жен, как известно, на Солнце, в кометах, и его присутствие на Земле предполагается еще в очень ранний период ее существова ния [191, 192].
В избрании HCN для^интеза пуринов руководствовались так же сходством строения этих двух веществ. В самом деле, валовую' формулу адеиина C6 I-I5 N5 можно рассматривать как полимер из пяти молекул HCN [138, 193].
78
Надежды синтезировать адении из HCN оправдались, но ме ханизм этого синтеза оказался сложнее, чем просто полимериза ция HCN.
В качестве источников энергии в этом синтезе были использо ваны ультрафиолетовая радиация и тепловая энергия. Так, Понамперума [138] облучал коротковолновыми ультрафиолетовыми лу чами в течение семи дпей раствор 10~3 моль/л цианистого натрпя, меченного иС в эвакуированных и запаянных кварцевых пробир ках. По окончании опыта содержимое пробирок выпаривали и разделяли двухмерной хроматографией па бумаге в системах растворителей: пропаиол, аммиак, вода и бутаиол, проппоновая кислота и вода. Хроматограммы радиоавтографировалп на рент геновскую пленку. В качестве продуктов реакции в этом опыте
был получен |
ряд |
органических веществ — рибоза и дезоксирибо- |
|
за, мочевина |
и |
др. Среди ипх, применив нерадпоактивные но |
|
сители, |
идентифицировали н пурииовые основания — 1 % аденииа |
||
и 0,5% |
гуанина |
[138]. |
Образование адепи'па можно наблюдать и в простых условиях термического синтеза. Если нагревать водный раствор, содержа щий синильную кислоту и аммиак, прп температуре 70—90° в те чение нескольких дпей, то в пем образз^ется около 1 % (от количе ства исходных веществ) аденппа и немного гппоксантина [193, 194].
Адении был получен также при нагревании раствора цианида аммония [128], а гуаппн — путем нагревания до 125° смеси 4-аминонмпдазол-5-карбоксамида и мочевины [195, 196].
Исходными веществами в модельных опытах по синтезу пуриновых оснований служили также аминокислоты. Так, прп нагре
вании глицина до температуры |
около |
500° К наблюдали образо |
|
вание |
аденппа, ксаитпна, |
мочевой |
кислоты, гппоксантина |
[194]. |
|
|
|
Здесь необходимо кратко коснуться вопроса о механизме син теза пуринов из метана и синильной кислоты. Метан в присутствии аммиака и воды под влиянием облучения подвергается окислению возникающими в растворе радикалами ОН и N H 2 с образованием формальдегида п его производных. В присутствии водорода эти радикалы восстанавливаются с образованием N H 3 и Н 2 0 .
Далее в реакции образуется предположительно цианистый водород [132, 138]. В указанных условиях из HCN образуется сна чала димер моноцианкарбен H.2N — С — CN, а затем имидазольные соединения (4-амино-имидазол-карбоксамид и др.), которые конденсируются с присутствующими в смеси производными фор мальдегида с образованием аденина [192, 198]. Согласно Клисс и Мэттыос, из HCN образуется в данных условиях сначала имидазольпое кольцо, а с присоединением к нему еще одной молекулы HCN — адении [196].
Синтез пйримидиновых оснований-в-модельных опытах изученслабо. Здесь можно назвать две-три работы.
79
Оро и сотрудники действием электрического разряда на смесь примитивных газов получали С3 -соедииеиия — 8-алапии, акрилонптрил, 6-аминопроппопптрил. Затем путем конденсации этих соединений с мочевиной в присутствии аммиака при 135° С им удалось синтезировать урацил с небольшим выходом [128]. Фоксу удалось получить урацил путем конденсации яблочной кислоты и мочевины в присутствии полифосфорной кислоты при 650° С [197]. Цптозин был получен при нагревании водного раствора KCNO + -г CJICN при 100° в течение C V T O K в присутствии водорода [1981.
По сравнению с модельными экспериментами по синтезу пури нов эксперименты с синтезом урацила не обладают большой силой убедительности: прямого синтеза пиримидинов из простейших газов не удалось осуществить.
Как видно, пути абиогенного синтеза ппримидИнов в перво бытных условиях не вполне ясны. Возможно, что причиной этого является нестойкость пиримидинов и разрушение их в присутствии гидразина, который образуется в большом количестве при дей ствии электрических разрядов на NIL, или NH4 OH [199].
Образование второго компонента нуклеиновых кислот — рибозы в РНК и дезокснрибозы в ДНК — совершалось, вероятно, легко в предбпологнческнх условиях на Земле. Наиболее вероят
ный |
путь этого синтеза |
— из метана через |
формальдегид: |
СН4 |
—>НСНО —>С=,Н10О5 |
—>Св Н1 2 Ов . Механизм |
этого синтеза— |
бутлеровская конденсация формальдегида. Действительно, синтез рибозы и дезокснрибозы установлен в опытах по синтезу адеиина из метана [138]. Он отмечен также и при других сходных опытах с применением ультрафиолетовой или ионизирующей (0 0 Со) ра диации [190]. Оро и Кокс синтезировали 2-дезоксирибозу и 2-де-
зоксиксилозу |
из смеси формальдегида и |
ацетальдегида |
[200]. |
|
Подробнее этот вопрос освещен в разделе V I I . |
|
|||
Н у к л е о з и д ы, |
н у к л е о т и д ы, п о л и п у к л е о - |
|||
т и д ы. Эти |
синтезы |
надо рассматривать |
как вторую |
ступень |
химической эволюции. В самом деле, для их осуществления требо вались уже готовые синтезированные исходные вещества — ну клеиновые основания — пурины, пиримидииы и сахара. Возмож ность образования нуклеозидов из готовых нуклеиновых оснований и углевода с очевидностью показана в опытах Понамперумы [201, 202]. Смесь 1 4 С-аденииа с дезоксирибозой в присутствии циани стого натрия в концентрации по 10~3 молей каждого ингредиента помещали в ампулы, замораживали, откачивали воздух и запаи вали. После облучения ампул ультрафиолетом с длиной волны 2537 А в течение 27 час. был получен дезоксиаденозин с выходом 7,1% [201].
Далее этим же исследователем было установлено, что в водных растворах смеси адеиина и рибозы под влиянием ультрафиолетовой радиации аденозин образуется лишь в присутствии фосфата, а при воздействии ионизирующего облучения на такой же раствор
80