[Прелесть химии] Синтез жизни

[Прелесть химии] Синтез жизни
Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть химии":
Строительные блоки материи
Зачем учить физхимию?
Неорганическая химия
Органическая химия
Полимеры
Чистый воздух
Химия и медицина: химическое оружие, аспирин и плесень

Введение

Начав увлекаться химией, вы в скором времени обнаружите, что эта наука способна описать на довольно фундаментальном уровне механизмы жизненно важных процессов.

Например, изучая химию, вы можете узнать про, пожалуй, самый распространенный путь передачи сигналов между клетками: так называемый Notch signaling pathway. Этот путь играет важную роль в правильном функционировании памяти и процессе обучения. Без преувеличений можно сказать, что без этого пути жизнь невозможна.

Более того, вы сможете узнать, что одной из ключевых стадий этого процесса является гидролиз (реакция с водой) пептида, который связывается со специальным рецептором. Вы также можете узнать, что гидролиз катализируется сериновой протеазой – одним из самых распространенных ферментов. Если вам этого будет мало, вы сможете заглянуть внутрь этой самой протеазы и показать движение каждого электрона: гистидин в \(57\) положении, координируемый аспартатом в \(102\) положении, отщепляет протон серина из \(195\) положения, который в свою очередь атакует карбонильную группу пептида.

Механизм атаки карбонильной группы (выделена синим) пептида (крайний справа) в активном центре сериновой протеазы. Asp – аспартат, His – гистидин, Ser – серин. Индексы показывают положение в белке.

Ух, ну и путешествие! Казалось бы, биохимия достигла своего предела, все уже изучено, что дальше? Однако, если задуматься, то перед нами предстает классический пример дилеммы курицы и яйца: для функционирования жизни (курица) нам нужен Notch pathway, для которого нужны сериновые протеазы (яйцо). Но откуда взялись сами сериновые протеазы?

Центральная догма молекулярной биологии: генетический материал в виде ДНК копируется в процессе репликации и превращается в мРНК в процессе транскрипции. В последующем, из мРНК происходит синтез белков в процессе трансляции. СС-BY-SA 4.0

Если подумать поверхностно, можно ответить: протеазы взялись из гена, который их кодирует! Но — как получился этот ген? Иными словами, как появилась первая форма жизни?

Если почаще задаваться такими вопросами, можно осознать, что в нашем концептуальном понимании между пребиотическим (до появления жизни) химическим составом Земли и текущим набором сложнейших молекул существует огромная дыра. Такая же дыра возникает в понимании того, как единицы и нолики трансформируются в сложнейшие компьютерные задачи. Однако в такой аналогии есть и положительная сторона: мы точно знаем, что если достаточно углубиться в тему, можно объяснить работу компьютерных процессов на уровне фундаментальных электрических сигналов. Точно так же химия может объяснить возникновение жизни на Земле. С одной лишь загвоздкой: мы не уверены в начальном составе атмосферы и, в отличие от устройства компьютера, у нас нет никаких инструкций. Это значит, что перед нами нераскрытое дело!

Дело №\(7\): Возникновение сложных органических структур во время формирования жизни.

Проще говоря, нам нужно расшифровать синтез жизни!

От водородной бомбы до источника жизни

Пожалуй, одним из сильнейших толчков для изучения пребиотической химии (химических процессов до появления жизни) стал эксперимент Миллера-Юри. Разрешите сделать лирическое отступление и кратко рассказать об авторах эксперимента.

В \(1951\) году юный Стэнли Миллер, выпускник бакалавриата Калифорнийского университета в Беркли, ломает голову над выбором темы для своей докторской диссертации. Не питая страсти к экспериментальной работе и считая ее изнурительной, он едет в Чикагский университет, планируя поработать там с физиком-теоретиком Эдвардом Теллером, описавшим эффект Яна-Теллера, но известным широким массам больше как отец водородной бомбы. Однако всем студентам докторантуры необходимо посещать семинары самых разных профессоров, помимо своих научных руководителей. И вот в один день Миллер попадает на семинар лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри (открыл дейтерий в \(1934\) году, работал над атомной бомбой). Юри рассказывает о возникновении солнечной системы и дискутирует о возможности органического синтеза в условиях первоначальной атмосферы Земли, которая на тот момент считалась крайне восстановительной. Этот семинар сильно вдохновил Миллера, и, когда его наставник Теллер собирался уезжать из Чикаго, чтобы присоединиться к работе над водородной бомбой, Миллер решается предложить Юри поработать над проектом пребиотического синтеза. Изначально Юри отнесся крайне скептически — не было ни одного успешного опыта, демонстрирующего возможный пребиотический синтез.

