Википедия

Пребиотическая химия на основе формамида

Пребиотическая химия на основе формамида — совокупность гипотез, предсказывающих, что формамид играл большу́ю роль в процессе происхождения жизни, предоставляя компоненты для начала как генетических, так и метаболических процессов.[1][2]

Формамид () — простейший природный амид, содержащий все элементы (углерод, кислород, азот, водород), необходимые для синтеза биомолекул. Формамид представляет из себя очень распространённое вещество во Вселенной, он был обнаружен в центре галактик[3] , в межзвёздной среде[4][5], в звездообразующих молекулярных облаках галактической зоны обитаемости[6], в том числе близь формирующейся солнцеподобной звезды[7], и кометах[8].

Источники формамида на ранней Земле править

Циано-формальдегидные дожди править

Одним из гипотетических источников формамида могли быть циано-формальдегидные дожди, предположительно происходившие на древней Земле.[9][10] В таком случае, в ходе реакций серпентинизации, происходящих, когда вода реагирует с силикатами железа, что происходит при попадании воды в трещины базальта, образуется водород:  [9][10]. Далее водород восстанавливает углекислый газ (содержание которого на древней Земле, до появления фотосинтеза, было очень высоким[11]), давая на выходе метан ( ) и муравьиную кислоту. Под действием солнечного излучения в присутствие азота происходит фотолиз метана, продуктами реакции становятся синильная кислота ( ) и её производные — цианамид ( ) и цианоацетилен ( ). Подобные реакции происходят в атмосфере современного Титана. Синильная кислота (которая тоже может быть сырьём для синтеза РНК-нуклеотидов, аминокислот и предшественников липидов[9][12][13][14][15][16]) далее реагирует с водой, что даёт формамид:  .

Цинковый мир править

Согласно другой гипотезе, источником формамида был «Цинковый мир» (геотермальный источник с высоким содержанием калия, фосфора, сульфида цинка и сероводорода, который скорее всего был местом происхождения жизни[9][17]). В «цинковом мире» азот, под действием ультрафиолетового излучения, на кристаллах сульфида цинка восстанавливался до аммиака[18]:  , а углекислый газ до муравьиной кислоты:  . Муравьиная кислота реагирует с аммиаком при нагревании, образуя формиат аммония, который при нагревании распадается до формамида и воды. Благодаря высокой температуре кипения (218 °C при обычном давлении) он эффективно накапливается в пересыхающих лужах (геотермальных источниках).

Космическое происхождение править

Также некоторые учёные предполагают, что формамид на Земле мог иметь космическое происхождение, попав на планету вместе с кометой, метеоритом или газом пылевого диска.[19]

Стоит подчеркнуть, что данные гипотезы не являются взаимоисключающими, на древней Земле могли происходить все 3 процесса одновременно, что не противоречит гипотезам.

Формамид, как сырьё для синтеза биомолекул править

Сам по себе формамид является хорошим предшественником биомолекул. Из формамида с высоким выходом получаются: азотистые основания[20][21][22][23][24][25][26], аминокислоты[24][25], сахара[24] и нуклеозиды[24][9][26].

Все четыре РНК азотистых основания (аденин, цитозин, гуанин и урацил) образуются с высоким выходом из формамида ( ) на поверхности частиц оксида титана TiO2 при ультрафиолетовом облучении; аденин, цитозин и урацил — на поверхности глины или оксидов железа при нагревании[9].

При протонном облучении образуются аденин, цитозин, тимин и урацил (все корме тимина — предшественники РНК нуклеотидов), а также аминокислоты и сахара[27].

В обычных условиях (в воде) азотистые основания не способны соединяться с рибозой, поэтому в водной среде нуклеозиды не образуются[9][28]. Однако, побочным продуктом формамидных реакций могут быть наряду с аденином, гуанином, цитозином и урацилом их формильные производные, имеющие альдегидную (CHO) группу на одном из атомов азота в кольце. В условиях реакции Бутлерова на альдегидной группе «достраивается» рибоза, в итоге образуются все 4 РНК нуклеозида (аденозин, гуанозин, уридин и цитидин)[28][29].

Из формамида получаются 3 стандартные α-аминокислоты: глицин, аланин и пролин (а также не встречающиеся в живых клетках аминокислоты, например: метилаланин и N-формилглицин)[24] (синтез аминокислот, видимо, идёт по механизму Штрекера)[27].

Сахара, образуемые из формамида, являются в основном пентозами (рибоза и 2'-дезоксирибоза) и гексозами (глюкоза, лактоза, манноза)[24].

Кроме того, синильная кислота, которая может являться как предшественником формамида, так и продуктом его распада (под действием дегидратирующих агентов (P2O5 и т. п.) формамид дегидратируется с образованием синильной кислоты:  ), также является сырьём для синтеза биомолекул[30].

Ранее синильная кислота, как один из продуктов, образуемых в колбе Миллера, была способна лишь на образование аминокислот[31][32]. Теперь же открыты более сложные реакции, например цианосульфидный протометаболизм, открытый Джоном Сазерлендом, в ходе которого образуются: РНК нуклеотиды цитозина и (при УФ облучении) урацила, 11 аминокислот (глицин, аланин, серин, треонин, глутамин, глутаминовая кислота, аспаргин, аспарагиновая кислота, пролин, аргинин и валин) и предшественники липидов[12][33][34]. А также реакция, открытая Томасом Кареллом, в которой цианистый водород и формамид являются исходными веществами для синтеза огромного числа разных видов нуклеозидов[15][16] (однако, при УФ облучении, остаются только 4 нуклеотида[9][35][36][25]: аденин, гуанин, цитозин, урацил, то есть «строительные блоки» РНК).

Таким образом, из формамида и синильной кислоты можно получить все необходимые «ингредиенты» для запуска «мира РНК», который представляет из себя ключевой момент в происхождении жизни, запуская процесс дарвиновской эволюции[37][26].

Формамид, как среда для образования РНК молекул править

Образование нуклеотидов править

Фосфорилирование нуклеозидов в водной среде является крайне неэффективным процессом. При этом образование нуклеотидов необходимо для начала абиогенеза, ведь без нуклеотидов невозможно строительство РНК. Но в водно-формамидной среде фосфорлирование происходит уже с достаточной скоростью[9][38][39][40]. Нужен только самый обычный фосфатный минерал гидроксилапатит Ca5(PO4)3OH, немного солей меди и нагревание до 80 °C. Медь используется для фосфорилирования нуклеозидов и в современных клетках, она входит в состав фермента пурин-нуклеозид-киназы[9]. Таким образом, модель «формамидного мира» решает проблему синтеза нуклеотидов.

Стабилизация и полимеризация РНК править

Водный раствор, как среда для появления жизни, имеет свои недостатки. В водной среде белки, РНК и ДНК неустойчивы[19]. Эти длинные молекулы со временем распадаются на отдельные звенья — аминокислоты или нуклеотиды. Химическое соединение аминокислот в белок или нуклеотидов в РНК происходит с выделением воды. Поэтому, когда ее вокруг много, равновесие этой реакции смещено в сторону распада белка или РНК с поглощением воды (гидролиз).[9][41] Однако, это проблема решается в водно-формамидном растворе, где, благодаря сниженному содержанию воды, реакция будет смещена не в сторону её поглощения, а в сторону выделения, благодаря чему смогут, не распадаясь, образовываться цепочки РНК[17][26][42].

Примечания править

  1. ↑ Raffaele Saladino, Giorgia Botta, Samanta Pino, Giovanna Costanzoc, Ernesto Di Mauro. Genetics first or metabolism first? The formamide clue. Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 31 мая 2019 года.
  2. ↑ Raffaele Saladino, Claudia Crestini,Samanta Pino, Giovanna Costanzo, Ernesto Di Mauro. Formamide and the origin of life. ScienceDirect.
  3. ↑ Gottlieb, C. A.; Palmer, Patrick; Rickard, L. J.; Zuckerman, B. Studies of Interstellar Formamide. astrophysics data system (июнь 1973). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 8 марта 2022 года.
  4. ↑ A. Coutens, J. K. Jørgensen, M. H. D. van der Wiel, H. S. P. Müller, J. M. Lykke, P. Bjerkeli, T. L. Bourke, H. Calcutt, M. N. Drozdovskaya, C. Favre, E. C. Fayolle, R. T. Garrod, S. K. Jacobsen, N. F. W. Ligterink, K. I. Öberg, M. V. Persson, E. F. van Dishoeck, S. F. Wampfler. The ALMA-PILS survey: First detections of deuterated formamide and deuterated isocyanic acid in the interstellar medium. Astronomy & Astrophysics (июнь 2016). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 4 июня 2018 года.
  5. ↑ Hollis, J. M.; Lovas, F. J.; Remijan, Anthony J.; Jewell, P. R.; Ilyushin, V. V.; Kleiner, I. Detection of Acetamide (CH 3 CONH 2 ): The Largest Interstellar Molecule with a Peptide Bond. zenodo (20 мая 2006). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 9 ноября 2021 года.
  6. ↑ Gilles R. Adande, Neville J. Woolf, Lucy M. Ziurys. Observations of Interstellar Formamide: Availability of a Prebiotic Precursor in the Galactic Habitable Zone. NCBI (май 2013).
  7. ↑ Formamide, a key molecule in the life appearance, detected in the neighborhood of a sun-like forming star. IRAM (29 января 2013). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 27 сентября 2020 года.
  8. ↑ Bockelée-Morvan, D.; Lis, D. C.; Wink, J. E.; Despois, D.; Crovisier, J.; Bachiller, R.; Benford, D. J.; Biver, N.; Colom, P.; Davies, J. K.; Gérard, E.; Germain, B.; Houde, M.; Mehringer, D.; Moreno, R.; Paubert, G.; Phillips, T. G.; Rauer, H. New molecules found in comet C/1995 O1 (Hale-Bopp). Investigating the link between cometary and interstellar material. Astronomy and Astrophysics (январь 2000).
  9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Михаил Никитин. Происхождение жизни. От туманности до клетки.. — 2016. — ISBN 978-5-91671-584-2.
  10. ↑ 1 2 Михаил Никитин. Круговорот метана на древней Земле.
  11. ↑ Kevin Zahnle, Laura Schaefer, Bruce Fegley. Earth’s Earliest Atmospheres. NCBI (октябрь 2010). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 26 июля 2019 года.
  12. ↑ 1 2 Елена Наймарк. Цианосульфидный протометаболизм — верный путь к земной жизни. Элементы (24 марта 2015). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 1 февраля 2019 года.
  13. ↑ Александр Марков. Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК. Элементы (18 мая 2009). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 31 декабря 2019 года.
  14. ↑ Химики поняли, как могла образоваться РНК на ранней Земле. Научная Россия (19 октября 2018).
  15. ↑ 1 2 Robert Service. Сhemists find a recipe that may have jump-started life on Earth. Science (18 октября 2018). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 24 августа 2019 года.
  16. ↑ 1 2 Sidney Becker, Christina Schneider, Hidenori Okamura, Antony Crisp, Tynchtyk Amatov, Milan Dejmek & Thomas Carell. Wet-dry cycles enable the parallel origin of canonical and non-canonical nucleosides by continuous synthesis. Nature (11 января 2018).
  17. ↑ 1 2 Михаил Никитин. Наземные геотермальные поля – колыбель жизни? (2016).
  18. ↑ Михаил Никитин. «Цинковый мир». Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 11 сентября 2018 года.
  19. ↑ 1 2 Жизнь возникла без воды? Дата обращения: 8 апреля 2022. Архивировано 22 апреля 2021 года.
  20. ↑ S. D. Senanayake, H. Idriss. Photocatalysis and the origin of life: Synthesis of nucleoside bases from formamide on TiO2(001) single surfaces. PNAS (31 января 2006).
  21. ↑ Raffaele Saladino, Giorgia Botta, Michela Delfino, Ernesto Di Mauro. Meteorites as Catalysts for Prebiotic Chemistry. Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 9 августа 2017 года.
  22. ↑ Niether, Doreen; Afanasenkau, Dzmitry; Dhont, Jan K. G. Accumulation of formamide in hydrothermal pores to form prebiotic nucleobases. astrophysics data system (апрель 2016).
  23. ↑ Hannah L. Barks  Ragan Buckley  Gregory A. Grieves Ernesto Di Mauro Nicholas V. Hud Prof. Thomas M. Orlando Prof. Guanine, Adenine, and Hypoxanthine Production in UV‐Irradiated Formamide Solutions: Relaxation of the Requirements for Prebiotic Purine Nucleobase Formation. ChemBioChem (7 июня 2010).
  24. ↑ 1 2 3 4 5 6 Raffaele Saladino, Eleonora Carota, Giorgia Botta, Mikhail Kapralov, Gennady N. Timoshenko, Alexei Y. Rozanov, Eugene Krasavin, and Ernesto Di Mauroc. Meteorite-catalyzed syntheses of nucleosides and of other prebiotic compounds from formamide under proton irradiation. NCBI (13 апреля 2015). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 15 марта 2021 года.
  25. ↑ 1 2 3 Армен Мулкиджанян, Ивар Максутов. Как древняя клетка могла возникнуть из простейших агрегатов РНК — основной вопрос для ученых. ПостНаука (28 ноября 2014). Дата обращения: 23 июля 2019. Архивировано 23 июля 2019 года.
  26. ↑ 1 2 3 4 Dr. Judit E. Šponer, Prof. Jiří Šponer, Dr. Olga Nováková, Prof. Viktor Brabec, Dr. Ondrej Šedo, Dr. Zbyněk Zdráhal, Dr. Giovanna Costanzo, Dr. Samanta Pino, Prof. Raffaele Saladino, Prof. Ernesto Di Mauro. Emergence of the First Catalytic Oligonucleotides in a Formamide‐Based Origin Scenario. Chemistry a european journal (25 января 2016).
  27. ↑ 1 2 Raffaele Saladino, Eleonora Carota, Giorgia Botta, Mikhail Kapralov, Gennady N. Timoshenko, Alexei Y. Rozanov, Eugene Krasavin, and Ernesto Di Mauro. Meteorite-catalyzed syntheses of nucleosides and of other prebiotic compounds from formamide under proton irradiation. PNAS (26 мая 2015). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 26 декабря 2019 года.
  28. ↑ 1 2 Михаил Никитин. Получение нуклеотидов (2016).
  29. ↑ Появление нуклеотидов. Развитие жизни на Земле - 6.
  30. ↑ Руттен М. Эксперименты Оро с нагреваемой водной средой (1971). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 23 февраля 2020 года.
  31. ↑ Stanley Miller. A production of amino acids under possible primitive Earth conditions (1953).
  32. ↑ P.Z. Myers. Old scientists never clean out their refrigerators (2008). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано из оригинала 17 октября 2008 года.
  33. ↑ Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy & John D. Sutherland. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature (2015). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 10 декабря 2019 года.
  34. ↑ Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy and John D. Sutherland. [https://earthscience.rice.edu/wp-content/uploads/2015/10/Nature-Chemistry-2015-Patel.pdf Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism]. Nature (2015). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 9 августа 2017 года.
  35. ↑ Михаил Никитин. Солнце: друг или враг? (2016).
  36. ↑ Armen Y. Mulkidjanian, Michael Y. Galperin. Physico‐Chemical and Evolutionary Constraints for the Formation and Selection of First Biopolymers: Towards the Consensus Paradigm of the Abiogenic Origin of Life. Chemistry & biodiversity (21 сентября 2007). Дата обращения: 23 июля 2019. Архивировано 23 июля 2019 года.
  37. ↑ Александр Марков. В поисках начала эволюции. Элементы (2015). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 27 января 2019 года.
  38. ↑ Михаил Никитин. Рибозимы осваивают обмен веществ (2016).
  39. ↑ Giovanna Costanzo , Raffaele Saladino , Claudia Crestini , Fabiana Ciciriello and Ernesto Di Mauro. Nucleoside Phosphorylation by Phosphate Minerals. Journal of biological chemistry (3 апреля 2007). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 8 декабря 2019 года.
  40. ↑ Allen M. Schoffstall. Prebiotic phosphorylation of nucleosides in formamide (декабрь 1976). Дата обращения: 18 июля 2019. Архивировано 8 июня 2018 года.
  41. ↑ Михаил Никитин. Сколько воды надо для появления жизни?
  42. ↑ Dr. Giovanna Costanzo Prof. Raffaele Saladino Dr. Giorgia Botta Dr. Alessandra Giorgi Dr. Anita Scipioni Dr. Samanta Pino Prof. Ernesto Di Mauro. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cbic.201200068. ChemBioChem (30 марта 2012).
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Пребиотическая_химия_на_основе_формамида&oldid=137098743