Проблема хиральной чистоты

чистотаПосле опытов Миллера были открыты и другие химические реакции, способные производить ор­ганику в условиях древней Земли. Одна из интенсивно изучаемых таких реакций — формозная реакция Бутлерова, от­крытая еще в 1865 году: водный раствор формальдегида (CH2O) с добавлением Ca(OH)2 или Mg(OH)2 при небольшом нагревании превращается в сложную смесь сахаров. Формальдегид легко образуется из углекислого газа в присутствии паров воды на поверхности горячего железа — например, на вклю­чениях самородного железа, которые содержатся в вулканических лавах при извержениях. Найден он и в кометах, и в межзвездных газовых облаках.

Изучению реакции много лет мешал ее капризный характер — колбу с рас­твором надо было греть несколько часов без всяких видимых изменений, как вдруг за считанные минуты раствор 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 (глико­альдегид, глицеральдегид и дигидроксиацетон), которые затем катализируют синтез самих себя и более крупных сахаров. Если к исходной смеси сразу добавить чуть-чуть гликоальдегида или глицеральдегида, то реакция за­пускается почти сразу. Другой способ ускорить ее — осветить раствор уль­трафиолетом, под действием которого отдельные молекулы формальдегида соединяются в гликоальдегид.

Обычно в реакции Бутлерова полу­чаются сложные смеси сахаров, где сахара, характерные для живых клеток, перемешаны с огромным разнообрази­ем семи-, восьми-, девятиуглеродных сахаров и даже более сложных. Это долго не давало возможности привлечь ее к предбиогенному синтезу.

Однако в последние годы обнаружи­лось несколько способов, позволяющих избирательно накапливать отдельные сахара, именно те, что нужны для био­химии. Например, при добавлении рас­творимых силикатов, таких как Na2SiO3, 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. Если же в реакционную смесь добавить гидроксиапатит Ca3(PO4)2 * Ca(OH)2, то на его поверхности практически избирательно осаждается рибоза. Соли борной кислоты тоже избиратель­но осаждают из реакционной смеси рибозу.

Еще один избирательный катализатор реакции Бутлерова — комплекс ами­нокислоты пролина с ионом цинка. Он также останавливает реакцию на стадии пяти- и шестиуглеродных сахаров, и, что еще важнее, он стереоспецифичен! Комплекс «левого» пролина с цинком избирательно синтезирует «правые» сахара. Ряд других аминокислот, например глутамин и лейцин, тоже обеспечивают стереоспецифичный синтез «правых» сахаров в присутствии «левых» аминокислот, но не останавли­вают его на стадии рибозы и шестиугле­родных молекул.

Откуда же взять «левые» изомеры аминокислот? Как мы уже упоминали, оптические изомеры различаются пове­дением только при встрече с поляризо­ванным светом или другими оптически активными веществами. Оказывается, в качестве оптически активного партне­ра могут выступать и другие молекулы того же самого вещества. Вспомним, как Пастер разделил изомеры винной кислоты: при медленном упаривании раствора L- и D-изомеры кристалли­зовались отдельно друг от друга, что и позволило рассортировать кристаллы. Если же упаривать раствор с «метеорит­ным» соотношением изомеров 60:40, то преобладающий изомер начнет выпадать в осадок раньше. Вовремя остановив упаривание, можно получить чистые кристаллы одного изомера и равную их смесь в растворе.

АТФ,АДФ,АМФАТФ — аденозинтрифосфат, соединение азотистого основания аденина, сахарарибозы и трех фосфатных групп. В молекуле АТФ две высокоэнергетические связи, расщепление каждой из них высвобождает энергию, и на первый взгляд эти реакции очень похожи. Однако универсальной энергетической валютой клетки служит АТФ, но не АДФ. Возможно, так исторически сложилось потому, что присоединение третьего фосфата об­легчал аденин

Большинство аминокислот ведут себя противоположным образом: при упари­вании раствора сначала выпадают ра­цемические кристаллы (с отношением изомеров 1:1), и раствор обогащается тем изомером, которого было больше в исходной смеси. Так, из раствора фенилаланина с отношением изомеров 52:48 удалось в два цикла упаривания получить раствор с долей L-изомера 90%. Аналогично ведет себя и главный оптически активный промежуточный продукт (и автокатализатор) реакции Бутлерова — глицеральдегид. Пяти- и шестиуглеродные сахара неспособны к такой самоконцентрации оптически активного изомера, но рибоза в соста­ве нуклеозидов (сахар плюс азотистое основание; если присоединить к ну- клеозиду остаток фосфорной кислоты, получится нуклеотид) тоже, подобно аминокислотам, предпочтительно кристаллизуется в соотношении изо­меров 1:1 и может накапливаться в растворе в оптически чистой форм.

Более того, в некоторых условиях можно получить хирально чистые ами­нокислоты из смеси равных количеств обоих изомеров. Группа испанских химиков под руководством Кристобала Видмы показала, что, если нагреть раствор аспартата в присутствии сали­цилового альдегида и уксусной кислоты до 100 — 130ОС, образуются чистые кри­сталлы одного оптического изомера. Аспартат — это одна из двух аминокис­лот, оптические изомеры которых кри­сталлизуются раздельно. Салициловый альдегид в кислой среде катализирует переход изомеров в растворе друг в друга, поэтому небольшие случайные отклонения в начале кристаллизации приводят к полному превращению сме­си в чистый L- либо D-изомер.

Еще один механизм разделения оптических изомеров — адсорбция на поверхности некоторых минералов. Кристаллы кальцита на одних гранях сильнее удерживают L-аминокислоты, а на других — D-изомеры.

