Среда обитания первых форм жизни. Происхождение нуклеотидов и РНК презентация

«ПЕРВИЧНЫЙ БУЛЬОН» ИЛИ «ПЕРВИЧНАЯ ПИЦЦА» ?
Для синтеза полимеров хороши условия периодического высыхания (приливная зона моря и лужи на суше)
Уходящей группой может быть не вода, а H2S, фосфат или еще что-нибудь
Адсорбция на минерале уменьшает локальную концентрацию воды и упорядочивает мономеры для полимеризации
Крепкий раствор солей смещает равновесие в сторону выделения воды и полимеризации
При образование пептидов из аминокислот и РНК из нуклеотидов выделяется вода -
в водной среде равновесие смещено в сторону гидролиза полимеров!

ОТБОР РНК-ПОДОБНЫХ ПОЛИМЕРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К УЛЬТРАФИОЛЕТУ
А, Г, Т, У исключительно устойчивы к ультрафиолету (в 1000-10000 раз по сравнению с другими похожими молекулами)
Они защищают от УФ соседние молекулы, например сахаро-фосфатную цепь
Образование комплементарных пар защищает – двухцепочечные РНК оказываются устойчивее
Стэкинг-взаимодействие дополнительно защищает – хирально чистые РНК оказываются устойчивее
Аденин, гуанин, цитозин и урацил – не единственные возможные азотистые основания! Химики создали много других пар оснований, которые тоже могут входить в РНК

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЖИВЫХ КЛЕТОК
Кровь похожа на морскую воду. А цитоплазма – на место, где зародились клетки ?

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЖИВЫХ КЛЕТОК И МЕСТО ИХ ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Высокое содержание К и низкое – Na встречается в геотермальных водах
Обогащение Fe, Cu, Zn и Mn есть в «черных курильщиках»
При высоком атмосферном давлении (10-50 бар) возможен вынос сульфидов металлов на поверхность Земли
Грязевые котлы и системы испаряющихся-конденсирующихся луж концентрируют фосфаты, формамид и другие необходимые вещества

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ: ЖЕЛЕЗО-СЕРНЫЙ МИР
FeS + H2S → FeS2 + 2 [H] (150-200 'C)
FeS, FeS2 и NiS катализируют разнообразные реакции
CO2 + H2S → COS
COS восстанавливается до формальдегида, ацетата и пирувата
N2 → NH3, образуются аминокислоты, короткие пептиды, аденин и гуанин
H2S включается в органику → CH3SH, CH3CO-S-CH3
CH3CO-S-CH3 + H3PO4 → CH3CO-PO4H2
(Гюнтер Вахтерхойзер)
Fe-S кластеры – наночастицы пирита в составе ферментов

СШИВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ В
ПЕПТИДЫ ПРИ ПОМОЩИ COS
Уходящие группы – H2S и CO2

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ: ЩЕЛОЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ
Температуры 40-100 'C, pH 10-11
Осаждение Mg(OH)2 и CaCO3
Вода содержит H2S, Н2, CH4, HCOOH (из серпентинизации)
Осаждение сульфидов и гидроксидов железа при контакте с богатой железом морской водой → неорганические мембраны
Протонный градиент на неорганической мембране → синтез пирофосфата
(Мартин и Расселл)

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 :
ЦИНКОВЫЙ МИР И АБИОГЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ
Кристаллы ZnS постепенно разрушаются, цинк выходит в раствор
Фосфиты (H3PO3) окисляются в фосфаты и присоединяются к органическим молекулам, замедляя разрушение кристаллов ZnS
ZnS снимает фотовозбуждение с нуклеотидов и РНК, защищая их от УФ, при этом фотосинтез ускоряется
(Армен Мулкиджанян)
ZnS + CO2 + 2H+ -> HCOOH + Zn2+ + S (на свету)
Так же образуются уксусная, пировиноградная, яблочная и другие кислоты
N2 восстанавливается до NH3, образуются аминокислоты и формамид

ЦИНКОВЫЙ МИР ИЛИ ЖЕЛЕЗНЫЙ МИР?
В рибозимах и древнейших белках встречается Zn, Mn и Co, но не Fe
Ионы Fe могут разрушать РНК и в клетках не плавают свободно, а связаны с белками-переносчиками
Fe встречается в белках строго «по делу», а Zn часто просто стабилизирует укладку белка и не несет каталитических функций (например, ДНК-связывающие «цинковые пальцы»)
«Цинковый мир» лучше согласуется с данными о УФ-устойчивости РНК

ДОСТУПНОСТЬ ФОСФОРА
Обычно находится в виде Ca3(PO4)2 - нерастворим
В вулканических газах летят оксиды фосфора P4O10, PO2, P4O6
В воде они дают триметафосфат, пирофосфат и фосфит
Метеоритный минерал шрайберзит (Fe3P) в воде дает пирофосфат и фосфит

РАЗДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВ ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ
K, Mg, Zn, Mn, Mo, P, B переходят в пар и выходят в фумаролах и грязевых котлах
Na, Fe, Cl остаются в водной фазе и выходят в термальных источниках по периферии поля

АВТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
Автокаталитические реакции в биохимии:
Цикл Кальвина
Биосинтез большинства витаминов
Жизнь в целом с точки зрения химической кинетики — это автокаталитическая репликация ДНК
Автокатализ первого порядка: скорость реакции нарастает экспоненциально
Реакция Бутлерова
Цепное ядерное деление U235, Pu239
Автокатализ второго порядка: возможны колебания и волны
Реакция Белоусова-Жаботинского
ВЧ-неустойчивость горения в ракетных двигателях
Работа системы Hox-генов

СИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ
Лекция 5

ЧТО НАМ СТОИТ РНК ПОСТРОИТЬ ?
Азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил)
Рибоза
Фосфат
Соединить их в нуклеотид
Соединить нуклеотиды в цепочку

РЕАКЦИЯ БУТЛЕРОВА: СИНТЕЗ САХАРОВ
Водный раствор формальдегида (СН2О), Са(ОН)2, небольшое нагревание
Образуются все возможные сахара одновременно
Продукты реакции являются ее катализаторами
Открыты специфичные катализаторы:
Силикаты -> глюкоза, манноза, галактоза
Фосфаты, бораты -> рибоза
Комплекс пролина с ионами цинка -> хирально обогащенная рибоза

СИНТЕЗ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ
Аденин и гуанин - из HCN при замерзании водного раствора, УФ-облучении, нагревании. При добавлении мочевины получаются так же цитозин и урацил, катализаторы не требуются
Все четыре основания – из формамида (NH2CHO) на поверхности глины, фосфоритов и оксидов железа при нагревании; на поверхности оксида титана при УФ-облучении

ИСТОЧНИКИ ФОРМАЛЬДЕГИДА И ЦИАНИДА

СИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ
Аденин при УФ-облучении водного раствора присоединяет рибозу и до 3 фосфатных групп
Гуанин присоединяет рибозу, но не реагирует с фосфатом
Для цитозина и урацила не удалось найти условий присоединения рибозы и фосфата
При запекании сухих смесей рибозы и оснований связь образуется неправильно — через боковую аминогруппу!

ОБХОДНОЙ ПУТЬ СИНТЕЗА ЦИТИДИНОВЫХ И ТИМИДИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
Фосфат катализирует нужные реакции
Побочные продукты первых реакций катализируют последующие
На последней стадии УФ-облучение разрушает побочные продукты и превращает часть цитидина в урацил
Давайте смешаем все сразу и посмотрим, что получится!

СИНТЕЗ АКТИВИРОВАННЫХ АДЕНИНОВЫХ И ГУАНИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
Для получения пуринов в той же системе достаточно добавить синильную кислоту

СИНТЕЗ ГЛИКОАЛЬДЕГИДА И ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИДА
На древней Земле не было Pd / BaSO4
Подходящий природный восстановитель — Н2S, катализатор — цианидные комплексы меди Cu2(CN)6
Побочные продукты — глицин, аланин, серин
Остановить реакцию Бутлерова на этой стадии нельзя!

ЦИАНОСУЛЬФИДНЫЙ ПРОТОМЕТАБОЛИЗМ
Фосфат вызывает побочные реакции:
Глицеральдегид → диоксиацетон → Val, Leu
Цианоацетилен → малеонитрил → Asp, Glu
Цианамид → Pro, Arg
Совмещаем р-ю Килиани-Фишера
с синтезом нуклеотидов

МЕХАНИЗМЫ ПОЯВЛЕНИЯ ХИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ
В метеоритной органике есть преобладание левых (L) аминокислот над правыми (D)
Избирательное разрушение правых поляризованным УФ-светом?
Известно много астрономических источников поляризованного УФ — магнитные белые карлики, пульсары, рассеяние на пыли в протозвездных облаках.
Слабое ядерное взаимодействие асимметрично
Бета-частицы левополяризованы; при их рассеянии образуются вторичные электроны с той же поляризацией, разрушающие правые изомеры аминокислот
Слабое взаимодействие вносит разницу в энергию покоя левых и правых изомеров, но заметна она только для комплексов с тяжелыми металлами

МЕХАНИЗМЫ УСИЛЕНИЯ ХИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ
Аминокислоты обычно выпадают в осадок в соотношении L:D 1:1 – раствор обогащается тем изомером, которого больше. Глицеральдегид (простейший сахар) ведет себя так же.
Реакция Соаи — автокатализ усиливает хиральную асимметрию в тысячи раз
Если одновременно возможен переход L- и D-изомеров друг в друга и кристаллизация, то можно превратить раствор смеси изомеров в чистые кристаллы одного изомера
Экспериментально показано для аспарагиновой кислоты (110 С, кислая среда)

СИНТЕЗ ХИРАЛЬНО ЧИСТЫХ НУКЛЕОТИДОВ
L-аминокислоты связывают L-глицеральдегид в побочную реакцию
Из D-глицеральдегида образуются нуклеотиды с D-рибозой
Промежуточный продукт (арабино-амино-оксазолин) может хирально обогащаться при упаривании раствора
Если к веществам обходного пути добавить хирально обогащенные аминокислоты...

КОПИРОВАНИЕ РНК
НАЧАЛО РНК-МИРА
Лекция 6

БЕЗМАТРИЧНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ НУКЛЕОТИДОВ В РНК
На поверхности минералов (глины, сульфиды металлов) из имидазол-активированных нуклеотидов — до 50 звеньев, хирально чистые цепи даже из смеси L- и D-нуклеотидов
Из циклических нуклеотид-монофосфатов (как в синтезе Сазерленда), в водном растворе при 80 'C — до 20 звеньев
С упариванием воды при температуре 100-120 градусов, из нуклеотид-моносфатов в присутствии пирофосфата и мочевины — до 10 звеньев
В крепких растворах формамида соединение становится выгодно и при обычной температуре
Ионы цинка помогают образованию правильных (5’-3’) связей
Соединение нуклеотидов в воде энергетически невыгодно!
Как это можно обойти?

РИБОЗИМЫ — РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ
Активные рибозимы-полимеразы состоят из 150-200 нуклеотидов
Лучшая полимераза tC19Z во льду удлиняет праймер на 206 нуклеотидов за 60 часов — но не на всякой матрице
Матрицы со шпильками копируются плохо, собственная копия невозможна
Много ошибок — 2%, для устойчивой репликации надо <0,5%
Двунитевой продукт надо как-то расплетать для следующего цикла копирования
Нужен праймер
Нужно много Mg++ → гидролиз самого рибозима, РНК-матрицы и нуклеотид-трифосфатов
Полимераз, способных копировать самих себя, получить не удалось

РИБОЗИМЫ — РНК-ЛИГАЗА
Гораздо короче полимераз, от 29 нуклеотидов → вероятнее случайное возникновение из абиогенных шпилек
Легкий путь к крупным модульным рибозимам
В отличие от эгоистичной полимеразы, легко образуют кооперативные сообщества, в которых будет место метаболическим рибозимам
Нужны исходные РНК длиннее 20 нуклеотидов
Сообщества лигаз копируют друг друга, но нуждаются в длинных РНК-субстратах
Кросс-хиральная лигаза работает гораздо лучше
Лигаза из D-РНК строит свое зеркальное отражение из 11 фрагментов L-РНК по 7-10 нуклеотидов

АБИОГЕННАЯ РЕПЛИКАЦИЯ РНК
При высокой концентрации Mg++ короткие РНК реплицируются сами
Копируется до 15 нуклеотидов
10% ошибок
2'-5' связи наряду с 3'-5'
Двунитевой продукт надо как-то расплетать для следующего цикла копирования
Нужен праймер
Нужно много Mg++ → гидролиз самого рибозима, РНК-матрицы и нуклеотид-трифосфатов
Добавление цитрата снимает большинство проблем из-за Mg++ (Adamala, Szostak, 2013)
2'-5' связи — а плохо ли это?

НАКОПЛЕНИЕ РНК В ТЕПЛОВОЙ ЛОВУШКЕ
Конвекция и термофорез в капиллярах концентрируют РНК и нуклеотиды на много порядков
Термофорез двигает молекулы в холодную часть поры, в нисходящий конвективный поток
РНК и нуклеотиды накапливаются внизу холодной стенки
Длинные молекулы концентрируются сильнее

МИР ПАЛИНДРОМОВ
Дарвиновская эволюция начинается до первого рибозима — отбор идет на самопрайминг
Палиндромные РНК богаты шпильками — легкий путь к рибозимам
Палиндромные РНК могут быть сами себе праймером