Когда мы говорим «восстановительная» атмосфера, мы подразумеваем наличие восстановителей – химических соединений, способных восстанавливать другие соединения.

А в чем же проблема? Что такое пребиотический синтез?

Пребиотический синтез — это совокупность реакций, которые протекали до появления жизни. Почему это интересно? Посудите сами: изначально на планете Земля есть только простейшие молекулы – вода (\(H_2O\)), метан (\(CH_4\)), аммиак (\(NH_3\)) и водород (\(H_2\)). Образование этих молекул можно объяснить чистой случайностью и комбинаторикой: подумаешь, столкнулось два-три атома в межзвездном пространстве за миллиарды лет, ничего сверхъестественного.

Проблема пребиотического синтеза (а-ля синтеза жизни). CC-BY-SA 4.0

Но как объяснить образование более сложных молекул? Например, аминокислот, являющихся структурной основой жизни? В этом случае комбинаторика не поможет, ибо шансы столкновения \(10\) разных атомов в определенном порядке для образования простейшей аминокислоты глицин крайне низки. Сегодня аминокислоты синтезируются в организмах растений и животных с помощью ферментов. Однако ферменты — это тоже белки, а белки состоят из аминокислот. Иными словами, чтобы сделать аминокислоты, нам нужны аминокислоты! И вот мы снова получаем своего рода замкнутый цикл «курицы и яйца», только белка и аминокислот.

До эксперимента Миллера-Юри никто не знал, как произошло образование первых аминокислот. А это, между прочим, краеугольный камень в истории возникновения жизни!

Эксперимент Миллера-Юри

Сам же эксперимент пребиотического синтеза был крайне простым. Вода, метан, аммиак и водород закрываются внутри стерильной \(5\)-литровой стеклянной колбы. Эта колба подсоединена к наполовину заполненной водой \(500\)-миллилитровой колбе. Вода в меньшей колбе нагревалась до испарения, и пар переходил в большую колбу, где, смешиваясь с уже присутствующими молекулами, образовывал смесь, имитирующую примитивную атмосферу. В эту колбу также подводились электроды, которые создавали электрический разряд – имитация молнии. После нескольких разрядов смесь охлаждалась и снова поступала в малую колбу. Уже через день повторения такого цикла раствор из прозрачного превратился в розовый, а через неделю стал мутно красным.

Установка в эксперименте Миллера-Юри. Изображение с вики (CC-BY-SA 3.0)

Систему охладили и в мутно-красный раствор добавили хлорид ртути, дабы предотвратить рост микробов. Состав раствора проанализировали с помощью бумажной хроматографии. Результат был шокирующим: в растворе были обнаружены аминокислоты глицин, альфа- и бета-аланин. Кроме того, было предположено присутствие и других аминокислот — аспартамовой кислоты и альфа-аминобутановой кислоты.

Эксперимент стал основополагающим для целого раздела химии. В \(1961\) году Joan Oró обнаружил возможность спонтанного образования аденина, одного из нуклеотидных оснований РНК и ДНК, из раствора аммиака и циановодородной кислоты (\(HCN\), которая тоже может образовываться из метана и аммиака в условиях эксперимента Миллера-Юри.

Эксперимент Миллера-Юри. CC-BY-SA 4.0

Предлагаю еще раз посмотреть на исходные молекулы (слева) и те молекулы, которые получаются в результате простейших экспериментов (справа). Чем же это отличается от магии? (Спойлер: химия, в отличие от магии, объяснима!)

Со временем начали появляться косвенные подтверждения того, что первоначальная атмосфера была не такой восстанавливающей, как в эксперименте Миллера-Юри (восстановителями в нем выступали \(NH_3\) и \(H_2\)). Например, мы с уверенностью можем утверждать, что 4 миллиарда лет назад происходили крупные вулканические извержения, в ходе которых в атмосферу могли выделяться углекислый газ \(CO_2\), азот \(N_2\), сероводород \(H_2S\) и диоксид серы \(SO_2\). Вы можете задаться вопросом: а что случится, если добавить эти соединения в качестве реагентов в эксперимент Миллера-Юри? Ответ крайне интересен: получим гораздо больше аминокислот!

