[Химия ғажабы] Өмiр синтезi

[Химия ғажабы] Өмiр синтезi

Кiрiспе

Химияға қызыға бастасаңыз, сiз жақын арада бұл ғылымның өмiрлiк маңызды процесстердiң механизмдерiн бiршама iргелi деңгейде сиппаттай алатынын көресiз.

Мысалы, химияны үйрену арқылы сiз, айталық, Notch signaling pathway деп аталатын клеткалар арасында белгiлер берудiң ең кең тараған жолы туралы бiле аласыз. Бұл жол оқу процесi мен есте сақтау қызметiнде маңызды рөл ойнайды. Бұл жолсыз өмiрдiң мүмкiн емес десек, артық айтқан болмаймыз.

Оған қоса, сiз арнайы рецептормен байланысатын пептидтiң гидролизi (сумен реакциясы) бұл процестiң маңызды кезеңдерiнiң бiрi болып табылатынын бiле аласыз. Сiз сондай-ақ гидролиздiң ең кең таралған ферменттердiң бiрi серин протеазасымен өршiтiлетiнiн де бiле аласыз. Егер бұл аз десеңiз, сiз осы протеазаның iшiне үңiлiп, әрбiр электронның қозғалысын көрсете аласыз: 102-орындағы аспартатпен үйлестiрiлетiн 57-орындағы гистидин серин протонын 195-орыннан ажыратады да өз кезегiнде пептидтiң карбонильдi тобын шабуылдайды.

Сурет 3.54 – Пептидтiң (оң жақ шетте) карбонильдi тобын (көк түспен белгiленген) серин протеазасының белсендi ортасында шабуылдау механизмi. Asp – аспартат, His – гистидин, Ser – серин. Индекстер ақуыздағы орнын көрсетедi.

Ух, мiне, саяхат! Биохимия өзiнiң шегiне жетiп, барлығы зерттелiп қойған сияқты, ары қарай не болмақ? Бiрақ, ойлап қараса, алдымызда тауық пен жұмыртқа дилеммасының классикалық мысалы пайда болады: өмiр қызметi (тауық) үшiн бiзге Notch pathway керек, ал оған серин протеазалары (жұмыртқа) керек. Бiрақ серин протеазалары қайдан пайда болды?

Сурет 3.55 – Молекулалы биологияның орталық догмасы: ДНҚ түрiндегi генетикалық материал репликация кезiнде көшiрiлiп транскрипция кезiнде мРНҚ-ға айналады. Кейiннен, трансляция кезiнде, мРНҚ-дан ақуыз синтезi жүредi. СС-BY-SA 4.0

Егер үстiрт ойласа, жауап беруге болады: протеазалар оларды кодтайтын геннен пайда болды. Бiрақ бұл ген қалай пайда болды. Басқаша айтқанда, өмiрдiң алғашқы формасы қалай пайда болды?

Мұндай сұрақтарды жиi қоя берсе, бiздiң тұжырымдамалық түсiнiгiмiзде Жердiң пребиотикалық (өмiр пайда болғанға дейiнгi) химиялық құрамы мен күрделi молекулалардың қазiргi жиынтығының арасында үлкен ойық барын аңғаруға болады. Дәл сондай ойық қалай бiрлiктер мен нөлдердiң күрделi компьютерлiк тапсырмаларға айналатынын түсiнуде пайда болады. Бiрақ мұндай аналогияның оң тұстары да бар: егер тақырыпқа тереңдеп үңiлсе, компьютерлiк процесстердiң жұмысын фундаменталды электрлiк сигналдар деңгейiнде түсiндiруге болатынын нақты бiлемiз. Тура солай химия да Жердегi өмiрдiң пайда болуын түсiндiре алады. Тек бiр ғана iлмек: бiз атмосфераның бастапқы құрамына сенiмдi емеспiз, компьютер құрылғысынан айырмашылығы, бiзде ешқандай нұсқаулық жоқ. Бұл дегенiмiз, бiздiң алдымызда ашылмаған жұмыс бар!

№7 iс: Өмiрдi қалыптастыру кезiнде күрделi органикалық құрылымдардың туындауы

Жай сөзбен айтқанда, бiзге өмiр синтезiнiң мағынасын ашу керек!

