Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир


У. Айзексон
«Инноваторы». Глава из книги


Н. Резник
Жираф большой, ему видней, и сам он хорошо заметен


М. Софер
Куда уходит лето?


С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


В. Мацарский
Разгневанный Эйнштейн и «темный» рецензент







Главная / Новости науки версия для печати

Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров


Два четырехуглеродных сахара (эритроза и треоза), которые получаются из двухуглеродного гликольальдегида в ходе новооткрытой химической реакции. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Рис. 1. Два четырехуглеродных сахара (эритроза и треоза), которые получаются из двухуглеродного гликольальдегида в ходе новооткрытой химической реакции. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Химики предполагают, что на заре жизни углеводы синтезировались из простых молекул в ходе автокаталитической реакции Бутлерова. Однако в стандартных условиях эта реакция производит смесь из множества разнообразных сахаров, среди которых молекулы, необходимые для жизни, составляют лишь доли процента и существуют недолго. Оказалось, что в присутствии силиката натрия — вещества, входящего в состав многих горных пород, — реакция Бутлерова становится более упорядоченной и предсказуемой, а получающиеся сахара обретают стабильность.

В начале 1860-х годов великий русских химик А. М. Бутлеров открыл химическую реакцию, в ходе которой простейшее органическое вещество формальдегид (CH2O) в щелочной среде самопроизвольно превращается в смесь разнообразных сахаров. Некоторые продукты этой реакции (например, гликольальдегид CH2(OH)CHO) являются ее же катализаторами. Это значит, что реакция Бутлерова — автокаталитический процесс, способный сам себя поддерживать.

Главный субстрат этой реакции — формальдегид — обнаружен на других небесных телах и в межзвездном пространстве, и даже молекулы, способные стать «каталитической затравкой» для реакции Бутлерова, такие как гликольальдегид, нередки в космосе. Всё это делает реакцию Бутлерова очень перспективным кандидатом на роль механизма, обеспечившего зарождающуюся жизнь необходимыми сахарами.

Дело, однако, осложняется тем, что реакция Бутлерова производит не какие-то конкретные сахара, необходимые для жизни, а сложнейшую смесь, включающую чуть ли не все мыслимые молекулы сахаров во всех их стереохимических вариантах. Между тем в состав живых организмов входит лишь очень небольшая часть этого разнообразия, причем это почти исключительно «правые» сахара, а реакция Бутлерова производит в равной пропорции как «правые», так и «левые» молекулы (см. хиральность). Нужные для жизни сахара, такие как рибоза (входящая в состав РНК), обычно составляют лишь доли процента среди продуктов реакции Бутлерова. К тому же все эти продукты нестабильны: они продолжают реагировать с другими компонентами реакционной смеси и превращаться в другие молекулы, и поэтому каждый отдельный сахар существует недолго и не может накапливаться. Чтобы получить какой-то конкретный сахар в сколько-нибудь заметном количестве, реакцию приходится насильственно останавливать в строго определенный момент.

Химики активно работают над решением этих проблем и уже нашли ряд способов сделать реакцию Бутлерова менее хаотичной. Об этом подробно рассказано в статье В. Н. Пармона «Новое в теории появления жизни». В частности, добавление цианамида, соединений бора и фосфора позволяет сделать синтез сахаров более избирательным. Проблема хиральности, по-видимому, тоже вполне разрешима. Отбору молекул углеводов с определенными оптическими свойствами могут способствовать алюмосиликаты, входящие в состав глин (R. M. Hazen, D. S. Sholl. Chiral selection on inorganic crystalline surfaces // Nature Materials. 2003. V. 2. P. 367–374).

Но как быть с проблемой нестабильности продуктов реакции? Важный шаг к ее решению сделали химики из Северо-Западного университета в Эванстоне (США), о чём сообщается в статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Science.

Авторы показали, что ход реакции Бутлерова становится намного более упорядоченным, а ее продукты обретают стабильность, если в реакционной смеси присутствуют силикаты (соли кремниевой кислоты). Силикаты входят в состав самых распространенных минералов земной коры, а также других твердых небесных тел, включая Луну и астероиды. В щелочной среде (pH = 9 и выше), в которой идет реакция Бутлерова и которая встречается, например, в вулканических источниках, силикаты легко растворяются.

Ранее было показано, что пяти- и шестиуглеродные сахара образуют с силикатами устойчивые комплексы. Это и навело авторов на мысль о том, что реакцию Бутлерова можно стабилизировать при помощи силикатов. Их догадка блестяще подтвердилась. В экспериментах в качестве исходных субстратов использовались формальдегид (с одним атомом углерода), двухуглеродный гликольальдегид и трехуглеродный глицеральдегид в разных комбинациях. На выходе получались в основном четырех-, пяти- и шестиуглеродные сахара, причем их разнообразие было существенно ниже, чем без добавления силикатов, а конечные продукты были на редкость стабильны. В «обычных» условиях продукты реакции Бутлерова через полчаса после начала реакции радикально отличаются от того, что обнаруживается в реакционной смеси через 12 часов. В присутствии силикатов эта разница радикально уменьшилась.

