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: 98
Скачиваний: 2
8
Жирные кислоты
иглицериды
Жи р н ы е к и с л о т ы . В организме многоуглеродные цепи высших жирных кислот образуются путем конденсации молекул уксусной кислоты. Это было показано в экспериментах с введением белым крысам ацетата, меченного радиоактивным углеродом и дей терием [221]. Молекулы уже существующих в организме жирных кислот с короткими цепями удлиняются таким же путем — присоединением двууглеродных остатков уксусной кислоты — ацетилов. После открытия коэнзима ацетилирования (КоА—SH) были получены доказательства участия его в переносе ацетата с присоединением к жирным кислотам с короткими цепями или к ацетату. Ацетат присоединяется к KoA-SH с образованием ацетил-
КоА. При содействии ферментов ацетил-КоА карбоксилируется, образовавшийся при этом малонпл-КоА путем последователь ной конденсации с ацетилом превращается в пальмитиновую ки
слоту С 1 в Н 3 2 0 2 .
Карбоксилирование (присоединение С02 ) ацетил-КоА проис ходит при участии биотина, АТФ и ионов магния [222]. Таков путь образования жирных кислот в современном организме.
Синтез жира — смеси триглицеридов — в организме соверша ется значительно проще синтеза жирных кислот. Глицерин синте зируется в процессе гликолиза в форме а-глицерофосфата. Эстерификация глицерина происходит при взаимодействии его с КоА, соединенным с соответствующей высшей жирной кислотой — оле иновой, пальмитиновой, стеариновой. Так образуютсятриглицериды трех высших жирных кислот [223].
Вся эта сложная многоступенчатая система синтеза жирных кислот и жира, существующая в современных живых организмах, не была представлена в предбиологическую эру существования Земли, эру преджизни. Вряд ли она могла существовать полностью и в протобионтах. Развитие этой системы в организме —предмет изучения биохимической эволюции.
Но возникающая, рождающаяся, может быть, из вулкани ческого пепла — по Фоксу и В. Н . Флоровской — жизнь поль зовалась органическим субстратом, образовавшимся вне перво бытного организма [36, 81]. Жирные кислоты, жиры, как и угле воды, и белки, и нуклеиновые кислоты, необходимые для организ-
101
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Синтез жирных |
кислот |
|
|
|
||
|
|
|
Выход |
Темпера |
Молеку |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Состав смеси |
|
% |
тура плав |
лярный |
Rf |
Жирные |
кислоты |
||
|
|
|
мг |
ления |
|
вес |
|
|
|
|
Полная |
|
427 |
85,4 |
45-48 |
|
200 |
0,75 |
Лауриновая |
||
Полная |
|
280 |
56,0 |
62 |
|
270 |
0,65 |
Маргариновая |
||
Без |
глютатиопа |
31,5 |
6,3 |
16,5 |
|
144 |
0,95 |
Капрнловая |
||
|
|
|
56,0 |
11,6 |
— |
100-130 |
0,85 |
Валерьяновая |
||
Без |
адсорбента |
|
|
|
|
|
0,95 |
Капроновая, энпи- |
||
|
|
|
|
|
|
товая |
|
|||
Полная -|- биотип |
72,6 |
14,5 |
63 |
256 |
0,71 |
Пальмитиновая |
||||
NaaSsOj |
(взамен |
83 |
16,6 |
52 |
242 |
0,73 |
Поптадецнловая |
|||
глютатпона) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
промывания проточной водой их обрабатывали в течение |
1 мин- |
|||||||||
в 1 н. НС1. В результате такой обработки хроматограмма |
очища. |
|||||||||
лась от |
загрязнений, |
фои становился |
белым, оставались |
лишь |
темные пятна жирных кислот. Разделение жирных кислот в смы вах было выполнено методом фракционирования с мочевиной и другими способами. Температуру плавления и молекулярный вес определяли по общепринятым методам [224, 225].
В первых же опытах вылепилось, что полимеризация уксусной кислоты с образованием жирных кислот большего молекулярного веса происходит уже в смеси, содержащей только адсорбент и уксусную кислоту, но в незначительном количестве. Добавление глютатпона резко повысило выход продукта. Полимеризация в основном происходила на адсорбенте, в элюате которого и содер жался почти весь продукт синтеза.