Сутектi бомбадан өмiр көзiне дейiн

Сiрә, пребиотикалық химияны (өмiр пайда болғанға дейiнгi химиялық процесстер) зерттеуге ең күштi түрткiлердiң бiрi Миллер-Юри тәжiрибесi болған шығар. Лирикалық шегiнiс жасап, тәжiрибе авторлары туралы қысқаша айта кетуге рұқсат етiңiздер.

1951 жылы жас Стэнли Миллер, Берлидегi Калифорния универститетiнiң бакалавр түлегi, өзiнiң докторлық диссертациясына тақырып таңдауда басы қатады. Зерттеу жұмысына, оны қажытатын iс деп есептеп, құлшыныссыз, Ян-Теллер эффектiсiн сипаттаған, бiрақ көпшiлiкке сутегi бомбасының атасы ретiнде белгiлi физик-теоретик, Эдвард Теллермен бiрге жұмыс iстеудi жоспарлап, Чикаго университетiне барады. Алайда докторантураның барлық студенттерiне өздерiнiң ғылыми жетекшiлерiнен бөлек, басқа проофессорлардың семминарларына қатысу керек болды. Содан бiр күнi Миллер Нобель сыйлығының лауреаты Гарольд Юридiң (1934 жылы дейтерийдi ашқан, атом бомбасымен жұмыс жасаған) семинарына тап болады. Юри күн жүйесiнiң пайда болуы туралы айтады және сол кезде тым тотықсыздандырғыш деп саналған Жердегi алғашқы атмосфера жағдайындағы органикалық синтездiң мүмкiндiктерi жайлы талқылайды. Бұл семинар Миллердi қатты шабыттандырды, және оның ұстазы, Теллер, сутегi бомбасымен жұмысқа кiрiсу үшiн Чикагодан кетуге жиналғанда, Миллер Юриге пребиотикалық синтез жобасымен жұмыс iстеуге ұсыныс жасауға шешiм қабылдайды. Алғашында Юри күмәнмен қарады – мүмкiн болатын пребиотикалық синтездi көрсететiн бiрде бiр сәттi тәжiрибе болмады.

«Тотықсыздандырушы» атмосфера дегенде, бiз тотықсыздандырғыштардың – басқа қосылыстарды тотықсыздандыра алатын химиялық қосылыстардың – бар болуын меңзеймiз.

Мәселе неде? Пребиотикалық синтез деген не?

Пребиотикалық синтез – бұл өмiр пайда болғанға дейiн жүрген реакциялардың жиынтығы. Нелiктен бұл қызық? Өзiңiз ойлап қараңыз: бастапқыда Жер планетасында тек қарапайым молекулалар – су (\(H_2O\)), метан (\(CH_4\)), аммиак (\(NH_3\)) және сутек (\(H_2\)). болды. Бұл молекулалардың пайда болуын таза кездейсоқтық және комбинаторикамен түсiндiруге болады: ойлаңызшы, миллиардтаған жылдар iшiнде жұлдызаралық кеңiстiкте екi-үш атом кездесiптi, тылсым дейтiн ештеңесi жоқ.

Сурет 3.56 – Пребиотикалық синтез мәселесi (өмiр синтезi). CC-BY-SA 4.0

Бiрақ күрделiлек молекулалардың түзiлуiн қалай түсiндiруге болады? Мысалы, өмiрдiң құрылымдық негiзi болып табылатын, амин қышқылдарының? Қарапайым глицин аминқышқылдарын түзу үшiн 10 түрлi атомның белгiлi бiр тәртiпте қақтығысу ықтималдылығы өте төмен болғандықтан, бұл жағдайда комбинаторика көмектеспейдi. Бүгiнде аминқышқылдары жануарлар мен өсiмдiктердiң ағзасында ферменттердiң көмегiмен синтезделедi. Алайда ферменттер де ақуыздар, ал ақуыздар аминқышқылдарынан тұрады. Басқа сөзбен айтқанда, аминқышқылдарын жасау үшiн бiзге аминқышқылдары қажет! Және, мiне, бiз қайта өзiндiк «тауық пен жұмыртқа», бiрақ ақуыз бен аминқышқылы тұйық циклiн аламыз.

Миллер-Юри тәжiрибесiне дейiн алғашқы аминқышқалдарының қалай түзiлгенiн ешкiм бiлмедi. Ал бұл, негiзiнде, өмiрдiң пайда болу тарихының iргетасы!

