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


А. Гуков
Крупные животные Арктики: сколько их осталось?


А. Огнёв
Откуда жизнь? Еще теплее!


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?







Главная / Новости науки версия для печати

Цианосульфидный протометаболизм — верный путь к земной жизни


Катархей

Рис. 1. У нас не осталось никаких материальных свидетельств о катархее, но логика и эксперименты помогают представить этот молодой мир. Изображение с сайта the-scientist.com

Миру РНК предшествовало время предбиологического синтеза, когда рождались так или иначе необходимые для репликации молекулы — нуклеотиды, белки, липиды. Прежде химики рассматривали процессы их синтеза по отдельности. Теперь в лаборатории Джона Сазерленда найден путь, который приводит к синтезу сразу большого набора биологических молекул. Нет нужды гадать, что было раньше, РНК или белки, — вероятно, они синтезировались одновременно в едином каскаде химических реакций; в начале его появляется цианистый водород и сероводород с металлическими катализаторами. Эту сеть реакций авторы назвали цианосульфидным протометаболизмом. С выходом в свет нового исследования можно говорить о поворотной точке в науке о происхождении жизни.

Джон Сазерленд (John Sutherland) с командой из Лаборатории молекулярной биологии Исследовательского совета по медицине при Кембриджском университете (Великобритания) продолжили свое захватывающее исследование первых этапов зарождения жизни — появления на нашей планете биологических молекул. Около пяти лет назад они описали простой путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов, тех самых, которые никак не удавалось получить из простых веществ (см.: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009). Для этого требовалось подогревать азотистые основания (цианамид) вместе с сахаром (гликольальдегидом) и цианоацетиленом в присутствии фосфорной кислоты и под ультрафиолетовым облучением. В результате чудесным, хотя и вполне понятным для химиков образом получаются пиримидиновые рибонуклеотиды — цитидин и уридин. И при этом с высоким конечным выходом продукта, в практически очищенном от примесей виде, так как другие побочные продукты реакций неустойчивы к ультрафиолетовому облучению (на рис. 2a эта часть добиологической химии показана синими стрелками).

Все, кто занимается и интересуется ранней эволюцией жизни, пришли в восторг. Среди эмоциональных одобрений звучали вполне здравые вопросы: откуда бы взяться на ранней Земле гликольальдегиду в большом количестве? — все же это не совсем простое вещество. За три года команде Сазерленда этот вопрос удалось решить (D. Ritson & J. D. Sutherland, 2012. Prebiotic synthesis of simple sugars by photoredox systems chemistry) — и опять же изящно и доступно. Химики синтезировали гликольальдегид и глицеральдегид из цианистого водорода; реакция идет на свету в присутствии сероводорода и двухвалентной меди. Но какова же была радость ученых, когда они обнаружили в качестве побочных (!) продуктов реакций этого синтеза α-аминонитрил — предшественник аминокислот глицина, серина, аланина и треонина (D. Ritson & J. D. Sutherland, 2013. Synthesis of Aldehydic Ribonucleotide and Amino Acid Precursors by Photoredox Chemistry). На рис. 2a этот путь показан зелеными стрелками.

Рис. 2. Схема реакций, в которой взаимоувязан синтез пиримидинов, аминокислот и липидов

Рис. 2. Схема реакций, в которой взаимоувязан синтез пиримидинов, аминокислот и липидов. Синтез цитидинов и уридинов показан синими стрелками в голубом блоке (a), зелеными стрелками в голубом блоке показан синтез сахаров (гликольальдегида) из цианистого водорода; розовым и бежевым блоками (c и d) показана часть реакций, в которых при участии Cu (I) или сероводорода и Cu (II) идет синтез аминокислот; зеленый блок (b) показывает часть реакций, в ходе которых синтезируются предшественники липидов и аминокислоты. Схема из обсуждаемой статьи в Nature Chemistry

Конечно, останавливаться было нельзя: ясно, что обнаруженная сеть реакций — это золотая жила добиологического синтеза. И та же окрыленная команда стала подробнее изучать продукты реакций в смеси цианистого водорода, сероводорода, фосфатов и различных двухвалентных металлов.

Перво-наперво решено было подробнее рассмотреть трансформации глицеральдегида в фосфатном буфере — должен был теоретически получиться более стабильный трехуглеродный изомер. Действительно, его и нашли: глицеральдегид постепенно, но с хорошим выходом продукта (59%) преобразовывался в дигидроксиацетон. А тот, в свою очередь, в присутствии сероводорода на свету расщепляется на ацетон и глицерол. Получив эти вещества, химики почуяли победу — до синтеза липидов осталось совсем чуть-чуть. И вот если полученную смесь подогреть (а мы помним, что процесс идет в фосфатном буфере) с катализатором (цинком), то в колбе окажется глицерол-1-фосфат и глицерол-2-фосфат — предшественники липидов. Выход этих продуктов оказался впечатляющим: в сумме 71%. А если еще чередовать освещение и темноту, то происходят друг за другом (в качестве приятной добавки) реакции превращения ацетона в аминокислоты — валин и лейцин.

Затем выяснилось, что из цианистого водорода и ацетилена в присутствии различных соединений меди и сероводорода могут быть также синтезированы аминокислоты аргинин, пролин, аспарагин, аспартат, глутамин и глутамат. И, между прочим, необходимым продуктом превращения цианистого водорода в аминокислоты в присутствии двухвалентной меди является цианоацетилен, тот самый, который оказался востребованным для синтеза пиримидинов.

Вот это настоящий первичный бульон, или, если угодно, гипотетическая теплая лужа! Джон Сазерленд с коллегами теперь представляют себе этот древнейший жизнеродный водоем гораздо яснее, чем кто бы то ни было. Эта теплая лужа стала обрастать реалистичными химическими подробностями. Химики поместили ее во времена катархея, когда наша планета испытывала на своей шкуре все тяжести поздней метеоритной бомбардировки. Вот как это могло происходить.

При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита — железо-никелевого фосфида — при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она — теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция — всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.

Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше — аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа — это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!

Химикам еще предстоит серьезная работа, чтобы развязать все узлы этой химической сети, но главное — что пропасти между простыми органическими молекулами и молекулами жизни больше нет. Теперь есть мостик, который химики назвали цианосульфидным протометаболизмом. Вероятно, этот термин очень скоро станет модным, востребованным и очень осмысленным.

Источник: Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy & John D. Sutherland. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism // Nature Chemistry. Published online 16 March 2015. DOI: 10.1038/NCHEM.2202.

Елена Наймарк


Комментарии (46)



Последние новости: ХимияБиохимияМолекулярная биологияГеохимияЕлена Наймарк

23.09
Впервые получены структуры контактной и сольватноразделённой ионных пар силенил-литиевого соединения
21.09
В условиях антропогенного шума летучие мыши перестают полагаться на слух
15.09
Разработан метод пространственной визуализации транскрипции генов
13.09
Эволюционный эксперимент показал, где и как появляются наиболее приспособленные особи
5.09
Найдены строматолиты возрастом 3,7 млрд лет — древнейшие следы жизни на Земле
26.08
Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка
6.07
Метанокисляющие микроорганизмы донных осадков оказались неожиданно разнообразными
22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица
17.06
В металло-карбеноидах чем больше катион щелочного металла, тем стабильнее молекула
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников

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