Файл: Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров.pdf

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

—> NH2 CO—NH—CONHo. В качестве дегидрирующих агентов можно применять цианиды в присутствии N H 3 , которые одно­ временно служат конденсирующим агентом и строительным материалом.

Применение этих веществ дало возможность синтезировать пептиды при комнатной температуре в водном растворе из добав­ ленных аминокислот [18, 148, 149]. Такие условия для синтеза пептидов могли существовать в предбиологическую эпоху, могли присутствовать и катализаторы.

Производные синильной кислоты сами дают начало синтезу

M - I - 2 - CH - CN

присоединения воды и отнятия CO., образуется амииоацетонитрил HoN —СН2 —CN, который затем нолимеризуется в полиглицииимид и превращается в полиглицин [149.1.

Амииоацетогштрил образуется при взаимодействии формаль­ дегида с безводной HCN и жидким аммиаком при комнатной тем­ пературе (48 час):

СНаО + МНз + HCN -* ILjN—СНз-CN.

Особого внимания заслуживает вопрос о формировании по­ следовательности аминокислот в пептидах и полипептидах. Если в смеси аминокислот, подвергающейся процессу полимеризации, присутствует не более шести компонентов, то в ферментативном ступенчатом синтезе полипептидиая цепь строится в определен­ ном порядке, с закономерной последовательностью аминокислот в отсутствие матрицы (РНК) [150]. В отсутствие передачи инфор­ мации (без РНК) строится белок в клеточных стенках [151].

Если такая возможность существует, то можно думать, что она обусловлена теми же закономерностями, которые сущест­ вовали и в предбиологический период и которые скрыты в самой структуре аминокислот. Доказательство этого положения можно найти в опытах Стейимана [148].

Стейнмап присоединял к зернам ионообменной смолы (хлорметилировашюго полистирола) одну из аминокислот, получая таким образом бензиловый эфир аминокислоты со свободной аминогруппой. Далее к этой аминокислоте он присоединял ка­

центрации 0,01 моль добавляли эквивалентными порциями. Иден­ тификацию дипептидов производили методом Эрдмана, электро­ форезом, хроматографией иа бумаге. Синтезированы были ди­

Измеряя выход пептида при разных вариациях аминокислот,

51

автор убедился, что эффективность образования дйпептидиьтх пар аминокислот весьма различна. Она соответствует вполне стати­ стическим расчетам, основанным на учете относительной реак­ тивности каждой аминокислоты. Изучая влияние рН, роль боковой цепи, рК карбоксила Стейимап мог предсказать самые вероятные последовательности аминокислот в пептидах, синтези­ руемых в отсутствие РНК. Он установил, что частота встреча­ емости дипептидов, вычисленная на основании известных до нас­ тоящего времени последовательностей в различных белках, со­ ответствует частоте (эффективности) образования их в экспери­ менте 1143, 1481.

Заслуживает повторного упоминания, что важнейший участ­ ник синтеза пептидов и белка в организме — адеиозинтрифосфат

в предбиологическом синтезе белка путем активироваиия амино­ кислот с образованием амипоациладенилатов (см. стр. 62).

Итак, можно считать вполне вероятной гипотезу о синтезе аминокислот, пептидов и полипептидов в раннюю эпоху химиче­ ской эволюции иа первобытной Земле.

Какие же возможности и пути могли существовать в ту эпоху для синтеза белка?

Первые эксперименты по моделированию синтеза макромолекулярных полимеров аминокислот — «протобелка» в усло­ виях предбиологической эры проведены Фоксом и сотр. [82, 153, 1541. Ими был использован метод термической конденсации ами­ нокислот.

Почти во всех цитированных выше работах по модельным син­ тезам продукты реакции исследовались лишь в растворах хроматографическим методом. Работы Фокса и сотр. [81, 82) отличаются от других тем, что в них продукты синтеза изолировались и опре­ делялся их состав, молекулярный вес. Опыт состоял в нагрева­ нии сухой смеси 18 природных аминокислот, входящих в состав натуральных белков, в течение 50—250 час. при температуре 170 — 250° в отсутствие воды. Для успешности синтеза обязательно было присутствие в качестве растворителей большого количества глутамииовой кислоты, аспарагиновой кислоты или лизина в коли­ честве около 50%. Глутаминовая кислота, превращаясь при 160° в лактам, служила растворителем других аминокислот. При­ бавление в реакционную смесь полифосфата, аденозиитрифосфата, фосфата кальция или фосфорной кислоты снижало оптимальную температуру термической конденсации до 70°. Полученный про­ дукт синтеза — «протеииоид» — содержал большинство из взя­ тых для синтеза 18 аминокислот. В исходной смеси содерл^аиие кислых, основных и нейтральных аминокислот находилось в со­

52

обладания аспарагиновоп кислоты. В нем содержалось 13% глутамииовой кислоты и 51% аспарагиновоп, 7% основных и 24% нейтральных аминокислот. Авторы считают, что это соотношение аминокислот близко к соответствующим величинам для натураль­ ного белка, и только содержание аспарагнновой кислоты в протеиноиде Фокса оказалось чрезмерно высоким. Начальное соот­

составу, молекулярному весу, отношению к белковым осадителям, оптической активности, спектру в инфракрасных лучах. Гетерогенность протеиноидов ограничена, они доступны протео-

тид со свойствами меланостимулирующего гормона. Этот гормон, как известно, состоит из 12 аминокислот с определенной последо­ вательностью из 13 (а-) или 18 (В-форм) аминокислотных остатков. Для синтеза меланостимулирующего протеииоида было взято шесть аминокислот (в г): Ь-аргииии-НС1 28,2, L-глутаминовая кислота 19,7, глицин 10,1: Ь-гистидип-НС! моногидрат 28,1,

и т. д. и в результате получили 7,33 г вещества, выход 5,4%. Исследованная на гипофизэктомированиой лягушке мелано-

а затем эту смесь охладить, то образуется «миллион микроско­

ством, если протеииоид предварительно нагревали в водном рас­

Термический синтез протеиноидов из свободных аминокислот, по мнению Фокса, мог происходить в предбиологическую эпоху на горячей почве вулканических зон в присутствии обезвожива­ ющего агента пблифосфата, который здесь же мог образоваться из мономолекулярных фосфатов при температуре 300°. Для пол­ ной имитации воображаемого им предбиологического процесса Фокс помещал смесь сухих аминокислот в углубление иа куске натуральной лавы и подвергал нагреванию до 170° в течение нескольких часов, вследствие чего сухая смесь «превращалась в светлую жидкость янтарного цвета». «Затем,— сообщает Фокс,—

53