Можно было ожидать, что продукты синтеза окажутся смесью жирных кислот разной степени полимеризации. Однако продук ты синтеза обычно состояли из одной какой-либо жирной кислоты,
если система для синтеза содержала только основные |
ингредиен |
ты — адсорбент, уксусную кислоту и восстановленный |
глютатион. |
В присутствии добавленного к этой смеси биотина число жирных кислот в продуктах синтеза увеличивалось до 2—3 (табл. 15, рис. 14). Эти закономерности обнарунгались путем хроматографии на бумаге, и благодаря им дальнейшая очистка и идентификация продукта синтеза были облегчены.
Можно предполагать, что в наших условиях полимеризации подвергается какая-то часть добавленной уксусной кислоты, причем процесс идет одновременно с одинаковой скоростью со всеми реагирующими молекулами уксусной кислоты. Разная ста дия полимеризации зависела от продолжительности синтеза. Поэтому в разных пробах одного и того же состава в зависимости
103
от продолжительности и температуры инкубации можно |
ожидать |
||
образования различных жирных |
кислот. |
|
|
В случае полного состава смеси п инкубации при 80° в течение |
|||
2—2,5 час. образуется лауриновая или маргариновая |
кислота |
||
с выходом 85—100%. Отсутствие |
глютатиона в смеси резко |
сни |
|
жает выход до 4—6%, замедляет |
скорость полимеризации, |
кото |
рая завершается за указанный срок образованием каприловой кислоты. В отсутствие адсорбента синтез также резко замедляется, но приводит к образованию нескольких низкомолекулярных жир ных кислот — валерьяновой, капроновой, энантовой. Добавление бпотнна 0,5—1,0 мг к полной смеси вызывает некоторое ускорение реакции, усиление полимеризации с образованием высших жирных кислот — пальмитиновой, стеариновой (рис. 14).
Наконец, можно отметить, что увеличение продолжительности синтеза при 80° до 4 час. и более приводило к образованию продук тов высокой полимерностп с молекулярным весом 720—800.
Добавление АТФ к инкубационной смеси оказалось излишним. В продуктах синтеза были найдены по реакции с КМп0 4 непре дельные жирные кислоты, но в небольших количествах (см.
табл. 15).
Г л и ц е р и д ы. Инкубационная смесь для синтеза глицеридов содержала пальмитиновую кислоту 1,5 ммоль в спиртовом растворе, глицерин 0,5 ммоль, а также глютатион восстановлен ный, аденозпнтрифосфат и адсорбент (амберлит Ира-400) в ука занных количествах. Инкубацпя длплась при 80° 2 часа пли при 37° 24—72 часа.
По окончании опыта анализировали фильтрат и осадок. К филь трату и осадку добавляли раствор. NaHC03 до 5%. Фильтрат затем экстрагировали многократно эфиром. Осадок после добав ления соды промывали много раз водой, подсушивали и экстраги ровали эфиром. Эфирные экстракты снова обрабатывали содой, промывали водой, высушивали. Вещество в сухом виде взвеши вали, определяли температуру плавления. Аликвоты сухих остат ков растворяли в эфире и подвергали хроматографии на бумаге с пропиткой 5%-ным силиконом в разделительной смеси этанол, толуол (4 : 1) или метанол, хлороформ (1:3) .
Далее аликвоты сухих остатков гидролизовали в 0,5 н. КОН. Из гидролизатов после нейтрализации и подкисления выделяли жирные кислоты и хроматографировали на бумаге, как указано выше.
Результаты опытов представлены в табл. 16.
Очевидно, в примененных нами условиях в присутствии гли церина и жирной кислоты образуется смесь трех глицеридов, судя по результатам хроматографии (рис. 15).
Температура плавления синтезированного вещества в одних
опытах была |
близка к температуре плавления |
трппальмитина |
[43е ], в других |
ниже. Следовательно, в продуктах синтеза содер |
|
жались моно-, ди- и трипальмитин в меняющихся |
соотношениях,' |
104
ваипи в присутствии воды в закрытом сосуде легко превращается
в уксусный альдегид и затем |
в уксусную |
кислоту: |
|
4СШ + ЗОз |
2CI-I = |
СН -f 6Н..0 |
|
СН = СН -j- 1-ЬО - |
СШ |
СНз |
.-> СНз |
Для ускорения этого процесса применяются окислы металлов, в особенности окись ртути.
Тот же ацетилен в присутствии газообразного азота под влия нием электрической искры превращается в синильную кислоту:
СН == СН + N2 2HCN .
