Код жизни. Как случайность стала биологией

Глава 4. Аминокислоты и пептиды

Любые попытки выяснить, как зародилась жизнь на Земле, предполагают поиск химического пути, который приводит к выработке белков. Белки с ферментной активностью катализируют самые разные метаболические реакции, необходимые для синтеза материалов на строительство новых клеток. Вдобавок белки, собирающиеся в волокна, контролируют форму клеток и такие динамические процессы, как движение и деление клеток. Все эти белки создаются в результате сложного процесса трансляции: клеточная машина, известная как рибосома, транслирует (т. е. переводит) генетическую информацию из матричных РНК, то есть из длинных цепочек нуклеотидов, в белки, то есть упорядоченные цепочки аминокислот. Такую задачу трансляции позволяет решить генетический код, который сопоставляет последовательности кодонов РНК последовательностям аминокислот. Этот процесс настолько сложен, что при зарождении жизни еще не мог идти полным ходом, однако первые зачатки этой процедуры, вероятно, отражены в химии синтеза аминокислот – в химических реакциях, которые приводят к выработке пептидов (коротких цепочек аминокислот), а в итоге и в тех чудесных химических превращениях, которые связывают аминокислоты с РНК. Начнем с начала и рассмотрим, какие химические пути приводят к появлению аминокислот.

Первым делом мы рассмотрим знаменитый революционный эксперимент и подробно разберем его, поскольку это подскажет нам, как реалистично реконструировать пути аминокислотного синтеза на молодой Земле. В 1952 году химик Стэнли Миллер, тогда еще аспирант, под руководством нобелевского лауреата Харолда Юри придумал и провел в Чикагском университете эксперимент с целью исследовать, какие условия могли существовать на ранней Земле. В результате обнаружилось, что при электрическом разряде в искусственной «атмосфере» из водорода, метана, аммиака и воды происходит синтез двух аминокислот, и для того времени это было открытие колоссальной важности. Когда мы поняли, что аминокислоты, без которых немыслима жизнь, главный строительный материал белков, можно производить таким простым способом, это потрясло химический мир и вдохновило ученых на десятилетия исследований. Кстати, Юри благородно заявил, что этот эксперимент – исключительная заслуга Миллера. Часто говорят, что эксперимент Миллера – Юри продемонстрировал механизм синтеза аминокислот, что не совсем правда. На самом деле в результате реакции были получены так называемые α-аминонитрилы, близкие родственники α-аминокислот (с той поправкой, что вместо кислотной карбоксильной группы к центральному α-углероду присоединена нитрильная группа). Само по себе это не страшно, так как нитрилы медленно гидролизуются в воде и превращаются в карбоксилаты (соединения с карбоксильной группой). Эта реакция гидролиза существенно ускоряется в присутствии сильных кислот, и именно их Миллер и добавил, чтобы добыть аминокислоты из их предшественников-нитрилов. Более того, сульфид, которого много в вулканических регионах, тоже может ускорять гидролиз нитрилов и их превращение в карбоксильные кислоты, но при этом получается более реакционноспособный промежуточный продукт. Это значит, что превращение α-аминонитрилов в аминокислоты, либо быстрое, либо медленное, в зависимости от конкретных химических условий, было обычным явлением на ранней Земле.

Суть вот в чем. Если мы хотим понять, как могут создаваться аминокислоты, нам нужно прежде всего разобраться, как получить α-аминонитрилы. Самый простой способ открыл в середине XIX века немецкий химик Адольф Штреккер. Он показал, что α-аминонитрилы вырабатываются при смешивании альдегидов (молекул с группой C=O) с циановодородом и аммиаком. Эта реакция, известная как реакция Штреккера, хорошо известна и широко применяется. Здесь главное отметить, что нам сразу видна связь между синтезом предшественников аминокислот и предшественников нуклеотидов, поскольку и там и там идут реакции альдегидов с циановодородом.

Как мы уже видели, когда циановодород атакует альдегиды в воде, получается циангидрин. Далее восстановление группы – CN (например, гидратированным электроном) до альдегидной группы[21] дает сахар, а из простых сахаров затем формируются нуклеотиды. Более того, при небольших вариациях на ту же тему, когда циановодород атакует альдегид в присутствии аммиака, получается α-аминонитрил, а в этом случае гидролиз нитрила дает аминокислоту. А конкретнее формальдегид, циановодород и аммиак совместно дают нитрил глицина, α-аминонитрил, соответствующий аминокислоте глицину. Поразительная связь между синтезом нуклеотидов и аминокислот – важное свидетельство, что все строительные материалы биологии могли синтезироваться одновременно в похожих условиях, возможно, даже по соседству!

Теперь, когда мы проследили химические истоки аминокислот через α-аминонитрилы к альдегидам, мы можем сказать, что цель поисков предбиологических путей к аминокислотам – пути к соответствующим альдегидам. Для некоторых простейших аминокислот это вполне очевидно. Например, самый простой в производстве альдегидов (и поэтому, скорее всего, самый распространенный) – одноуглеродный формальдегид. Как мы уже знаем, формальдегид реагирует с циановодородом и дает простейший циангидрин – гликолонитрил. В присутствии аммиака создается нитрил глицина, который, в свою очередь, гидролизуется и дает самую простую аминокислоту – глицин.

Отвлечемся на забавную этимологию: глиц- и глик- в названиях этой группы соединений происходят от глико, сахар, и отражают сладковатый вкус глицина и других веществ. Поскольку глицин – самая простая аминокислота, мы бы ожидали, что в предбиологических условиях он и встречался чаще остальных аминокислот. Однако для изготовления более интересных пептидов нам понадобится кое-что, помимо глицина. Легко видеть, откуда взялись две другие аминокислоты – серин и аланин. Серин получается непосредственно из двухуглеродного сахара гликольальдегида, с которым мы сталкивались в главе 3, в ходе синтеза Штреккера: циановодород реагирует с аммиаком, после чего происходит гидролиз нитрила в карбоксильную кислотную группу. Чтобы получить аланин, нужна еще одна реакция – восстановление гликольальдегида до ацетальдегида. В ходе этой реакции гидроксильная группа гликольальдегида (атом кислорода, связанный с атомом водорода) замещается атомом водорода. Интересно, что эта реакция восстановления обусловлена теми же химическими механизмами, что и восстановление нитрила до альдегида. В обоих случаях гидратированные электроны, полученные при облучении ферроцианида ультрафиолетом (см. главу 3), служат мощными восстановителями, которые запускают аналогичные реакции. Когда таким образом генерируется ацетальдегид, тот же синтез Штреккера дает распространенную аминокислоту аланин.