Синтез цианосульфидных пребиотиков
Синтез цианосульфидных пребиотиков — это предполагаемый механизм происхождения ключевых химических строительных блоков жизни. [ 1 ] Он включает в себя подход системной химии для синтеза предшественников аминокислот , рибонуклеотидов и липидов с использованием одних и тех же исходных реагентов и в значительной степени тех же самых вероятных условий ранней Земли. [ 2 ] Цианосульфидный преботический синтез был разработан Джоном Сазерлендом и его сотрудниками в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Англия. [ 2 ]
Проблемы
[ редактировать ]Пребиотический синтез аминокислот, нуклеиновых оснований , липидов и других строительных блоков протоклеток и метаболизма все еще плохо изучен. Предлагаемые реакции, в которых производятся отдельные компоненты, такие как Стрекера синтез аминокислот , формозная реакция для производства сахаров и пребиотический синтез для производства нуклеиновых оснований. [ 3 ] [ 4 ] Эти синтезы часто основаны на разных исходных реагентах, разных условиях (температура, pH, катализаторы и т. д.) и часто мешают друг другу. [ 4 ] Эти проблемы затруднили определение условий зарождения жизни. [ 3 ] Исследователи обратились к подходам типа системной химии, чтобы помочь преодолеть некоторые из этих проблем. Подходы системной химии формируют несколько продуктов, образующих единый синтез в одних и тех же условиях, и имеют тенденцию быть более похожими на биологические процессы в том смысле, что они обладают эмерджентными свойствами, самоорганизацией и автокатализом . [ 5 ] Синтез цианосульфидных пребиотиков - это подход системной химии.
Механизм
[ редактировать ]Исходными реагентами этих реакций являются цианистый водород (HCN), а также производные HCN и ацетилен . Предполагается, что оба они присутствовали на ранней Земле. [ 6 ] [ 7 ] Условия, в которых протекает эта реакция, - это относительно умеренная температура 35 градусов C и бескислородные или бескислородные условия. Ранняя Земля была бескислородной до великого события окисления, что делает эти условия правдоподобными. В лабораторном синтезе использовался нейтральный фосфатный буфер для поддержания стабильного нейтрального pH. сероводород (H2S) используется в качестве восстановителя в этих реакциях. Реакции ускоряются ультрафиолетовым излучением и катализируются фотоокислительно-восстановительным циклом Cu(I)-Cu(II). [ 1 ] Некоторые соединения в системе выполняют несколько ролей. Например, фосфат служит буфером для поддержания нейтрального pH, действует как катализатор при синтезе 2-аминооксазола и мочевины и служит реагентом при образовании глицерин-3-фосфата и рибонуклеотидов. [ 4 ] Механизмы, участвующие в этих реакциях, включают процессы восстановительной омологации для создания более крупных и сложных молекул из простых исходных материалов. [ 7 ] Продукты этой реакции включают предшественники многих аминокислот, предшественники липидов и рибонуклеотиды. [ 8 ] Стоит отметить, что в результате этих реакций большинство пребиотических мономеров синтезируются не полностью, а только их предшественники. Предшественники аминокислот затем будут производиться реакциями синтеза Стрекера. [ 3 ] Цианосульфидный метаболизм также производит одновременно предшественники как пуринов, так и пиримидиновых рибонуклеотидов. [ 7 ] [ 4 ] Многие из производимых соединений также включают промежуточные соединения одноуглеродного метаболизма.
| Продукт | Предшественник | Тип прекурсора |
|---|---|---|
| 2-аминоацетонитрил | Глицин | Аминокислота |
| 2-аминопропаннитрил | Аланин | Аминокислота |
| 2-амино-3-гидроксипропаннитрил | Серин | Аминокислота |
| 2-амино-3-гидроксибутаннитрил | Треонин | Аминокислота |
| 2-амино-4-метилпентаннитрил | Лейцин | Аминокислота |
| α-D-рибофуранозилуридин-2',3'-циклический фосфат | Уридинмонофосфат | рибонуклеотиды |
| 2-аминосукцинонитрил | Аспарагин, Аспарагиновая кислота | Аминокислота |
| 2-аминопентандинитрил | Глутаминовая кислота, Глутамин | Аминокислота |
| пирролидин-2-карбонитрил | Пролин | Аминокислота |
| амино((4-амино-4-цианобутил)амино)метаниминий | Аргинин | Аминокислота |
| α-D-рибофуранозилцитидин-2',3'-циклический фосфат | Цитидина монофосфат | рибонуклеотиды |
| глицерин-1-фосфат | фосфолипиды | Липид |
| 2-амино-3-метилбутаннитрил | Валин | Аминокислота |
Геохимический контекст
[ редактировать ]Сазерленд и его коллеги предложили геохимический сценарий, чтобы доказать, что синтез цианосульфида был вероятным процессом на ранней Земле. [ 1 ] [ 7 ] Их сценарий начинается после падения метеорита, что приводит к производству HCN и фосфатов. Фрагменты метеорита также поставляют необходимый для реакции сульфид. Поскольку пруды и озера, содержащие эти реагенты, подвергаются влажно-сухим циклам, соли ферроцианида, натрия и калия выпадают из раствора в эвапориты, концентрируя и сохраняя реагенты для будущих химических процессов. [ 8 ] Эти эвапориты затем могут быть термически изменены посредством дополнительных воздействий или геотермального нагрева, производя все необходимые компоненты для предполагаемого синтеза. Дожди и стоки создают потоки, которые транспортируют соединения по геохимическим градиентам, вводя по пути новые реагенты, что приводит к новому синтезу. [ 7 ] Потоки также подвергаются ультрафиолетовому излучению, обеспечивающему энергию для реакций. [ 1 ] Описанные здесь условия подтверждают сценарий возникновения жизни в виде испарительного озера или наземного гидротермального пруда. Предлагаемый геохимический сценарий также опирается на концепции потоковой химии, позволяющие вводить новые реагенты на протяжении всего процесса, вызывая дополнительные химические реакции и синтез.