Тем не менее состав первоначальной атмосферы до сих пор остается неясным. В \(2005\) году теоретические вычисления в университете Ватерлоо и Колорадо показали, что в атмосфере могло находиться до \(40\)% водорода — еще одно подтверждение восстановительного характера атмосферы. В любом случае были проведены разные эксперименты с самыми разными реагентами, в результате которых стало понятно: газовые смеси углекислого газа, угарного газа и азота дают почти те же органические молекулы, что и смеси аммиака и метана. Единственное условие — отсутствие кислорода. Как резюмировал сам Миллер в \(1996\) году: «Если взять смесь \(4\) газов и подвергнуть их электрическому заряду, мы сможем получить \(11\) из \(20\) [протеиногенных] аминокислот»

Забытый эксперимент

После смерти Миллера \(20\) мая \(2007\) года лаборатория под предводительством его ученика Джеффри Бада обнаружила целый ряд заклеенных склянок с сухими веществами. В ходе проверки маркировки по лабораторным журналам оказалось, что эти склянки датированы \(1953\)-\(1954\) годами и напрямую связаны с экспериментами Миллера в Чикагском университете. В тех экспериментах использовались три разные конфигурации: одна из них была такой же, как в оригинальном эксперименте Миллера. В другой из них использовалось тоненькое сопло, через которое под давлением пропускалась смесь пара и газов (\(CH_4\), \(H_2\), \(NH_3\)). Выходящая смесь подвергалась действию электрической искры. Такая установка заинтересовала группу Бада, поскольку эта установка симулировала разряд молнии во время извержения вулкана.

Крайне рекомендую посмотреть на фотографии так называемых volcanic lightning – разряда молнии во время извержения вулкана. Скорее всего, именно в таких условиях появилась жизнь.

В эксперименте с этой установкой Миллер обнаружил \(5\) аминокислот. Исследовательская группа Бада заново растворила и проверила содержимое склянок с помощью более точных методов хроматографии и ультраточного масс-спектрометра, позволяющего определять вещества с субпикомолярной концентрацией, то есть \(<10^{-12}\) M. В итоге ученые обнаружили \(22\) аминокислоты и пять аминов, многие из которых не были прежде обнаружены Миллером!

Вот лишь некоторые аминокислоты, которые были найдены Миллером еще в далеких \(50\)-х годах: глицин, аланин, серин, ГАБА (гамма-аминобутановая кислота), аспартамовая кислота, валин, изовалин, глутамовая кислота, фенилаланин, гомосерин, бета-гидроксиаспартамовая кислота. Поистине огромный список!

Примечательно, что в этом эксперименте было обнаружено большое количество гидроксосодержащих аминокислот. Возможно, в газопаровой смеси под действием электрического разряда получались гидроксо-радикалы OH•.

И хоть геологи-историки сомневаются, что первоначальная атмосфера была такой же восстанавливающей, какой она была в эксперименте Миллера, данный эксперимент, симулирующий извержение вулкана, показывает, что могли существовать локальные точки пребиотического синтеза. Аминокислоты, образующиеся в результате вулканической деятельности, могли накапливаться на вулканических островах, а позже под действием карбонил сульфида (\(S=C=O\)) могли полимеризоваться в первые пептиды в довольно-таки мягких условиях!

Поговорим немного о химии

Главная прелесть химии заключается в ее глубине! Изучая химию, мы можем не просто довольствоваться лишь поверхностным описанием процесса, а можем докопаться до основополагающих реакций. Давайте же попробуем воссоздать химические реакции, необходимые для зарождения жизни!

Изначально неорганические газы могут вступать в следующие реакции:

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

Символом \([O]\) мы отображаем атомарный кислород. Он, к слову, может вступать в дальнейшие реакции с образованием формальдегида

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

К формальдегиду мы еще вернемся, нам осталось получить синильную кислоту. Мы ее можем получить двумя разными способами:

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

Мы уже можем создать аминокислоту! Ну, почти:

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

Остался гидролиз нитрила:

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

Последнее – это не что иное, как глицин! Глицин составляет почти \(30\)% коллагена – основного белка соединительной ткани организма (сухожилия, хрящи, кости), а сам коллаген составляет от \(25\)% до \(45\)% всех белков организма.

