Файл: Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 101
Скачиваний: 2
лаву и полимер заливали горячим 1%-иым раствором хлористого натрия. Жидкость становилась слегка мутной от образовавшихся
вней в большом количестве микросфер» 181, стр. 364].
Вестественных условиях такие «термические полиаминокис лоты» быстро вымывались дождем с места синтеза и не успевали разрушиться 181].
Термическая полимеризация аминокислот в сухих условиях Фоксом рассматривается как единственно возможный путь син
теза достаточного |
количества |
протеинопда. |
|
Образование пептидных связей |
связано с дегидратацией и |
||
в водном растворе затруднено, так |
как для этого требуется доста |
||
точное количество |
свободной |
энергии. |
Фокс считает полимеризацию аминокислот в водном растворе маловероятной 181]. Но надо принять во внимание, что в предбиологических условиях не существовало чистых растворов, что в этих растворах присутствовали фсрмеитоподобные катализа торы и АТФ (см. ниже) и, следовательно, была возможность сни жения энергетического барьера, особенно благодаря присутствию адсорбентов (глин, апатита) и участию сил гетерогенного катализа.
Акабори путем применения глины удалось синтезировать «предбелок» в водном растворе. В первой стадии этого синтеза был получен аминоацетоинтрил из формальдегида. Нагревая аминоацетоннтрнл с кислой глиной до 110°, Акабори получил полпглнцин с молекулярным весом 15 ООО [149]. При взаимо действии полиглпцина с альдегидами и ненасыщенными угле водородами в молекулу его были введены боковые цепи.
Опыты Фокса и его концепция встречают ряд возражений. В самом деле, в большинстве модельных опытов, ценность кото рых признает и Фокс, синтез аминокислот происходил в водных растворах, которым надо было попасть на лаву и высохнуть для полимеризации по Фоксу, после чего им предстояло снова вер нуться в воду. Насколько вероятен этот сложный путь, сказать
трудно. Если же синтез аминокислот происходил |
из |
СН4 , |
N H 3 |
и Н 2 0 при 950—1050°, как думает Фокс, то в этих условиях |
ами |
||
нокислоты, пептиды и микросферы существовать |
не |
могли |
бы, |
на что указано Саганом [76]. Если признать, что на первобытной Земле в прибрежных зонах совмещались противоречивые условия, нужные для синтеза белка по Фоксу (высокая температура лавы и низкая температура прибрежных вод), то все же остается неле пым вопрос о возможности дальнейшего развития и использо вания протеиноидов в процессе химической эволюции и жизни первичного организма [49]. Подробные и обширные исследования свойств микросфер с помощью электронного микроскопа и других приемов позволили Фоксу назвать свои микросферы «протоклетками», поскольку в них обнаружено присутствие мембран и спо собность окрашиваться, подобно бактериям по Граму [81].
Спонтанный синтез белковоподобиых веществ, возможно, мог происходить в условиях, предложенных Фоксом. Никто не может
54
утверждать, что эти условия были на первобытной Земле менее вероятны, чем водные. Однако ход дальнейшей эволюции и обра зование протобпонта должны были происходить только в водной среде с обязательным присутствием катализаторов.
По мнению Яига, полимеризация аминокислот с образованием протеиноидов могла протекать и в первичном океане в присутствии соответствующих катализаторов одновременно с возможным па
раллельным синтезом |
нуклеиновых кислот |
[157]. |
С о б с т в е н н ы е |
и с с л е д о в а и н я. |
Вполне вероятно, |
что на первобытной Земле в предбиологическуго эпоху могли существовать и другие системы для абиогенного синтеза белка. Наша задача состояла в подборе условий воспроизведения син теза полипептидной цепи из аминокислот в отсутствие ферментов и клеточных частиц при мягком температурном режиме в водном растворе [158, 159].
Подход к решению этой задтчи был найден в прпмепеппп припгипа гетерогенного катализа в присутствии АТФ. В качестве ад сорбента были использованы белая глина и ионообменные смолы. Работа основывалась на мысли, что в исходном растворе подбор аминокислот и их количественные соотношения должны, соответ ствовать составу копируемого белка.
В гервой серии экспериментов была изучена возможность моделирования синтеза простых белков — сывороточного альбу мина и желатины.
Методические указания. В этой работе были применены1 ионо обменные смолы Дауэкс 50 ( X 2, X 4, X 8, X 16) в кислотной форме, D-, L-аминокислоты и АТФ высокой степени чистоты (фирмы Реапал, Мерк и др.). Белая глина подвергалась тщатель ной очистке щелочью и кислотой и промыванию водой до ней тральной реакции.
Растворимая РНК была выделена из печени кролика и из тотальной дрожжевой РНК (венгерский препарат) [160]. Содер жание белка в рРНК не превышало 0,25%. Во всех других реак тивах белок отсутствовал.
