Русская Википедия:Пребиотическая химия на основе формамида

Содержание

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

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.

Формамид (<chem>HCONH2</chem>) — 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 , в межзвёздной среде, в звездообразующих молекулярных облаках галактической зоны обитаемости, в том числе близь формирующейся солнцеподобной звезды, и кометах.

Источники формамида на ранней Земле

Циано-формальдегидные дожди

Одним из гипотетических источников формамида могли быть циано-формальдегидные дожди, предположительно происходившие на древней Земле. В таком случае, в ходе реакций серпентинизации, происходящих, когда вода реагирует с силикатами железа, что происходит при попадании воды в трещины базальта, образуется водород: <chem>3Fe2SiO4 + 2H2O -> 2Fe3O4 + 3SiO2 + 2H2</chem>. Далее водород восстанавливает углекислый газ (содержание которого на древней Земле, до появления фотосинтеза, было очень высоким), давая на выходе метан (<chem>CH4</chem>) и муравьиную кислоту. Под действием солнечного излучения в присутствие азота происходит фотолиз метана, продуктами реакции становятся синильная кислота (<chem>HCN</chem>) и её производные — цианамид (<chem>CH2N2</chem>) и цианоацетилен (<chem>HC3N</chem>). Подобные реакции происходят в атмосфере современного Титана. Синильная кислота (которая тоже может быть сырьём для синтеза РНК-нуклеотидов, аминокислот и предшественников липидов) далее реагирует с водой, получая формамид: <chem>HCN + H2O -> HCONH2</chem>.

Цинковый мир

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). В «цинковом мире» азот, под действием ультрафиолетового излучения, на кристаллах сульфида цинка восстанавливался до аммиака: <chem>N2 + 3ZnS + 6H2O -> 2NH3 + 3Zn(OH)2 + 3S</chem>, а углекислый газ до муравьиной кислоты: <chem>CO2 + H2S -> HCOOH + S</chem>. 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

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

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

Сам по себе формамид является хорошим предшественником биомолекул. Из формамида с высоким выходом получаются: азотистые основания, аминокислоты, сахара и нуклеозиды.

Все четыре РНК азотистых основания (аденин, цитозин, гуанин и урацил) образуются с высоким выходом из формамида (<chem>NH2CHO</chem>) на поверхности частиц оксида титана TiO₂ при ультрафиолетовом облучении; аденин, цитозин и урацил — на поверхности глины или оксидов железа при нагревании.

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

В обычных условиях (в воде) азотистые основания не способны соединяться с рибозой, поэтому в водной среде нуклеозиды не образуются. 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).

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

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

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: <chem>NH2COH -> HCN + H2O</chem>), также является сырьём для синтеза биомолекул.

Ранее синильная кислота, как один из продуктов, образуемых в колбе Миллера, была способна лишь на образование аминокислот. 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. А также реакция, открытая Томасом Кареллом, в которой цианистый водород и формамид являются исходными веществами для синтеза огромного числа разных видов нуклеозидов (однако, при УФ облучении, остаются только 4 нуклеотида: 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.

Формамид, как среда для образования РНК молекул

Образование нуклеотидов

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. 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. Таким образом, модель «формамидного мира» решает проблему синтеза нуклеотидов.

Стабилизация и полимеризация РНК

Водный раствор, как среда для появления жизни, имеет свои недостатки. В водной среде белки, РНК и ДНК неустойчивы. 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). 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.