Но и это еще не все! В ходе этих же реакций могут образовываться довольно реактивные соединения (ацетилен, цианоацетилен), которые пригодятся нам чуть позже.

Помимо всего прочего, мы также получили формальдегид \(CH_2O\). Почему он так важен? Потому что только с помощью формальдегида и воды можно получить самые разные сахара: от гидроксиуксусной кислоты до рибозы! А рибоза — один из компонентов рибонуклеиновых кислот.

Немного про РНК

Вся генетическая информация хранится в ДНК, а для реализации, прочтения, кодирования и регуляции генов живые организмы используют рибонуклеиновые кислоты (РНК). Когда заходили разговоры о происхождении жизни, многие ученые считали, что РНК предшествовала ДНК хотя бы потому, что молекула РНК проще — она состоит из одной цепочки, а не двух.

При этом долгое время считалось, что для зарождения жизни необходимо два компонента: РНК (для передачи генетической информации) и белки (для катализа репликации РНК, т.е. создания ее копий).

Рибозим типа «Hammerhead». На картинке нуклеотиды U показаны оранжевым, C — розовым, G — желтым, A — зеленым. Голубым отмечены не нуклеотидные части. Изображение построено на основе PDB 3ZD5. CC-BY-SA 4.0.

Вы наверняка слышали в школе фразу: “Все ферменты — белки, но не все белки – ферменты”. И не зря — долгое время мы знали только о каталитической способности белков. Однако \(31\) января \(1986\) года в журнале Science выходит революционная статья “The intervening sequence RNA of Tetrahymena is an enzyme” Томаса Чека, которая навсегда изменила наше представление о ферментах, и заодно о всем мире. А дело в том, что у инфузории Tetrahymena thermopila есть большая молекула РНК, из которой в результате вырезания промежуточной последовательности (IVS) получается рибосомная РНК. Оказалось, что эта IVS способна самостоятельно вырезать некоторые фрагменты, в итоге образуя цикличную молекулу, способную гидролизировать некоторые олигорибонуклеотиды со скоростью в \(2\) молекулы в минуту! Это, конечно, не самая впечатляющая скорость, но в разы быстрее спонтанного гидролиза РНК, и, кроме того, похожа на скорость гидролиза ДНК с участием restriction enzymes. За эту находку Чек и Олтмен, независимо открывшие каталитические способности РНК в других организмах, получили Нобелевскую премию по химии в \(1989\) году. В дальнейшем человечество обнаружит еще много примеров таких РНК-ферментов или рибозимов (с англ. ribozyme от ribosome + enzyme).

Спустя всего три недели Уолтер Гилберт, автор метода секвенирования ДНК, за который он получил Нобелевскую премию по химии в \(1980\) году, выдвигает гипотезу о существовании мира, построенного на РНК:

«Можно вообразить существование мира, состоящего исключительно из молекул РНК, которые катализируют собственный синтез»
“One can contemplate an RNA world, containing only RNA molecules that serve to catalyze the synthesis of themselves”

Гилберт предположил, что если интрон (промежуточная последовательность нуклеотидов, не несущая генетической информации) может самостоятельно вырезать себя из молекулы РНК, то такой процесс должен быть обратимым, а значит интрон может встраиваться обратно в молекулу РНК. В таком случае два интрона, между которыми есть экзон (последовательность нуклеотидов, несущая генетическую информацию), могут вырезать себя и встроить в иную молекулу РНК, перенося экзон с собой. Иными словами, у РНК внезапно появляется возможность для сильнейшего двигателя эволюции – рекомбинации, или возможности создавать новые комбинации генов.

Адаптировано с вики. CC-BY-SA 4.0

Такие прыгающие элементы (транспозоны) создают аналог полового размножения, так как их главная роль заключается в передачи генетического материала от одного организма к другому. Гилберт заметил, что в таком случае появляется крайне полезное разделение между информационными и функциональными молекулами. Молекулы, хранящие информацию, должны быть довольно простыми (одномерными), чтобы упростить процесс репликации. А молекулы, выполняющие определённые функции (рибозимы), должны иметь четкую трехмерную структуру. Гилберт предположил, что разница между такими молекулами может заключаться в наличии или отсутствии тех самых интронов, которые присутствуют в информационных молекулах, но «самовырезались» при создании функциональных.