Условия синтеза уксусной кислоты, как и условия образова ния ацетилена, применяемые в технике, могли существовать иа Земле в предбиологическую эру в каком-то, вероятно, прибли жении.
В ряде работ по синтезу аминокислот из метана, аммиака и воды, воспроизводящему условия предбнологического периода, было констатировано образование низших жирных кислот, в том числе и уксусной [13, 64, 75, 192]. В связи с этим следует сделать вывод о возможных превращениях уксусной кислоты, образовании жирных кислот и нейтрального жира еще до появления живой субстанции или живого существа на земной поверхности.
Уксусная кислота обладает свойствами, в высокой степени спо собствующими конденсации ее молекул. Она имеет высокую реак ционную активность и вместе с тем достаточно устойчива по срав нению с альдегидами. В живых организмах уксусная кислота слу жит для ферментативного синтеза жирных кислот, холестерина и других соединений в форме комбинации с коферментом А, имею щим свободную SH-группу: КоА—SH, обладающую способностью присоединять уксусную кислоту:
СНзСО — S КоА.
Связь между углеродом карбоксила уксусной кислоты и ато мом серы КоА является макроэргической, чем и обусловлена осу ществляемая с ее помощью полимеризация уксусной кислоты в организме. По-видимому, в наших экспериментах адсорбент в при сутствии глютатиона образует комплекс, подобный КоА со сво бодной SH-группой. Возможно, что полимеризация уксусного альдегида на глине с образованием жирных кислот пойдет и без добавления глютатиона достаточно интенсивно.
Известно, что конденсация ацетальдегида с кротоновым аль дегидом с последующим гидрированием и окислением приводит к образованию жирных кислот с четным числом дтомов углерода [100].
106
В предыдущих разделах нами представлен эксперименталь ный материал о синтезе аминокислот, белков, ферментов, нуклеи новых кислот и их предшественников, углеводов, жирных кислот и глицеридов в мягких условиях на частицах взвешенной в водном растворе глины или ионообменных смол.
Эти синтезы можно считать моделью химических процессов, происходивших в предбиологический период на Земле в прибреж ных условиях.
Какова же была дальнейшая судьба синтезированных на части цах глины веществ? Прежде всего надо указать, что на Земле в то время, как теперь на Юпитере, мог присутствовать аммиак в ат мосфере, гидросфере, литосфере, который, возможно, был прекрас ным элюентом для смыва синтезированных на глине веществ.
Кроме того, вполне возможно, что такой смыв не был необхо дим: частицы глины с адсорбированными биополимерами могли служить центрами для организации первичных живых существ — клеток.
9
Абиогенный синтез
ибиосинтез
Впредбиологический период на Земле синтез биологически важ ных веществ в процессе химической эволюции совершался либо спонтанно за счет сил химического взаимодействия или путем аутокатаяиза, либо с использованием внешней энергии и экзо генных катализаторов. В биологический период синтез нужных организму веществ стал прерогативой самих организмов, в кото рых возникли ферментативные системы, источники и переносчики внутренней энергии. Внешний абиогенный синтез в период биоло гической эволюции был заменен внутренним синтезом, биосинте зом, биогенезом.
А.И. Опарин утверждает, что синтезированные в добиологический период полипептпды и полинуклеотиды послужили для образования первичных преджизненных образований — коацерватов, в которых и происходило дальнейшее совершенствование биополимеров, организация ферментных систем, субклеточных частиц и т. д. По его мнению, высокоорганизованные белки и ферменты не могли синтезироваться в «первичном супе» [11, 226, 227].
В связи с этими замечаниями возникает вопрос, существовала ли какая-то степень преемственности между способом синтеза и стрз^ктурой синтезированных органических микромолекул и поли меров в добиологический период и структурой тех же веществ и способом их синтеза в первичных живых существах? Имеется ли преемственность между хемогенезом и биогенезом? Или, наобо рот, между ними существует неодолимый разрыв, глубокая про пасть?
Существует точка зрения о приложимости биогенетического закона Мюллера — Геккеля к общему процессу эволюции, вклю чающему и хемогенез, и биогенез [227]. Некоторые исследователи [81, 82, 228] убеждены, что современные биохимические синтезы повторяют пути абиогенетических реакций. Однако никаких более основательных соображений и данных по этому вопросу не суще ствует.
Ниже сделана попытка начертать некоторые параллели, сопо ставив предполагаемые пути абиогенеза важнейших биологических соединений с процессами современного их биогенеза,
108