Buch lesen: "Код жизни. Как случайность стала биологией", Seite 14

Подведем краткие итоги. Мы видели, как циановодород можно преобразовать в простые двухуглеродные и трехуглеродные сахара, которые затем стабилизируются реакцией либо с бисульфитом (из вулканического SO₂), либо с 2АТ. Затем цианамид реагирует с этими сахарами и формирует сложную смесь продуктов, из которых один изомер – РАО – спонтанно кристаллизуется из раствора и тем самым образует запас чистого вещества. Далее РАО реагирует сначала с цианацетиленом (полученным из другого кристаллического запаса, CV-DCI), а затем с сероводородом и дает серосодержащий нуклеозид, который преобразуется в нужную форму (аномер) под воздействием ультрафиолетового света. Наконец, дальнейшее ультрафиолетовое облучение в щелочной воде создает смесь биологически релевантных нуклеозидов Ц и У. Общая последовательность схематично изображена на иллюстрации.

Пожалуй, важнейшая особенность такой последовательности экспериментально продемонстрированных реакций состоит в том, что передовые исследования заставляют отказаться от концепции «первичного бульона» в пользу поэтапного процесса, в ходе которого промежуточные продукты стабилизируются в растворе и очищаются кристаллизацией. Эти кристаллические промежуточные продукты, в сущности, органические минералы, могут накапливаться со временем и либо уничтожаются, либо вступают в реакцию на следующем этапе пути.

Возникает очевидный вопрос: какова вероятность, что при правильных условиях все эти реакции произойдут в природе в правильном порядке и дадут окончательный результат – биологический строительный материал? Ответить на этот вопрос, опираясь только на химию, трудно, если вообще возможно. И в самом деле, есть вероятность, что самый трудный, то есть самый медленный, этап зарождения жизни – это и есть производство и накопление запасов нужных компонентов, которые затем должны прореагировать в нужном порядке, чтобы получились биологически релевантные продукты. Внести ясность отчасти помогут астрономические поиски внеземной жизни, если, например, окажется, что жизнь в нашей Галактике – явление нередкое.

Создать два из четырех нуклеозидов РНК, мягко говоря, недостаточно, чтобы сконструировать живую протоклетку. Сам по себе успех создания Ц и У (пиримидиновых нуклеозидов) вызывает вопрос: как же быть с остальными, пуриновыми нуклеозидами А и Г? Было исследовано много новых идей, но ясного ответа пока не видно. Другой важный вопрос – как подсоединить к нуклеозидам фосфат, чтобы получить нуклеотиды, то есть настоящие звенья цепочки РНК. Это другая область, где предстоит еще многого достигнуть. Сложность в том, как прикрепить фосфат к нуклеозиду в нужном месте (это называется фосфорилирование): на сахаре-рибозе три гидроксильные группы (-OH), и в принципе любая из них может быть подвергнута фосфорилированию. Большинство методов, позволяющих добиться нужного фосфорилирования, довольно грубы и неспецифичны, то есть фосфаты добавляются к любой группе или ко всем трем, что дает смесь веществ. В живой материи у нуклеотидов, составляющих РНК и ДНК, фосфат всегда крепится к конкретной – OH группе (торчащей вверх и в сторону от остальной молекулы сахара), но, как ни досадно, с химической точки зрения, по-видимому, проще прицепить фосфаты к двум другим гидроксильным группам, что также приводит к возможности циклизации (образованию циклического рибозофосфата, а именно 2’-3’-цикло-рибозофосфата). Любопытно, что это тот же самый продукт, который образуется при гидролизе РНК. Возможно, такие нуклеотиды или короткие цепочки нуклеотидов с концевым циклическим фосфатом и есть настоящие первичные «кирпичики» РНК, а то фосфорилирование, которое мы наблюдаем в современной биологии, – это более позднее «изобретение» эволюции. Такая идея соответствует тому, что подобные короткие цепочки могут собираться на матрице (когда одна цепочка служит «формой» для другой), чтобы давать более длинные цепочки-продукты.

С другой стороны, низкая скорость и продуктивность таких реакций сборки могут быть с тем же успехом послужить доказательством того, что этот процесс не может участвовать в синтезе РНК. Да, матричное копирование нуклеотидами (или короткими цепочками) с активированным фосфатом в нужной позиции идет гораздо быстрее и продуктивнее. Одна из первых попыток нацелить фосфорилирование на нужную позицию предполагала присутствие бората (соли борной кислоты), которая создает комплексы с остальными двумя гидроксильными группами и не позволяет им подвергнуться фосфорилированию. Это и правда помогает, но недоступность достаточных количеств бората на ранней Земле, где создавались нуклеотиды, делает такую гипотезу очень спорной. Можно ли найти какой-то другой способ произвести фосфорилирование мягче и прицельнее, пока неясно, но поиски такого способа, безусловно, входят в число неотложных задач в рассматриваемой области.