Возможно, на первых стадиях эволюции молекулы РНК постепенно выполняли каталитические функции, собирая все новые и разные молекулы. С появлением кофакторов вроде NAD или FMN спектр молекул, которые могли создавать РНК, расширялся и наверняка дошел до стадии, когда стал возможным синтез белков. Со временем получились такие белки-катализаторы, которые были эффективнее, чем РНК, поэтому они заменили их в роли ферментов. Наконец, появились молекулы ДНК, которые заменили РНК в роли информационных молекул просто потому, что ДНК надежнее: ошибка в одной из цепочек может быть легко исправлена с учетом информации из второй цепочки. Сейчас главными реликтами той эпохи рекомбинантных РНК могут быть те самые интроны и экзоны, присутствующие в современных молекулах ДНК.

Вот мы и получили жизнь! Но есть один неотвеченный вопрос: как мы можем получить РНК из неорганических молекул? Чуть ранее мы увидели механизм, который позволяет получить рибозу. Но рибонуклеотид, известный как мономерное звено РНК, состоит из трех главных компонентов: фосфат (неорганическое соединение), рибоза и азотистое основание. Как можно получить оставшиеся компоненты для рибонуклеотида?

Создаем рибонуклеотиды

Как ни странно, долгое время получение рибонуклеотида было самой главной проблемой ученых, занимающихся пребиотической химией. Гипотеза о мире РНК была крайне привлекательной, но никто так и не сумел показать, как мог образоваться рибонуклеотид. Исходя из привычного разделения нуклеотидов на рибозу и азотистое основание, химики разбивали синтез рибонуклеотидов на три этапа:

  1. Синтез рибозы
  2. Синтез азотистого основания
  3. Соединение продуктов 1 и 2 этапов

Ученым удавалось реализовать первые два этапа, но третий этап заводил их в тупик.

Так было до \(2009\) года. В \(2009\) году исследовательская группа Джона Сазерленда публикует механизм образования предшественника цитидина (одного из четырех рибонуклеотидов) из соединений, которые могут образовываться в результате процессов, как в эксперименте Миллера-Юри.

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.

Просто посмотрите на то, с каких простых молекул все начинается и к чему мы приходим в итоге. В очередной раз можно убедиться в том, что химия – наиболее схожая с магией наука. Отличие синтеза Сазерленда от его предшественников заключается в том, что он нашел способ синтезировать рибозу и азотистое основание одновременно – процесс соединения фрагментов, которые впоследствии станут рибозой и азотистым основанием, происходит на самой первой стадии.

Заключение

И что мы получаем в самом конце? Мы расписали химические реакции создания жизни!

Давайте восстановим цепочку: эксперименты Миллера-Юри показали, что из простейших неорганических молекул (метан, водород, вода, аммиак) могут получаться органические молекулы, в том числе формальдегид, аминонитрил, гидроксиэтаналь и аминокислоты. Из формальдегида, аминонитрила и гидроксиэтаналя по схеме Сазерленда можно получить рибонуклеотиды. Из них мы можем создать РНК. Благодаря экспериментам Чека и Олтмана мы узнали, что рибонуклеиновые кислоты (РНК) могут катализировать химические реакции. С помощью эссе Гилберта мы вообразили мир, состоящий исключительно из молекул РНК, где одна часть молекул хранит генетическую информацию, а другая катализирует создание более сложных молекул.

А самое главное – загадочное дело №\(7\) было раскрыто! Мы хотели понять, откуда взялись протеазы, если для их синтеза нужен живой организм, имеющий гены и белки-ферменты, необходимые для синтеза этой самой протеазы. Нам удалось выяснить, что в качестве генов могут выступать молекулы РНК, а вместо белков-ферментов можно использовать те же самые РНК, происхождение которых мы и рассмотрели.

Вот и весь механизм “синтеза” жизни.

Стоит учесть, что, углубившись в химию, вы сможете понять не только реагенты и продукты реакций, описанных в этой статье, но и их механизмы. Вы даже сумеете показать движение каждого электрона! Вам откроется захватывающий мир, в котором любые трудности являются всего лишь небольшой платой за разгадку удивительнейшей тайны мироздания – секрета зарождения жизни. И в этом  заключается вся прелесть химии.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова