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: 102
Скачиваний: 2
для |
синтеза адеиозпна |
присутствие |
фосфата но |
обязательно |
|
[202]. |
|
|
|
|
|
|
Дальнейшим шагом вперед было получение в примитивных |
||||
условиях |
нуклеотидов |
путем фосфорилировання |
нуклеозпдов. |
||
В |
этом |
модельном синтезе встретились |
трудности: в водном рас |
творе в присутствии фосфорной - кислоты нуклеотиды не синтези ровались. Синтез удалось осуществить, когда взамен фосфорной кислоты был применен этилметафосфат, который обладает способ ностью активировать карбонильные, гпдроксильпые и аминные
группы [138, 152]. |
|
|
|
|
|
|
Растворы с концентрацией адеиозипа 10~3 |
моль/л |
в |
присут |
|||
ствии |
стехиометрических |
количеств |
этилметафосфата |
в |
запаян |
|
ных |
пробирках из стекла |
«Викор» |
облучали |
четырьмя |
бактери |
цидными лампами (максимумом излучения 2537 А) при 40 + 2° С. По окончании облучения продукты реакции были изучены и иден тифицированы путем хроматографии — двухмерной на бумаге, тонкослойной и ионообменной. Было установлено образование аденозинмоиофосфата пз адеиозипа, адепозпндпфосфата из аденпловой кислоты и аденозиптрифосфата из аденозиндифосфата в при
сутствии |
этилметафосфата |
во всех |
случаях [138, 152]. |
В этом же направлении Шраммом |
[71, 203] была проведена об |
||
ширная |
работа по синтезу |
нуклеозпдов, нуклеотидов и полииу- |
клеотпдов с применением метаморфных эфпров — этплполпметафосфата и др. Метафосфориый эфир можно синтезировать из обыч ного диэтилового эфира и пятиокиси фосфора по обычным прави лам этер1гфикации, но в мягких условиях (при -f- 60°, при отсут ствии воды, в растворителе типа хлороформа).
Синтез адеиозипа из адешпта и рибозы, дезоксиаденозина из адеинпа и дезоксирибозы ведут в присутствии избытка метафосфорного эфира при рН 1,15. Конденсация завершается в течение одного часа, но затем реакция идет в обратном направлении. В реакции используется только 20—40% прибавленного в смесь сахара. В присутствии рибозы получают |3-аденозин, в присутствии дезоксирибозы — (3-дезокспадеиозин.
Метафосфориый эфир способствует также фосфорилированию
нуклеозпдов |
и образованию нуклеотидов в неводиых |
растворах |
при избытке |
реактива и нагревании смеси. Реакция завершается |
|
в одну стадию [203]. Применение метафосфорного эфира |
оказалось |
эффективным и в процессе полимеризации нуклеотидов. В реакции применялись готовые препараты рибоиуклеотидов, например 2', З'-уридиловая кислота. Полученный синтетический продукт представлял собой, как пишет Шрамм, смесь компонентов различ ного молекулярного веса, которую можно было разделить на ко лонках из сефадекса или ДЭАЭ-целлюлозы. Высокомолекулярные полинуклеотиды, полученные после диализа в остатке, составили
10% исходного вещества, |
имели константы седиментации от 1,4 |
до 2,4S, молекулярный |
вес около 10 000, Такие же результаты |
в основном получены и Н. К. Кочетковым [204]. Однако синтези-
4 Л. Л. Тптаев |
81 |
ронянные препараты были в значительной степени резистентны к действию рибонуклеазы. Следовательно, фосфатные группы в син
тетических препаратах |
полинуклеотидов |
образовали |
связь не ме |
||
жду 3' и 5'-атомами |
углерода, |
характерную |
для |
естественных |
|
нуклеотндов, а иные, |
вероятно, |
2', 2' |
или 3', |
З'-связи. Все же |
Шрамму удалось показать, применяя фосфодиэстеразу змеиного яда, что в его препаратах имеются полннуклеотпды и с нормальным положением фосфатных групп. Синтезированная этим автором полиуридиловая кислота обладала кодирующей активностью по отношению к фенилалашшу в бесклеточиой системе Esherichia coli. Автор показал также, что добавление комплементарной полнадениловой кислоты в качестве матрицы приводит к ускорению реакции образования полпурндиловой кислоты в 10 раз. При этом
оказалось, что реакция резко |
замедляется |
к тому времени, когда |
в нее вступило всего 20—30% |
уридпловой |
кислоты [711. |
Следует заметить, что в этой реакции добавление полиуридиловой кислоты не оказало влияния на скорость полимеризации урпдиловой кислоты.