Миллер-Юри тәжiрибесi

Пребиотикалық синтез тәжiрибесi өте қарапайым болды. Су, метан, аммиак және сутегi стерильдi бес литрлiк шыны колбаның iшiне жабылады. Бұл колба жартылай суға толған 500-миллилитрлiк колбаға жалғанған. Кiшi колбадағы су буланғанға дейiн қыздырылды да, бу үлкен колбаға өтiп, сондағы молекулалармен араласып, кәдiмгi атмосфераға ұқсайтын қоспа түздi. Сондай-ақ бұл колбаға электр зарядын тудыратын электродтар енгiзiлдi – жайын иммитациясы. Бiрнеше разрядтан соң қоспа суып, қайта кiшi колбаға түстi. Осындай циклдi бiр күн қайталағаннан кейiн-ақ ерiтiндi мөлдiр түстен қызғылт түске ауысты, ал бiр аптадан соң бұлдыр қызыл түс болды.

Сурет 3.57 – Миллер-Юри экспериментiндегi қондырғы. wiki-дiң суретi (CC-BY-SA 3.0)

Жүйенi салқындатып, микробтардың көбеюiнiң алдын алу үшiн бұлдыр қызыл түстi ерiтiндiге сынап хлоридiн қосты. Ерiтiндi құрамына қағазды хроматография көмегiмен талдау жасады. Нәтиже таңқаларлық болды: ерiтiндiден глицин аминқышқылдары, альфа және бета аланин табылды. Одан бөлек, басқа да аминқышқылдарының, аспартам қышқылы мен альфа -аминобутан қышқылының бар екендiгiне болжам жасалынды.

Тәжiрибе химияның бүтiн бiр тарауының негiзiн қалады. 1961 жылы Joan Oró, РНҚ мен ДНҚ-нiң нуклеотидтiк негiздерiнiң бiрi адениннiң аммиак пен Миллер-Юри тәжiрибесi жағдайында метан мен аммиактан түзiле алатын цианосутек қышқылының (HCN) ерiтiндiсiнен табиғи түзiлу мүмкiндiгiн тапты.

Сурет 3.58 – Миллер-Юри тәжiрибесi

Бастапқы молекулаларға (сол жақта) және қарапайым тәжiрибелерiң нәтижесiнде алынатын молекулаларға (оң жақта) тағы бiр рет қарап көрудi ұсынамын. Сиқырдан қандай айырмашылығы бар? (Спойлер: химияны, сиқырға қарағанда түсiнуге болады!)

Уақыт өте келе, алғашқы атмосфера МиллерЮри тәжiрибесiндегiдей (тотықсыздандырғыштар ретiнде онда \(NH_3\) пен \(H_2\) болды) тотықсыздандырушы болмады деген жанама дәлелдер пайда бола бастады. Мысалы, бiз, 4 миллиард жыл бұрын үлкен жанартаулық атқылаулар кезiнде атмосфераға көмiрқышқыл газы \(CO_2\), азот \(N_2\), күкiртсутек \(H_2S\) және күкірт диоксиді бөлiнуi мүмкiн екенiн сенiммен айта аламыз. Сiз сұрақ қоюыңыз мүмкiн: ал егер осы қосылыстарды Миллер-Юри тәжiрибесiне реагент ретiнде қосса не болады? Жауап өте қызық: одан да көп аминқышқылдарын аламыз!

Соған қарамастан алғашқы атмосфераның құрамы әлi күнге дейiн анықталмаған болып қалады. 2005 жылы Ватерлоо мен Колорадо университеттерiндегi теоретикалық есептеулер 7 атмосфераның тотықсыздандырғыштық сипатының тағы бiр дәлелi атмосферада 40% дейiн сутегi бола алатынын көрсеттi. Қалай болғанда да түрлi реагенттермен әртүрлi тәжiрибелер жасалынып, нәтижесiнде көмiрқышқыл газы, улы газ және азоттың газдық қоспасы шамамен метан мен аммиактың қоспасындағыдай органикалық молекулаларды беретiнi анықталды. Жалғыз шарт – оттектiң жоқтығы. Миллердiң өзi 1996 жылы түйiндегендей: «Егер 4 газдың қоспасын алып, электр зарядымен әрекеттестiрсек, бiз 20 [протогендi] аминқышқылыныiң 11-iн ала аламыз».