Синтез азотистых оснований также может происходить разными путями. Аденин и гуанин образуются из си­нильной кислоты при замерзании ее водного раствора, ультрафиолетовом облучении или нагревании. Все четыре азотистых основания синтезируются с высоким выходом из формамида (NH2CHO) на поверхности частиц TiO2 при ультрафиолетовом облучении; аденин, цитозин и урацил — на по­верхности монтмориллонита (разно­видность глины) или оксидов железа при нагревании.

Чтобы азотистые основания приняли участие в синтезе РНК-подобных по­лимеров, они должны, естественно, сначала объединиться с сахаром и фосфатом. Еще в 1960-е годы было показано, что при ультрафиолетовом облучении раствора аденина, рибозы и фосфатов аденин сначала образует связь с рибозой, а затем присоединя­ет последовательно три фосфатные группы, превращаясь в АТФ. При этом присоединение последней фосфатной группы происходит примерно в сто раз быстрее, чем предшествующие реакции. Возбужденное триплетное состояние аденина обычно локализует неспаренный электрон на аминогруппе, эта форма легко образует фосфоамидную высокоэнергетическую связь с фосфатом. Далее фосфат пере­носится на 5’ гидроксильную группу рибозы. Дифосфатная цепь АДФ об­ладает как раз подходящей длиной для эффективного переноса третьей фосфатной группы. Это, видимо, объяс­няет, почему в качестве универсального источника энергии в живых организмах используется гидролиз АТФ до АДФ и фосфата, хотя с таким же успехом мож­но использовать любой нуклеотидтрифосфат и даже дифосфат (его гидролиз до монофосфата выделяет такое же количество энергии). Действительно, ГТФ, ЦТФ, УТФ эпизодически выступа­ют в этой роли, поставляя энергию для некоторых реакций, — однако гидролиз дифосфатов, насколько известно авто­ру, нигде не используется.

пирамидиновые нуклеотидыОбходной путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов. Серые стрелки — реакции, открытые Сазерлендом с коллегами. Черные — ранее известные пути синтеза рибозы и цитидина

Однако этот способ синтеза активи­рованных нуклеотидов не подходит для других азотистых оснований. Гуанин при облучении присоединяет рибозу, но практически не реагирует с фосфатом. Пиримидины не реагируют и с рибозой. Поэтому очень важной вехой в из­учении предбиогенных синтезов стала вышедшая в 2009 году работа Джона Сазерленда с коллегами из Химической школы Манчестерского университета.

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 очень сильно расши­ряет возможные химические реакции, а значит, побочных продуктов должно быть больше. Однако эксперимент опроверг это предположение.

Авторы смешали цианоацетилен (7), цианамид (8), глицеральдегид (9) и гли­коальдегид (10). Фосфат избирательно катализирует синтез промежуточных продуктов 11 (2-аминооксазол) и 12 (арабинозоаминооксазолин), подавляя возможные побочные реакции. Затем продукт 12 реагирует с цианоацетиленом, давая вещество 13 (арабинозо- ангидронуклеозид). В обычном водном растворе при этом повышается pH, что приводит к гидролизу 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 цитидинмонофосфат 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 уль­трафиолетового освещения раствора.

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.

синтез рибонуклетидовУчастие аминокислот в синтезе рибонуклеотидов. Вверху — один из этапов синтеза с предыдущего рисунка; в эту реакцию вступает D-глицеральдегид. Внизу — побочная реакция, в которую L-пролин увлекает «неподходящий» L-глицеральдегид. Так происходит абиогенный отбор молекул нужной хиральности

Как написал редактор журнала «Nature» в предисловии к работе коман­ды Сазерленда: «Именно потому, что эта работа открывает так много новых направлений исследований, она на дол­гие годы останется одним из великих достижений пребиотической химии».

И новые направления исследований не­медленно начали развиваться. Уже через два года вышла статья группы Джейсона Хейна. Добавляя к системе Сазерленда различные аминокислоты, они получили стереоспецифический синтез рибону­клеотидов. Более того, достаточно было 1% избытка одного из стереоизомеров аминокислот, чтобы в конце концов полу­чились хирально чистые рибонуклеотиды!

Аминокислоты вмешиваются в син­тез Сазерленда на стадии реакции 2-аминооксазола с глицеральдегидом, причем образуется тройной продукт. Эта реакция стереоспецифична: пара глицеральдегида с аминокислотой одной хиральности реагирует в четыре раза быстрее, чем разнохиральная. Таким образом, небольшой избы­ток L-аминокислоты будет связывать L-глицеральдегид в побочный путь реакции, оставляя для синтеза рибонуклеотидов больше D-изомеров.

Ранее Сазерленд показал, что ри- боаминооксазолин, подобно винной кислоте в опытах Пастера, способен при упаривании раствора кристаллизовать­ся в хирально чистые кристаллы уже при соотношении изомеров 60:40. Экспери­ментально получены такие кристаллы рибоаминооксазолина прямо из реак­ционных смесей с участием 14 чистых L-аминокислот из 19, содержащихся в белках. Пролин по стереоспецифично­сти далеко превосходит все остальные аминокислоты.

хирально чистые нуклеотидыСхема синтеза хирально чистых рибонуклеотидов

Таким образом, достаточно, чтобы в синтез Сазерленда попал раствор аминокислот, хирально обогащенный путем частичной кристаллизации. В экспериментах Хейна так были полу­чены хирально чистые рибонуклеотиды, начиная всего лишь с 1% хирально обогащенного пролина. Такое небольшое хиральное обогащение аминокислот легко может быть обеспечено фото­химическими процессами с участием поляризованного УФ-света: как мы уже писали, в метеоритах встречаются аминокислоты с хиральным обогащени­ем до 18%, причем с избытком именно L-изомеров.

Как видим, проблема разрешима и без вмешательства высшего разума.

М. А. Никитин

Добавить комментарий для REMONTCler Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>