Анализ продуктов синтеза. После инкубации системы для синтеза белка и центрифугирования адсорбент (смола, глина) элюировали растворами: 0,9% NaCl фосфатным буфером с раз личными значениями рН или 0,5—2 н. N H 4 0 H . Элюатьт подвер гали диализу, сгущали в вакууме (40°), разделяли путем электро фореза на бумаге в вероиаловом буфере рН 8,6 с окраской бромфеноловым синим [1611. Из параллельных неокрашенных электрофореграмм соответствующие фракции вырезали, элюировали, элюаты подвергали диализу. Для выделения высокомолекулярных продуктов из элюатов применяли также осаждение их смесью спирта и ацетона с последующим электрофоретическим разде лением. Молекулярный вес продуктов синтеза, очищенных элек трофорезом и диализом, определяли по величине осмотического давления, пользуясь осмометрами типа Булла, [162]. Очищенные
55
продукты спнтеза проверяли на отсутствие свободных аминокис лот хроматографией на бумаге [1'19],'подвергалигидролизу|(1—2мг вещества в 2 мл 6 п. HCI при 150° в течение 20 час) . После гидро
лиза |
и удаления |
НС1 в вакууме в присутствии NaOH раствор |
|
слова |
хроматографнровалп на бумаге с окраской ниигидрипом |
||
для определения |
аминокислотного состава продуктов |
синтеза. |
|
В очищенных |
продуктах спнтеза определяли N - и |
С-коицевые |
группы [163], содержание белка [164], ампиоазота до и после гидролиза [165], азота по мпкрокьельдалю, пролпна и оксипролпна [166]. Разделение пептидов проводили методом высоковольт ного электрофореза по Мпхлъ с окраской по Ридон-Смит или Рейн- дал-Хоппе [167]. Фракции пептидов с электрофореграмм элюировали [168] 1 п. NH4 OH и после удаления N H 3 растворяли в воде, хроматографнровалп на бумаге в двух направлениях, окра
шивали нппгпдрпном. |
Пятна пептидов элюировали N H 4 O I I , |
подвергали гидролизу |
и хроматографнровалп на бумаге. |
Одномерную хроматографию проводили в смеси бутиловый спирт, ледяпая уксусная кислота, вода ( 4 : 1 : 5). При двухмер ной хроматографии пользовались в качестве второй смеси фенолфосфатом.
Опыты с перевариванием белка проводили с чистым трипси ном чехословацкой марки при рГТ 8,2 при соотношении фермента
псубстрата 1 : 12—50.
Впервой серпп экспериментов в качестве исходных растворов были применены смеси аминокислот, соответствующие составу сывороточного альбумппа человека (раствор А) и составу жела тины (раствор Ж).
Ход эксперимента. К 1 г адсорбепта приливали 2 мл водного раствора АТФ, затем 3 мл водного раствора 18 аминокислот в за данном соотпогпеппи, смесь встряхивали иа качалке в течение нескольких минут до максимума адсорбции их па смоле. Далее смесь инкубировали при 37° в течение заданного промежутка вре мени в присутствии нескольких капель хлороформа и толуола. В этих условиях в надежно закрытой колбочке стерильность смеси сохранялась в течение нескольких дней. По истечении срока ин кубации смесь обрабатывали по вышеуказанной методике.
Вторая модификация эксперимента состояла в том, что на ионообменной смоле сначала адсорбировали РНК. С этой целью к 1 г смолы приливали 10—20 мл водного раствора рРНК или тотальной (дрожжевой) РНК (0,01—0,05%) и полученную смесь встряхивали в течение различного времени. По окончании встря хивания жидкость удаляли, смолу с адсорбированной РНК про мывали дважды дистиллированной водой и после этого приливали к ней растворы аминокислот и АТФ.
Количественную сторону адсорбции различных препаратов РНК на различных сортах смолы контролировали путем измере ния оптической плотности раствора при 260 им на спектрофото метре СФ-4, принимая EJOM = 240, или путем определения со-
5G
держания РНК (в |
растворе |
и в |
элюатах |
со смолы) ио |
рибозе |
[169]. |
|
|
|
|
|
В части опытов |
для той |
же |
цели была |
применена |
меченая |
дрожжевая РНК, полученная путем прибавления 0,05 мг 11 4 -С-
глицина с удельной |
активностью |
12 мкюрн или |
1Ь 1 -С-тирозина |
|
с удельной активностью 21 мкюри/г к 10 мл раствора РНК |
в 0,25% |
|||
NaCl с последующей |
инкубацией |
в течение одного |
часа |
при 37°, |
осаждением и промыванием 94%-ным спиртом, сушкой и измере нием удельной активности (торцовым счетчиком, фон 20 импуль сов). Во всех случаях были получены равноценные данные по скорости адсорбции РНК на смоле Дауэкс 50. Эти данные имели лишь вспомогательное значение и послужили для выбора сорта
смолы и для |
определения оптимального времени встряхивания ее |
с раствором |
РНК. Адсорбция РНК на смоле Дауэкс 50 X 16 |
протекает более плотно, чем на смоле Дауэкс 50 с меньшим числом поперечных связей ( X 2, X 4, X 8). Визуально, с помощью окраски смолы с адсорбированной РНК реактивом Ванды Мей-
баум [169], можно следить за скоростью адсорбции и за |
полнотой |
|
элюцнн РНК и убедиться не только в более полной, но |
в более |
|
прочной адсорбции РНК на указанном сорте |
смолы. |
|
Обе модификации эксперимента (без РНК и |
с РНК) |
применя |
лись в каждом эксперименте наряду с параллельными и контроль
ными пробами. Число проб |
в |
эксперименте варьировало |
от 4 до |
12, общее число проведенных |
экспериментов составило |
68. |
|
Синтез белковоподобного |
вещества. В результате инкубации |
системы, состоящей из смолы Дауэкс 50, раствора 18 аминокислот, АТФ и РНК, при 37° в течение 24 и более часов можно устано вить образование в довольпо значительном количестве высокомо лекулярных продуктов синтеза, локализующихся на зернах смолы. Их присутствие в элюатах доказывалось осаждением рав ными объемами 10%-ной ТХУ, спирта, ацетона, или кипячением и положительной биуретовой реакцией. В растворах, отфильтро ванных от смолы, эти вещества содержались в концентрации, не превышающей нескольких микрограмм. Инкубация системы в те чение 2—6 час. не приводила к образованию высокомолекуляр ных веществ.