Как мы видели, получение строительного материала для РНК в лаборатории сопряжено с множеством трудностей. Тем не менее дотошность и творческий подход в сочетании с обширной экспериментальной работой позволили преодолеть многие из этих трудностей (но не все). Но это только начало. Прежде чем мы сможем сказать, что поняли, как возникла жизнь, нам нужно получить в ходе экспериментов еще много других компонентов живой клетки.

Приложение. Химические реакции и структуры химических веществ

В этом Приложении приведены схемы химических реакций, показывающие, как из относительно простых исходных материалов собрать кирпичики, из которых состоит РНК, как было описано в тексте.

Как читать схемы химических реакций

Химические структуры принято рисовать в упрощенном виде, расшифровать который поначалу трудно. Однако правила составления таких схем совсем несложны. Черточки – это связи между соседними атомами. Одинарная черточка – одинарная связь, двойная черточка – двойная связь, а тройная черточка – тройная связь. Пока что все очевидно. Немного менее понятно правило, согласно которому атомы углерода редко обозначаются буквой С: считается, что любая точка, где встречаются две связи, – это атом углерода. Что касается атомов водорода, мы их вообще никак не помечаем, и это нормально: всегда можно понять, где находятся атомы водорода, так как атом углерода создает ровно четыре связи. Например, вершина, где встречаются одинарная и двойная черта, – это атом углерода, у которого обозначены три связи, а значит, оставшаяся четвертая подразумевает наличие атома водорода. Иногда это чуть-чуть сложнее, как в случае структуры цианацетилена на первой схеме ниже. Цианацетилен изображен как линейная молекула, поскольку это и правда линейная молекула. Здесь вы видите две тройные связи: вверху молекулы та часть, которая дает «циан» – атом углерода, связанный тройной связью с атомом азота, а внизу – ацетиленовая часть, два атома углерода, связанные тройной связью. Эти две части соединены одинарной связью. Таким образом, три атома углерода в середине молекулы не нарисованы в явном виде, но на них указывают соединения тройных и одинарных связей.

1. Синтез азотистого основания Ц, оно же цитозин

Две молекулы исходных материалов – цианацетилен слева и цианамид справа – состоят из углерода, азота и водорода. Обе реагируют с водой и дают гидратированные производные – цианацетальдегид слева и мочевину справа. Эти два вещества могут соединяться и образовывать цитозин, азотистое основание, входящее в состав нуклеозида цитидина. В овале слева вверху вы видите атомы из цианацетилена, в овале справа внизу – атомы из мочевины.

2. Синтез РАО

Сахар рибоза реагирует с исходным цианамидом и образует главное промежуточное вещество в синтезе нуклеотидов – РАО, рибоаминооксазолин.

3. Синтезα-цитидина

РАО (слева) реагирует с цианацетиленом (справа от РАО) и дает α-ангидроцитидин (в центре), который гидролизуется в воде, и получается α-аномер цитидина (справа).

4. Синтез 2-аминооксазола

Гликольальдегид + цианамид реагируют и дают 2-аминооксазол (2AO).

5. Другой способ получить РАО

Глицеральдегид + 2AO реагируют и дают смесь РАО и ААО, а также другие изомеры, которые на схеме не показаны.

6. Способ получить рибоЦ из араЦ

Ангидро-араЦ с фосфорилированной 3’-OH группой превращается в рибоЦ с 2’-3’-циклическим фосфатом.

7. Синтез гликолонитрила

Две исходные реакционноспособные молекулы, формальдегид и циановодород, реагируют друг с другом и дают гликолонитрил. Много лет эта относительно инертная молекула считалась тупиковым продуктом, которого следует избегать любой ценой.

8. Превращение гликолонитрила в простейший сахар – гликольальдегид

9. Изомеризация сахара глицеральдегида в дигидроксиацетон

10. 2АО и его близкие родственники 2АТ и 2АИ

2АО – это 2-аминооксазол. Азол – это пятичленный цикл, содержащий атом азота (аза-). Оксазол – это пятичленный цикл, содержащий атом азота и атом кислорода, отсюда и название «оксазол».

2АТ – это 2-аминотиазол. Тиазол – это пятичленный цикл, содержащий атом серы (тиа-) и атом азота, отсюда и название «тиазол».

2АИ – это 2-аминоимидазол (или, точнее, 2-амино-1,3-имидазол). Имидазол – это пятичленный цикл, содержащий два атома азота.

11. Синтез CV-DCI

Дицианоимидазол и цианацетилен реагируют и образуют промежуточный продукт CV-DCI, он же циановинил-дицианоимидазол. CV-DCI кристаллизуется в виде плоских кристаллов, и его можно считать стабильной формой хранения или запасом цианацетилена.