Ұмыт болған тәжiрибе

2007 жылы 20 мамырда Миллер қайтыс болғанан кейiн оның оқушысы Джеффри Баданың жетекшiлiгiндегi зертхана iшiнде құрғақ заттары бар желiмденген сауыттардың толық қатарын тапты. Таңбаны зерхана журналымен тексергенде, бұл шынылар 1953 − 1954 жылдармен белгiленген және Миллердiң Чикаго университетiндегi тәжiрибелермен тiкелей байланысты болып шықты. Сол тәжiрибелерде үш түрлi пiшiн үйлесiмi қолданылған: олардың бiрi тура Миллердiң түпнұсқа тәжiрибесiндегiдей болды. Басқа бiреуiнде жiңiшке келген саптама қолданылған, сол арқылы қысым астында бу мен газдарды (\(CH_4\), \(H_2\), \(NH_3\)) қосылысы жiберiлдi. Шыққан қоспа электр ұшқынының әрекетiне ұшырады. Бұл құрылғы жанартау аттқылауы кезiндегi жайын разрядын келтiргендiктен, мұндай орнатылым Баданың тобын қызықтырды.

Volcanic lighting деп аталатын, жанартау атқылауы кезiндегi найзағай разрядының суреттерiне қарауды қатты ұсынамын. Сiрә, дәл осындай жағдайларда өмiр пайда болған болуы керек.

Бұл құрылғымен тәжiрибеде Миллер 5 аминқышқылын тапқан. Баданың зерттеушi тобы сауыттардың iшiндегiнi қайта ерiтiп, субпикомолярлы концентрлi, яғни \(<10^{-12}\) M. заттарды анықтауға мүмкiндiк беретiн ультрадәл масспектрометр мен хроматографияның нақтырақ әдiстерiнiң көмегiмен тексердi. Соңында ғалымдар 22 аминқышқылы мен бес аминды тапты, олардың көбi бұрын Миллермен ашылмаған болатын!

Сонау 50-жылдардың өзiнде Миллер ашқан аминқышқылдарының тек кейбiреуi мыналар: глицин, аланин, серин, ГАБА (гамма-аминобутан қышқылы), аспартам қышқылы, валин, изовалин, глутам қышқылы, фенилаланин, гомосерин, бетагидроксиаспартам қышқылы. Шынымен де үлкен тiзiм!

Айта кететiнi, бұл тәжiрибеде гидроксо тобы бар аминқышлдарының үлкен саны табылды. Бәлкiм, электр разрядының әрекетiндегi газ буы қосылысында OH• гидроксо-радикалдары пайда болған шығар.

Геолог-тарихшылар алғашқы атмосфера Миллер тәжiрибесiндегiдей тотықсыздандырғыш болғанына күмән келтiрсе де, жанартау атқылауын бейнелейтiн осы тәжiрибе пребиотикалық синтездiң жергiлiктi нүктелерiн жүзеге асыра алғандарын көрсетедi. Жанартау әрекетi нәтижесiнде түзiлген аминқышқылдары вулкандық аралдарға шоғырланып, кейiн жеткiлiктi жайлы жағдайларда карбонил сульфидiнiң (\(S=C=O\)) әсерiнен алғашқы пептидтерге полимерленулерi мүмкiн!

Бiраз химия туралы сөйлесейiк

Химияның басты ғажабы оның тереңдiгiнде! Химияны үйрену арқылы бiз iстiң беткi сипаттамасымен ғана қанағаттанып қоймаймыз, негiзгi реакцияларға дейiн де жете аламыз. Қане, өмiрдiң туындауына қажеттi химиялық реакцияны қайта құрып көрейiк!