В процессе элюирования РНК оставалась в основном связан ной со смолой и в элюат переходило лишь небольшое количество продуктов ее деградации, устранявшееся при дальнейшей^обработке. В случае применения меченой РНК при электрофоретическом разделении элюатов фракции продуктов синтеза, окрашенные бромфеноловым'сппим, никогда метки не содержали. Фосфор АТФ в элюатах содержался лишь в следовых количествах.
Электрофоретическое исследование элюатов позволяет Гувидеть одну или более фракций продуктов синтеза, соответствующих по положению той или иной фракции сывороточных белков (рис. 4). Следует обратить внимание на то, что в отсутствие АТФ эти продукты не образуются как с РНК, так н без нее.
57
держал оксипролин (10,1%) и в высушенном состоянии был про зрачным, стекловидным, как и сам высушенный исходный рас твор.
Последующие исследования послужили для выяснения харак тера связи аминокислотных остатков в синтезированных про дуктах.
Доказательством наличия пептидных связей в них служат средние данные и пределы колебаний по содержанию N — NH 2 до и после гидролиза для семи наиболее чистых препаратов, полученных в присутствии той пли другой рРЫК, АТФ и смеси аминокислот /1:
|
Количество НА, мг |
|
5,9+0,94 |
|
|
|
||||
|
N—NIL,, мг |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
порвпч ный |
0, СШ +0,003 |
|
|
|
|||||
|
поело |
гидролиза |
0,572+0,170 |
|
|
|
||||
|
|
|
% |
|
9,94+0,12 |
|
|
|
||
|
Общий |
азот, % |
13,9+0,68 |
|
|
|
||||
Из этих данных с достаточной |
вероятностью |
можно сделать |
||||||||
вывод, что аминокислотные остатки в продуктах |
синтеза ПА свя |
|||||||||
заны пептидной связью. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Полипептидной природе продуктов синтеза соответствует |
их |
|||||||||
высокий мол. вес: |
в |
подавляющем |
числе |
экспериментов |
он |
|||||
варьировал |
от 14 840 до 78 000 (инкубация |
24 часа), |
при более |
|||||||
длительной |
инкубации |
он снижался |
до |
2000—4000 |
(khlC1 |
= |
||||
= 52,5—114,25° С), |
вероятно, благодаря |
процессу |
гидролиза. |
В этом исследовании не было необходимости проводить точные
измерения молекулярного веса, и представленные данные |
явля |
||
ются |
приближенными. |
|
|
Для |
синтезированных |
препаратов с молекулярным |
весом |
14 480 |
было определено |
число аминокислотных остатков |
в его |
молекуле, которое в сумме составило 103 (без цистеина и трипто фана), а по отдельным аминокислотам распределилось следующим образом: лиз 9,57; гис 3,19; арг 5,22; асп 9,57; сер + гли 10,44; глу 12,32; тре 5,51; ала 10,58; про 5,22; вал + мет 6,52; фен 6,09;
лей + изолей 15,66; тир 3,48 |
(сумма 103,37). |
|
|||
Ниже показаны N-концевые аминокислоты в 12 очищенных |
|||||
синтезированных |
препаратах ПА. |
|
|
||
Номер |
Источник |
N-концевые |
Номер |
Источник |
N-концевые |
препарата |
РНК ' |
аминокислоты |
препарата |
РНК |
аминокислоты |
45-7 |
Дрожжи |
Лей, глп |
46-1 |
Печень |
Асп, вал |
48-3 |
» |
Глн |
48-2 |
» |
Ала |
50-4 |
>> |
Глу |
50-1 |
» |
Асп |
55-2 |
» |
Асп,. сер, ала |
45-4 • |
Без РНК |
Лей |
5(3-2 |
» |
Гли, х |
48-1 |
» |
Гли |
45-1 |
'Нечет. |
Асп, лей |
49-6 |
» |
Асп, арг |
59