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

6

Нуклеиновые кислоты и их структурные элементы

П р е д в а р и т е л ь н ы е з а м е ч а н и я . В природе суще­ ствуют два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеииовые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Первые локализованы преиму­ щественно в клеточных ядрах, вторые — в плазме, в рибосомах, а также в ядре. Оба типа нуклеиновых кислот построены по еди­ ному плану. Молекула каждой из них представляет собой весьма длинную цепь из соединенных друг с другом в определенной по­ вторяющейся последовательности четырех иуклеотидов. Каждый нуклеотид построен из углевода, трех остатков фосфата и пуринового или пиримидииового основания.

Нуклеотиды в молекуле нуклеиновых кислот соединены один с другим остатками сахара и фосфорной кислоты, основания же прикреплены к молекуле сахара и остаются в остальном свободными и способными образовывать водородные связи. В ДНК углеводом, является дезоксприбоза, в РНК — рибоза. Пуриновые основания в ДНК и РНК одинаковые — аденин и гуанин. Пиримпдиновые 'Основания в ДНК представлены цитозином и тимином, в РНК — цитозииом и урацилом.

Путем гидролиза ферментами из ДНК можно получить четы­

Структурную основу ДНК и РНК составляют пуриновые и тгиримидиновые основания, от характера и последовательности расположения которых в молекулах ДНК и РНК и зависят ин­ дивидуальные свойства нуклеиновых кислот.

Представление о строении нуклеиновых кислот, о внутрен­ ней связи элементов их молекул — фосфатов, сахара и оснований— дает прилагаемая схема (см. стр. 78).

77

Синтез нуклеиновых кислот и начинается с синтеза оснований. П у р и н о в ы е и п и р и м и д п н о в ы е о с н о в а н и я .

Возможность их синтеза в предбпологическую эпоху на Земле сомнений не вызывает. В ряде лабораторий выполнены модельные

всего метан, аммиак, цианистый водород, водород. Имитируя

ристого аммония и водорода помещали в цилиндрический стеклян­ ный прибор и подвергали действпю пучка электронов мощностью 4,5 мэв. Йод этим воздействием жидкость кипела, количество поглощенной энергии за время опыта составило 7-101 0 эрг/г. Хроматографическим методом в этом опыте было установлено образо­ вание радиоактивного адеппна [190].

При этом выяснплось, что присутствие водорода замедляло синтетическую реакцию, а в отсутствие его ода значительно ус­ корялась.

В связи с этим наблюдением авторы приходят к выводу, что после удаления всего водорода из земной атмосферы количество органического вещества иа Земле увеличилось [145, 190].

Одновременно с аденином в реагирующей смеси были открыты гуанин и пентозы — рибоза и дезоксирибоза [190]. Прибавление формальдегида к смеси увеличивало выход углеводов. Очевидно, формальдегид был промежуточным веществом в этой реакции при образовании углеводов из метана.

Кроме метана исходным веществом для модельного синтеза пуринов послужила и синильная кислота. Радикал CN обнару­ жен, как известно, на Солнце, в кометах, и его присутствие на Земле предполагается еще в очень ранний период ее существова­ ния [191, 192].

В избрании HCN для^интеза пуринов руководствовались так­ же сходством строения этих двух веществ. В самом деле, валовую' формулу адеиина C6 I-I5 N5 можно рассматривать как полимер из пяти молекул HCN [138, 193].

78

Надежды синтезировать адении из HCN оправдались, но ме­ ханизм этого синтеза оказался сложнее, чем просто полимериза­ ция HCN.

В качестве источников энергии в этом синтезе были использо­ ваны ультрафиолетовая радиация и тепловая энергия. Так, Понамперума [138] облучал коротковолновыми ультрафиолетовыми лу­ чами в течение семи дпей раствор 10~3 моль/л цианистого натрпя, меченного иС в эвакуированных и запаянных кварцевых пробир­ ках. По окончании опыта содержимое пробирок выпаривали и разделяли двухмерной хроматографией па бумаге в системах растворителей: пропаиол, аммиак, вода и бутаиол, проппоновая кислота и вода. Хроматограммы радиоавтографировалп на рент­ геновскую пленку. В качестве продуктов реакции в этом опыте

Образование адепи'па можно наблюдать и в простых условиях термического синтеза. Если нагревать водный раствор, содержа­ щий синильную кислоту и аммиак, прп температуре 70—90° в те­ чение нескольких дпей, то в пем образз^ется около 1 % (от количе­ ства исходных веществ) аденппа и немного гппоксантина [193, 194].

Адении был получен также при нагревании раствора цианида аммония [128], а гуаппн — путем нагревания до 125° смеси 4-аминонмпдазол-5-карбоксамида и мочевины [195, 196].

Исходными веществами в модельных опытах по синтезу пуриновых оснований служили также аминокислоты. Так, прп нагре­

Здесь необходимо кратко коснуться вопроса о механизме син­ теза пуринов из метана и синильной кислоты. Метан в присутствии аммиака и воды под влиянием облучения подвергается окислению возникающими в растворе радикалами ОН и N H 2 с образованием формальдегида п его производных. В присутствии водорода эти радикалы восстанавливаются с образованием N H 3 и Н 2 0 .

Далее в реакции образуется предположительно цианистый водород [132, 138]. В указанных условиях из HCN образуется сна­ чала димер моноцианкарбен H.2N — С — CN, а затем имидазольные соединения (4-амино-имидазол-карбоксамид и др.), которые конденсируются с присутствующими в смеси производными фор­ мальдегида с образованием аденина [192, 198]. Согласно Клисс и Мэттыос, из HCN образуется в данных условиях сначала имидазольпое кольцо, а с присоединением к нему еще одной молекулы HCN — адении [196].

Синтез пйримидиновых оснований-в-модельных опытах изученслабо. Здесь можно назвать две-три работы.

79

Оро и сотрудники действием электрического разряда на смесь примитивных газов получали С3 -соедииеиия — 8-алапии, акрилонптрил, 6-аминопроппопптрил. Затем путем конденсации этих соединений с мочевиной в присутствии аммиака при 135° С им удалось синтезировать урацил с небольшим выходом [128]. Фоксу удалось получить урацил путем конденсации яблочной кислоты и мочевины в присутствии полифосфорной кислоты при 650° С [197]. Цптозин был получен при нагревании водного раствора KCNO + -г CJICN при 100° в течение C V T O K в присутствии водорода [1981.

По сравнению с модельными экспериментами по синтезу пури­ нов эксперименты с синтезом урацила не обладают большой силой убедительности: прямого синтеза пиримидинов из простейших газов не удалось осуществить.

Как видно, пути абиогенного синтеза ппримидИнов в перво­ бытных условиях не вполне ясны. Возможно, что причиной этого является нестойкость пиримидинов и разрушение их в присутствии гидразина, который образуется в большом количестве при дей­ ствии электрических разрядов на NIL, или NH4 OH [199].

Образование второго компонента нуклеиновых кислот — рибозы в РНК и дезокснрибозы в ДНК — совершалось, вероятно, легко в предбпологнческнх условиях на Земле. Наиболее вероят­

бутлеровская конденсация формальдегида. Действительно, синтез рибозы и дезокснрибозы установлен в опытах по синтезу адеиина из метана [138]. Он отмечен также и при других сходных опытах с применением ультрафиолетовой или ионизирующей (0 0 Со) ра­ диации [190]. Оро и Кокс синтезировали 2-дезоксирибозу и 2-де-

химической эволюции. В самом деле, для их осуществления требо­ вались уже готовые синтезированные исходные вещества — ну­ клеиновые основания — пурины, пиримидииы и сахара. Возмож­ ность образования нуклеозидов из готовых нуклеиновых оснований и углевода с очевидностью показана в опытах Понамперумы [201, 202]. Смесь 1 4 С-аденииа с дезоксирибозой в присутствии циани­ стого натрия в концентрации по 10~3 молей каждого ингредиента помещали в ампулы, замораживали, откачивали воздух и запаи­ вали. После облучения ампул ультрафиолетом с длиной волны 2537 А в течение 27 час. был получен дезоксиаденозин с выходом 7,1% [201].

Далее этим же исследователем было установлено, что в водных растворах смеси адеиина и рибозы под влиянием ультрафиолетовой радиации аденозин образуется лишь в присутствии фосфата, а при воздействии ионизирующего облучения на такой же раствор

80