Бастапқыда бейорганикалық газдар келесi реакцияларға қатыса алады:

\[CO_2 \rightarrow CO + [O]\]

\([O]\) белгiсiмен бiз атомдық оттектi белгiлеймiз. Айтпақшы, ол алдағы формальдегид түзетiн реакцияларға қатыса алады

\[CH_4 + 2[O] \rightarrow CH_2O + H_2O\]

Формальдегидке әлi ораламыз, бiзге гидроциан қышқылын алу қалды. Бiз оны екi түрлi жолмен ала аламыз:

\[ CO + NH_3 \rightarrow HCN + H_2O\]
\[ CH_4 + NH_3 \rightarrow HCN + 3 H_2 \]

Бiз ендi аминқышқылын ала аламыз! Ендi, шамамен:

\[ CH_2O + HCN + NH_3 \rightarrow NH_2-CH_2-CN + H_2O \]

Нитрил гидролизi қалды:

[ NH_2-CH_2-CN + 2H_2O \rightarrow NH_3 + NH_2-CH_2-COOH \]

Соңғысы глициннiң өзi! Глицин ағзаның байланыстырушы тiндерiнiң (сiңiрлер, шемiршектер, сүйектер) негiзгi ақуызы – коллагеннiң шамамен 30%- ын құрайды, ал коллагеннiң өзi ағзадағы барлық ақуыздың 25% – 45% -ына дейiн құрайды.

Бiрақ бұл ғана емес! Осы реакциялардың барысында бiзге сәл кейiн керек болатын бiршама реактивтi қосылыстар (ацетилен, цианоацетилен) түзiлуi мүмкiн.

Бұлармен қатар, бiз сондай-ақ формальегид \(CH_2O\). алдық. Неге ол сондай маңызды? Себебi тек формальдегид пен судың көмегiмен ғана гликоль қышқылынан бастап рибозаға дейiн сан алуан қантты алуға болады! Ал рибоза – рибонуклеин қышқылының құрамдас бөлiгi.

Бiраз РНҚ туралы

Барлық генетикалық ақпараттар ДНҚ-да сақталады, ал гендердi iске асыру, оқу, кодтау және реттеу үшiн тiрi ағзалар рибонуклеин қышқылдарын (РНҚ) қолданады. Өмiрдiң пайда болуы туралы сөз болғанда көптеген ғалымдар РНҚ молекуласы қарапайым, екi емес бiр тiзбектен тұрғандықтан РНҚ-ны ДНҚ-тан бұрын пайда болған деп есептедi.

Оған қоса, ұзақ уақыт бойы өмiрдiң туындауына екi компонент: РНҚ (генетикалық ақпараттарды беру үшiн) және ақуыздар (РНҚ репликацияларының, яғни көшiрмесiн жасауды өршiту үшiн) қажет деп саналды.

Сурет 3.59 – “Hummerhead” типiндегi Рибоизм. Суретте U нуклеотидтер қызылсары, C – қызғылт, G – сары, A – жасыл түстермен көрсетiлген. Көгiлдiрмен нуклеотидтiк емес бөлiктер белгiленген. Кескiн PDB 3ZD5 негiзiнде құрылған. CC-BY-SA 4.0.

Сiздер бәлкiм мектепте «Барлық ферменттер – ақуыздар, бiрақ барлық ақуыздар ферменттер емес» деген тiркестi естiген боларсыздар. Бiздiң ұзақ уақыт бойы ақуыздардың өршiткiш қабiлеттерiн бiлуiмiз тектен емес. Алайда 1986 жылы 31 қаңтарда Science журналында Томас Чектiң, бiздiң ферменттер туралы және бүкiл әлем туралы да көзқарасымызды мәңгiге өзгерткен “The intervening sequence RNA of Tetrahymena is an enzyme” атты мақаласы шығады. Мәселе Tetrahymena thermopila инфузориясында аралық тiзбектi кесу нәтижесiнде инфузориясында аралық тiзбектi кесу нәтижесiнле (IVS) рибосомалық РНҚ пайда болатын үлкен РНҚ молекуласының бар екендiгiнде. Бұл IVS нәтижесiнде кейбiр олигорибонуклеотидтердi минутына 2 молекула жылдамдықпен гидролиздей алатын циклдi молекулалар түзе отырып, өздiгiнен кейбiр фрагменттердi кесе алатын болып шықты. Бұл әрине сондай әсерлi жылдамдық емес, бiрақ РНҚ табиғи гидролизiнен бiрнеше есе тезiрек, сонымен қатар ДНҚ-ның restriction enzymes қатысуындағы гидролизiнiң жылдамдығына ұқсас. Бұл табыс үшiн РНҚ-ның басқа ағзалардағы өршiткiш қабiлеттерiн тәуелсiз ашқан Чек және Олтмен 1989 жылы химия бойынша Нобель сыйлығын иелендi. Алда адамзат осындай РНҚферменттер немесе рибозималардың (ағылшын тiлiнен ribosome+enzyme сөздерiнен) әлi талай мысалын табады.

Үш-ақ апта өтiсiмен ДНҚ тiзбектемелеуiнiң авторы, 1980 жылы химиядан Нобель сыйлығын алған Уолтер Гилберт РНҚ-дан құралған әлем бар деген жорамалды алға тартады:

«Өзiндiк синтезiн өршiтетiн тек қана РНҚдан тұратын әлемнiң бар екенiн елестетуге болады» ( “One can contemplate an RNA world, containing only RNA molecules that serve to catalyze the synthesis of themselves”)

Гилберт егер интрон (генетикалық ақпараттарды тасымалдамайтын нуклеотидтердiң аралық тiзбегi) өзбетiнше өзiн РНҚ молекуласынан кесiп ала алса, онда бұл процесс керi де болуы керек, демек, интрон қайта РНҚ молекуласына орналаса алады деп болжады. Мұндай жағдайда араларында экзон (генетикалық ақпараттар тасымалдайтын нуклеотидтер тiзбегi) бар екi интрон өздерiн ажыратып алып, экзонды өзiмен тасымалдай басқа РНҚ молекуласына орналастыра алады. Басқаша айтқанда, РНҚ-да кенеттен күштi эволюция қозғалтқышына – рекомбинацияға немесе гендердiң жаңа комбинацияларын құруға мүмкiндiктерi пайда болады.

Сурет 3.60 – wiki бейiмделген (CC-BY-SA 4.0) 

Мұндай секiргiш элементтердiң (транспозондар) басты қызметi генетикалық материалды бiр ағзадан екiншi ағзаға жеткiзу болғандықан, олар жынысты көбеюдiң баламасын тудырады. Гилберт, ондай жағдайда ақпараттық молекулалар мен функционалды молекулалардың арасында өте пайдалы аражiк пайда болатынын байқады. Ақпарат сақтаушы молекулалар репликация процессiн тездету үшiн өте қарапайым (бiрөлшемдi) болулары керек. Ал белгiлi бiр функцияларды атқаратын молекулалар (рибозималар) нақты үшөлшемдi құрылымға ие болулары керек. Гилберт мұндай молекулалардың айырмашылығы жаңағы ақпараттық молекулаларда болатын, бiрақ функционалды молекулаларды жасағанда өздiгiнен кесiлiп қалған интрондардың баржоғында жатуы мүмкiн деп ойлады.

Бәлкiм, эволюцияның алғашқы кезеңдерiнде РНҚ молекулалары барлық жаңа, әртүрлi молекулаларды жинай отырып, каталитикалық қызметтердi атқарған болар. РНҚ құра алатын NAD немесе FMN молекула спектрлерi тәрiздi кофакторлардың пайда болуымен кеңейiп, бәлкiм ақуыз синтезi мүмкiн болған кезеңге дейiн жеткен шығар. Уақыт өте келе РНҚ-дан әсерлiрек ақуыз-катализаторлар шықты, сондықтан оларды ферменттер рөлiнде аламастырды. Ақыры ақпараттық молекула рөлiндегi РНҚ-ны ауыстырған ДНҚ молекулалары пайда болды, себебi ДНҚ қауiпсiз: бiр тiзбектегi қателiк, екiншi тiзбектегi ақпаратты ескере отырып оңай түзетiле алады. Бүгiндегi сол рекомбинантты РНҚ дәуiрiнiң басты өкiлдерi қазiргi ДНҚ молекулаларында кездесетiн сол интрондар мен экзондар болуы мүмкiн.

Мiне, бiз өмiрдi алдық! Бiрақ жауап берiлмеген бiр сауал қалды: қалай бiз РНҚ-ны бейорганикалық молекуладан ала аламыз? Бұның алдында бiз рибоза алуға мүмкiндiк беретiн механизмдi көрдiк. Бiрақ, РНҚ-ның мономерлi бiрлiгi ретiнде белгiлi, рибонуклеотид үш негiзгi компоненттен тұрады: фосфат (бейорганикалық қосылыс), рибоза мен азотты негiз. Рибонуклеотид үшiн қалған компоненттердi қалай алуға болады?

Рибонуклеотидтер жасаймыз

Бiр қызығы, рибонуклеотид алу ұзақ уақыт бойы пребиотикалық химиямен айналысатын ғалымдардың басты мәселесi болды. РНҚ әлемi туралы болжам сондай қызықты болды, бiрақ сол қалпы нуклеотидтiң қалай түзiлуi мүмкiн екендiгiн ешкiм түсiндiре алмады. Нуклеотидтердiң рибоза мен азотты негiзге әдеттегi бөлiнуiне сүйене отырып, химиктер рибонуклеотидтердiң синтезiн үш кезеңге жiктедi:

  1. Рибоза синтезi
  2. Азотты негiз синтезi
  3. Бiрiншi және екiншi кезеңдегi өнiмдердiң қосылуы

Ғалымдар алғашқы екi кезеңдi жүзеге асыра алды, алайда үшiншi кезең оларды тығырыққа тiредi.

Солай 2009 жылға дейiн болды. 2009 жылы Джон Сазерлендтiң зерттеу тобы Миллер-Юри тәжiрибесiндегiдей процесс нәтижесiнде түзiле алатын қосылыстардан цитидиннiң (төрт рибонуклеотидтiң бiрi) арғы тегiнiң түзiлу механизмiн жариялады.

Сурет 3.61 – Адаптировано с Powner MW, Gerland B, Sutherland JD. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature. 2009 May 14;459(7244):239-42. doi: 10.1038/nature08013. PMID: 19444213 

Жай ғана барлығы қандай қарапайым молекулалардан басталып, соңында неге келгенiмiзге қараңыз. Кезектi мәрте химия сиқырға ұқсас ғылым екенiне көз жеткiзуге болады. Сазерленд синтезiнiң алдыңғыларынан айырмашылығы ол рибоза мен азотты негiздi бiр уақытта синтездеудiң амалын тапты, соның салдарынан азотты негiз бен рибозаға айналатын бөлiктердiң қосылу процесi ең алғашқы кезеңде болады.

Қорытынды

Сонымен ең соңында бiз не аламыз? Бiз өмiрдi құрудың химиялық реакцияларын жазып шықтық!

Тiзбектi қайта қалпына келтiрейiк: Миллер-Юри тәжiрибелерi қарапайым бейорганикалық молекулалардан (метан, сутек, су, аммиак) органикалық молекулалар, оның iшiнде, формальдегид, аминонитрил, гидроксиэтаналь мен аминқышқылдары пайда бола алатынын көреттi. Сазерленд сызбасы бойынша формальдегид, аминонитрил, гидроксиэтаналь мен аминқышқылдарынан рибонуклеотидтер алуға болады. Олардан бiз РНҚ жасай аламыз. Чек пен Олтманның тәжiрибелерiнiң арқасында бiз рибонуклеин қышқылдары (РНҚ) химиялық реакцияларды өршiте алатынын бiлдiк. Гилберт эссесiнiң көмегiмен бiз тек РНҚ молекулаларынан тұратын әлемдi елестеттiк, онда молекулалардың бiр бөлiгi генетикалық ақпаратты сақтайды, ал екiншiсi күрделi молекулалардың құрылуын катализдейдi.

Ал ең бастысы – жұмбақ №7-iс ашылды! Бiз протеазалардың қайдан шыққанын түсiнгiмiз келдi, егер олардың синтезi үшiн протеаза синтезiне қажеттi гендер мен ферменттiк ақуыздары бар тiрi ағза қажет болса. Бiз РНҚ молекулаларының гендердiң рөлiн атқара алатындығын, ал ферменттiк ақуыздардың орнына бiз шығу тегiн қарастырған РНҚ-ны қолдануға болатындығын анықтай алдық.

Өмiр «синтезiнiң» барлық механизмi осы.

Химияға тереңдеп үңiлген сайын, сiз бұл мақалада сипатталған реагенттер мен реакция өнiмдерiн ғана емес, сондай-ақ олардың барлық механизмдерiн де түсiне алатыныңызды ескерген жөн. Сiз тiптi әр электронның қимылын көрсете аласыз! Сiздiң алдыңызда кез келген қиындығы ғаламның ең ғаламат құпияларын – өмiрдiң пайда болу сырын ашудың кiшiгiрiм ақысы ғана болып табылатын қызықты әлем ашылады. Химияның бүкiл ғажабы да осында.

Аударған: Арайлым Талғатқызы | IQanat’2017