Ограничения
[ редактировать ]Цианосульфидная химия имеет несколько ограничений. Хотя все продукты образуются из одних и тех же исходных материалов, многие реакции требуют периодической доставки новых реагентов, что усложняет синтез. Таким образом, химический синтез не является по-настоящему «химией в одном котле», которая требует, чтобы все реагенты были предоставлены в самом начале без каких-либо дальнейших изменений. Сазерленд и его коллеги утверждают, что подход «химии потока», включающий движение соединений через поток, находящийся в различных геохимических условиях, делает предложенную ими систему правдоподобной. [ 1 ] [ 9 ]
Варианты
[ редактировать ]Другая проблема подхода к синтезу цианосульфидных пребиотиков заключается в том, что восстановитель, сульфид, имеет низкую растворимость в воде, за исключением щелочных условий, а основной катализатор, медь, имеет относительно небольшое содержание в земной коре. [ 10 ] Для решения этих проблем была предложена альтернативная схема химии пребиотических систем, называемая синтезом цианосульфитных пребиотиков. В этом наборе реакций используется сульфит вместо сульфида и ферроцианид, который катализирует реакции при воздействии ультрафиолетового света. Продукты этих реакций основаны на химических механизмах, аналогичных цианофидным, таких как восстановительная гомологация, и производят аналогичные продукты, такие как предшественники аминокислот, а также сахара и гидроксикислоты. [ 10 ] Предполагается, что как сульфит (из диоксида серы, выделяемого вулканами), так и двухвалентное железо (FeII) присутствовали в больших количествах на ранней Земле, что позволяет предположить, что это потенциально очень возможный набор реакций. [ 6 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Патель, Бхавеш Х.; Персиваль, Клаудия; Ритсон, Дугал Дж.; Даффи, Колм Д.; Сазерленд, Джон Д. (апрель 2015 г.). «Общее происхождение предшественников РНК, белков и липидов в цианосульфидном протометаболизме» . Природная химия . 7 (4): 301–307. дои : 10.1038/nchem.2202 . ISSN 1755-4349 . ПМЦ 4568310 .
- ^ Перейти обратно: а б Писатель, сотрудники GEN (19 марта 2015 г.). « Мир РНК» мог быть «миром РНК-белков-липидов » . GEN – Новости генной инженерии и биотехнологии . Проверено 6 декабря 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Пласко, Кевин В.; Гросс, Майкл (2021). Астробиология . Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 978-1-4214-4128-3 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Перето, Джули (2019), «Химия пребиотиков, которая привела к жизни» , Справочник по астробиологии , CRC Press, doi : 10.1201/b22230-18/prebiotic-chemistry-led-life-juli-peret%C3%B3 , ISBN 978-1-315-15996-6 , получено 2 декабря 2023 г.
- ^ Ашкенаси, Гонен; Херманс, Томас М.; Отто, Сийбрен; Тейлор, Аннетт Ф. (9 мая 2017 г.). «Системная химия» . Обзоры химического общества . 46 (9): 2543–2554. дои : 10.1039/C7CS00117G . ISSN 1460-4744 .
- ^ Перейти обратно: а б Коваленко, ИП (01.09.2020). «Физико-химические процессы, которые, вероятно, породили жизнь» . Российский журнал биоорганической химии . 46 (5): 675–691. дои : 10.1134/S1068162020040093 . ISSN 1608-330X .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Сазерленд, Джон Д. (4 января 2016 г.). «Происхождение жизни — неожиданно» . Angewandte Chemie, международное издание . 55 (1): 104–121. дои : 10.1002/anie.201506585 . ISSN 1433-7851 .
- ^ Перейти обратно: а б Строгац, Стивен (1 июня 2022 г.). «Как жизнь могла возникнуть из цианида?» . Журнал Кванта . Проверено 6 декабря 2023 г.
- ^ Плучак, Мэтью Б.; Пибер, Варфоломей; Гилмор, Керри; Сибергер, Питер Х. (27 сентября 2017 г.). «Путеводитель для путешественника по химии потоков» . Химические обзоры . 117 (18): 11796–11893. doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00183 . ISSN 0009-2665 .
- ^ Перейти обратно: а б Сюй, Цзяньфэн; Ритсон, Дугал Дж.; Ранджан, Сукрит; Тодд, Зои Р.; Саселов, Димитр Р.; Сазерленд, Джон Д. (2018). «Фотохимическая восстановительная омологация цианистого водорода с использованием сульфита и ферроцианида» . Химические коммуникации . 54 (44): 5566–5569. дои : 10.1039/C8CC01499J . ПМЦ 5972737 .