Все же, видимо, некоторые нуклеотиды могут ускорять обра зование комплементарных нуклеотпдных цепей, и в этом Шрамм усматривает элементарный, зачаточный матричный процесс.
Конденсация цитидиловой кислоты в полимер была легко осу ществлена в простых экспериментальных условиях [86J: смешивали мононуклеотид — цнтндиловую кислоту — с полифосфориой кис лотой и нагревали смесь при 65° в течение 1—2 час. при ограни
чении доступа воздуха. Полученный продукт |
фракционировали |
||||
на ионообменной смоле |
Дауэкс-1, элюировали раствором 4 н. му |
||||
равьиной |
кислоты |
в 0,5 н. муравьшшкислом |
аммонии. |
Выход |
|
продукта |
составил |
1 %. |
|
|
|
Полученный в этих |
условиях искусственный |
полимер |
цитиди |
ловой кислоты (цитидинмоиофосфат) по спектральной характерис тике и гиперхромному эффекту был сходен с натуральными полинуклеотидами. Однако по результатам действия на него фосфатазы и рибонуклеазы он был охарактеризован как смесь ди- и тринуклеотидов цитидпна [86]. Таким же методом был получен полиаденилат.
Как видно из сказанного, с помощью метафосфорного эфира в модельных опытах из предшественников довольно успешно были синтезированы нуклеозиды, нуклеотиды и полинуклеотиды. Пред полагается, что таким способом могли синтезироваться и нуклеи новые кислоты. Механизм конденсации в двухкомпоиентной систе ме при участии метафосфорного эфира заключается в замещении фосфатом гидроксильной группы одного из двух компонентов
споследующим отщеплением активирующей группы одновременно
сотщеплением протона от второго компонента. По этой схеме, например, активированная ОН-группа рибозы реагирует с активи
рованным азотом адеиина, в результате чего образуется адеиозин [71].
82
Слабым звеном в теории образования нуклеиновых кислот при участии метафосфорного эфира является непременное требование отсутствия воды для успешного осуществления реакций полиме ризации. Если в самом деле такие условия существовали на перво бытной Земле и на ней были области, лишенные воды, то для об
разования |
предшественников для синтеза |
нуклеиновых |
кислот— |
|||
пуринов, |
пиримидииов, |
углеводов — необходима |
была вода |
|||
[192]. Трудно также сказать, |
были ли |
в этих сухих |
областях |
|||
залежи метафосфориых |
эфиров. |
Согласно |
теории А. И. |
Опарина, |
химическая эволюция протекала в «первичном бульоне», т. е. в водном растворе.
Шрамм предполагает, что свободная от воды область могла находиться внутри коацерватов А. И. Опарина пли подобных им
структур, имеющих |
водонепроницаемую |
мембрану [71]. В таком |
|
случае, |
вероятно, |
внутри коацерватов должны были находиться |
|
Р2 Од и |
дпэтиловый |
эфир, необходимые |
для синтеза метафосфор |
ного эфира. Сомнительно также, мог ли существовать на первич ной Земле в сухих местах при 60° (температура реакции) дпэтило
вый эфир и |
Р 2 0 5 ? |
Очевидно, |
мнение об образовании метафосфорного эфира в |
коацерватных каплях недостаточно убедительно. Коацерваты могли образоваться лишь в водной среде. Следовательно, вопрос в отношении участия метафосфорного эфира в синтезе нуклеино вых кислот на первичной Земле остается неясным или же на пего следует ответить отрицательно [143].
Термический синтез полинуклеотидов, осуществленный Фок сом и сотрудниками, заслуживает, несомненно, внимания, как со ответствующий реальным условиям предбиологической эры на Земле.
С о б с т в е н н ы е |
и с с л е д о в а н и я . |
В |
наших экспе |
||||
риментах |
мы пытались |
создать |
такие мягкие |
условия, |
которые |
||
были |
бы возможно близкими к |
атмосферно-почвенным |
условиям |
||||
эры |
биохемогенеза. |
|
|
|
|
|
|
Синтез |
проводили |
в водной |
среде в условиях |
гетерогенного |
катализа с применением белой глины в качестве адсорбента. На
гревание реакционной смеси не превышало 100°, время |
реакции |
2 часа. В других случаях — при синтезе нуклеиновых |
кислот и |
белка — применяли температуру 37°, продолжительность опыта в этих случаях составляла 24—72 часа. Кроме белой глины обя зательным участником реакции были восстановители — обычно глютатион восстановленный. В некоторых случаях последний за меняли на гидросульфит натрия (Na2 S2 04 ), иногда пользовались водородом in statu nasceudi (цинковая пыль и НО) .
В основном в этих условиях с применением соответствующих модификаций инкубационной смеси были синтезированы нуклеи новые кислоты, их предшественники, белковоподобные вещества, белки с ферментными свойствами, ди- и полисахариды, высшие жирные кислоты, глицериды.
83 |
4* |
Синтез аденина. Инкубационная смесь для синтеза адеиина содержала наряду с белой глиной 10 мг KCN, 20 мг глютатиопа восстановленного, 1 н. NH4 OH или НС1 по 0,5 мл. Опыт проводили при 70° в течение 2—20 час. в герметически закрытых пробирках. Определение продукта реакции было выполнено методом хрома тографии на бумаге с разделительной смесью бутаиол, уксусная ледяная кислота, вода ( 4 : 1 : 5). Экстракцию пятен, обнаружен ных на хроматограмме в ультрафиолете, вели в 0,01 н. НС1 в те чение ночи в холодильнике при 0°. Светопоглощение элюатов из меряли иа спектрофотометре при 260 им. Ниже даны сведения о результатах синтеза аденина из HCN при различном составе инкубационной смесп:
Состав смеси |
мг |
0/ |
|
|
Полная + НС1 |
0,5 |
,О |
|
5,0 |
|||
То же, без глггаы |
0,2 |
2,0 |
|
То же. без глютатиопа |
0,0 |
0,0 |
|
Полная + NI-I.,OH |
0-0,01 |
0-0,1 |
|
Полная -j- НС1 + Na3Sa0.i |
0,0 |
0,0 |
|
(взамен |
глютатиопа) |
|
|
Образование |
адеппиа можно |
было наблюдать уже через 1 час |
инкубации с наибольшим выходом в полной кислой смесп. В отсут ствие глютатпона выход был значительно снижен, как и в отсут ствие глины пли обоих этих ингредиентов.
Кроме пятиа аденппа с Rf 0,5 на хроматограммах присутство вало еще пятно с Rf 0,3, соответствующее положению свидетеля урацпла. Других оснований не было обнаружено (рпс. 8). При хроматографии продукта реакции в некоторых смесях иа хромато граммах выявилось пятно с красной флуоресценцией RC 0,1—0,2, относившееся, по-видимому, к производным порфирина.
Итак, в условиях нашего эксперимента возможен синтез аде нина из тех же исходных веществ, какие применялись другими исследователями для той же цели [190, 191, 193, 205].
Синтез нуклеотидов. В первой части этого исследования выясняли возможность образования нуклеотидов из нуклеозидов и фосфатов. Методика проведения эксперимента в основном не отличалась от вышеописанной и состояла в инкубации смеси реа гирующих веществ в присутствии белой глины и восстановленного глютатиопа при 37 и 80° в течение 20 н 2 час. соответственно. В ин кубационную смесь, содержащую 200 мг глины и 1 мл воды, до бавляли какой-либо из нуклеозидов — аденозин, цитидин, уридин
или гуанозин в |
количестве 50—100 мкмолей, кислый фосфат — |
5 ммолей и глютатион восстановленный — 5—10 ммолей на 1 мл. |
|
После инкубации |
смесь центрифугировали, фильтрат исследовали |
без обработки, осадок элюировали 1 и. NH 4 OIi . Элюат сгущали теплым воздухом до известного объема. Эквивалентные порции
84
п смесях различного состава в процентах от взятого в опыт аденозпна (50—100 мкмоль):
UI |
свидетелей |
Rf продуктов |
Выход |
|
АМФ |
|
синтеза |
||
0,27 |
0,25-0,3 |
2 |
-10 |
|
АДФ |
0,1В |
0,15-0,2 |
0,1 |
- 5 |
АТФ |
0,11 |
0,05-0,12 |
20-80 |
Представленные данные с очевидностью указывают, что в при мененных нами условиях совершается, и подчас весьма интенсив но, фосфорплпроваипе пуклеозида аденозина с образованием моно-,
дн- п трифосфатов. |
Все ли ингредиенты смеси необходимы? Для |
|||
выяснения этого |
были проведены эксперименты |
с выключением |
||
из инкубационной |
смеси |
того или иного вещества |
или с заменой |
|
его другим. Выяснялось, |
что все указанные ингредиенты необхо |
|||
димы и достаточны |
для исследуемого синтеза. |
|
||
Замена К Н 2 Р 0 4 |
на NaJiPOj снижала выход синтезированных |
фосфатов более чем вдвое. В отсутствие глютатиоиа выход снижал ся до 0—5 п 10—15 % при замене глютатиоиа на гидросульфит
натрия в |
эквнмолярном |
соотношении. |
Синтез |
рибонуклеиновой |
кислоты. Синтез полинуклеотидов (по- |
лиурпдиловой н полнцптпдиловой кислот) уже осуществлен в абио генных условиях в бесфермептпой среде, имитирующей, по мнению авторов [86, 2091, предбнологические условия на Земле. Этот син тез был проведен в отсутствие воды с применением в качестве ка тализатора метафосфорпого эфира.
Нами также сделана попытка синтезировать нуклеиновые кис лоты в модельной системе в абиогенных условиях без применения ферментов. Наши условия отличаются от условий, избранных в цитированной выше работе ТПрамма и сотрудников, тем, что син тез проводится в водном растворе, в мягких условиях с примене нием простых и распространенных веществ, которые, без сомне ния, присутствовали на Земле в предбиологический период ее существования.
В качестве исходного материала для этих синтезов были исполь зованы гидролизаты нуклеиновых кислот. Гидролиз дрожжевой нуклеиновой кислоты (венгерской марки Реанал) был проведен в 0,3 и. NaOH (50 мл на 1 г кислоты) в течение 18 час. при 37°. Гпдролизат был нейтрализован 0,3 п. НС1.
В этих условиях щелочного гидролиза рибонуклеиновая кис лота распадается до рибопуклеотидов [2081.
Опытная полная инкубационная смесь содержала нейтральный гпдролизат РНК — 2,5—5 мл, АТФ — 1—10 мг, восстановленный глютатион — 1—10 мг. Ипкубация при 37° продолжалась от 2 до 48 час.
После инкубации и центрифугирования |
производили смывание |
с глины продукта синтеза 0,14 молярным |
раствором NaCl 2—3 |
раза с центрифугированием. Соединенные |
элюаты осаждали двой- |
86