Обнаруженные эффекты объясняются тем, что силикаты избирательно присоединяют к себе некоторые сахара (по две молекулы сахара на один атом кремния), причем образующиеся комплексы уже не участвуют в дальнейших химических превращениях. Те молекулы сахаров, структура которых не позволяет им присоединиться к силикату, продолжают изменяться до тех пор, пока не приобретут такую способность. Тогда они тотчас же образуют сахарно-силикатный комплекс и выпадают из дальнейших превращений. Таким образом, силикаты осуществляют своеобразный отбор сахаров, а «избранным» молекулам придают устойчивость, которой лишены остальные сахара. В результате в растворе накапливаются молекулы сахаров определенного типа. Их можно потом отделить от силиката, уменьшив pH среды, и получить таким образом «чистые» сахара.

Рис. 2. Двухуглеродные молекулы гликольальдегида (слева) в присутствии силиката натрия объединяются попарно в четырехуглеродные молекулы треозы или эритрозы, которые тотчас же образуют устойчивые комплексы с силикатом (в центре). Добавление кислоты позволяет отделить получившиеся сахара от силиката. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Рис. 2. Двухуглеродные молекулы гликольальдегида (слева) в присутствии силиката натрия (Na2SiO3) объединяются попарно в четырехуглеродные молекулы треозы или эритрозы, которые тотчас же образуют устойчивые комплексы с силикатом (в центре). Добавление кислоты позволяет отделить получившиеся сахара от силиката. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы сахар мог присоединиться к силикату, его молекула должна иметь определенную структуру. Она должна включать не менее четырех атомов углерода, быть замкнута в кольцо и иметь две соседние гидроксильные группы (–OH), повернутые в одну и ту же сторону (у молекул на рис. 1 такие гидроксильные группы есть у атомов углерода, помеченных цифрами 1 и 2). Таким образом, отбор осуществляется в том числе и по стереохимическим признакам, хотя проблему хиральности это не решает (силикаты не всегда отдают предпочтение «правым» сахарам). Авторы уверены, что с хиральностью им помогут справиться алюмосиликаты, с которыми они сейчас работают, а данная статья посвящена решению другой проблемы — стабильности.

Состав сахаров, получаемых в реакции Бутлерова в присутствии силикатов, зависит от состава исходной смеси. Например, если там изначально был только двухуглеродный сахар (гликольальдегид), то на выходе получаются в основном два четырехуглеродных сахара — треоза и эритроза (рис. 1). Это резко контрастирует с огромным разнообразием продуктов, получаемых в ходе «обычной» реакции Бутлерова без добавления силикатов.

Если в исходной смеси, кроме гликольальдегида, есть также глицеральдегид (трехуглеродная молекула), то на выходе получаются четырех-, пяти- и шестиуглеродные сахара. Аналогичный состав продуктов получается из смеси формальдегида с гликольальдегидом или из смеси всех трех исходных веществ. Если изначально в растворе был только глицеральдегид, получаются почти исключительно шестиуглеродные сахара. Исходные молекулы слишком малы, чтобы присоединиться к силикату, поэтому они начинают соединяться друг с другом, образуя сахара с числом атомов углерода от 4 до 6. Как только появляется молекула, структура которой позволяет ей образовать комплекс с силикатом, этот комплекс немедленно образуется, и сахар стабилизируется. Поэтому молекулы с большим числом атомов углерода (7, 8, 9, 10 и т. д.), не нужные для зарождения жизни, но весьма характерные для «обычной» реакции Бутлерова, в присутствии силикатов просто не успевают образоваться.

Таким образом, авторы нашли весьма изящное решение проблемы стабильности сахаров, образующихся абиогенным путем. Это решение к тому же является весьма правдоподобным, потому что силикаты есть повсюду, и их включение в модели абиогенеза совсем не похоже на «рояль в кустах» или «Бога из машины». В этом смысле данная работа напоминает другое недавнее открытие — простой способ абиогенного синтеза рибонуклеотидов в присутствии фосфата (см.: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009).

Источник: Joseph B. Lambert, Senthil A. Gurusamy-Thangavelu, Kuangbiao Ma. The Silicate-Mediated Formose Reaction: Bottom-Up Synthesis of Sugar Silicates // Science. 2010. V. 321. P. 984–986.

См. также:
1) В. Н. Пармон. Новое в теории появления жизни.
2) Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009.
3) Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?, «Элементы», 12.01.2009.
4) Гидротермальные источники — колыбель жизни на Земле?, «Элементы», 30.10.2006.
5) Зарождение жизни.

Александр Марков


Комментарии (8)



Последние новости: ХимияМолекулярная биологияАлександр Марков

23.09
Впервые получены структуры контактной и сольватноразделённой ионных пар силенил-литиевого соединения
19.09
Муравьи помогают тлям сохранять разнообразие окраски
15.09
Разработан метод пространственной визуализации транскрипции генов
12.09
У древних четвероногих было долгое детство
6.09
Собачий мозг обрабатывает речевую информацию почти так же, как человеческий
26.08
Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка
6.07
Метанокисляющие микроорганизмы донных осадков оказались неожиданно разнообразными
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия