Среда обитания первых форм жизни. Происхождение нуклеотидов и РНК

1.

Лекция 4
СРЕДА ОБИТАНИЯ
ПЕРВЫХ ФОРМ ЖИЗНИ

2.

«ПЕРВИЧНЫЙ БУЛЬОН» ИЛИ
«ПЕРВИЧНАЯ ПИЦЦА» ?
При образование пептидов из аминокислот и РНК из
нуклеотидов выделяется вода в водной среде равновесие смещено в сторону гидролиза
полимеров!
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

3.

ОТБОР РНК-ПОДОБНЫХ ПОЛИМЕРОВ
НА УСТОЙЧИВОСТЬ К УЛЬТРАФИОЛЕТУ
Аденин, гуанин, цитозин и урацил – не
единственные возможные азотистые
основания! Химики создали много
других пар оснований, которые тоже
могут входить в РНК
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

4.

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

5.

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

6.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ: ЖЕЛЕЗО-СЕРНЫЙ МИР
(Гюнтер Вахтерхойзер)
FeS + H2S → FeS2 + 2 [H]
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
(150-200 'C)
Fe-S кластеры – наночастицы пирита в составе ферментов

7.

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

8.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 :
ЦИНКОВЫЙ МИР И АБИОГЕННЫЙ
ФОТОСИНТЕЗ
(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
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

9.

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, ДНКсвязывающие «цинковые пальцы»)
«Цинковый мир» лучше согласуется с данными о УФ-устойчивости РНК

10.

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

11.

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

12.

Лекция 5
СИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ХИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ

13.

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

14.

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

15.

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 УФоблучении

16.

ИСТОЧНИКИ ФОРМАЛЬДЕГИДА
И ЦИАНИДА

17.

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!

18.

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

19.

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

20.

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

21.

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

22.

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

23.

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)

24.

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

25.

Лекция 6
КОПИРОВАНИЕ РНК
НАЧАЛО РНК-МИРА

26.

БЕЗМАТРИЧНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
НУКЛЕОТИДОВ В РНК
Соединение нуклеотидов в воде энергетически невыгодно!
Как это можно обойти?
На поверхности минералов (глины, сульфиды металлов) из имидазолактивированных 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 нуклеотидмоносфатов 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

27.

РИБОЗИМЫ — РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ
Полимераз, способных копировать самих себя, получить не удалось
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 нуклеотидтрифосфатов

28.

РИБОЗИМЫ — РНК-ЛИГАЗА
Сообщества лигаз копируют друг друга, но нуждаются в длинных РНКсубстратах
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
Кросс-хиральная лигаза работает гораздо лучше
Лигаза из D-РНК строит свое зеркальное отражение из 11 фрагментов L-РНК
по 7-10 нуклеотидов

29.

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 нуклеотидтрифосфатов
Добавление цитрата снимает большинство проблем из-за Mg++ (Adamala,
Szostak, 2013)
2'-5' связи — а плохо ли это?

30.

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

31.

МИР ПАЛИНДРОМОВ
Палиндромные РНК могут быть сами себе праймером
Дарвиновская эволюция
начинается до первого
рибозима — отбор идет на
самопрайминг
Палиндромные РНК богаты
шпильками — легкий путь к
рибозимам
5’-GGACCUAGGUCCGGA-3’
А
5’-GGACCUAGGUCCGGA
•••••
AGGCCUGGAUCCAGG-5’
5’-GGACCUAGGUCCGGACCUAGGUCC
•••••••••••••••••••••••
CCUGGAUCCAGGCCUGGAUCCAGG-5’
5’-GGACCUAGGUCCGGACCUAGGUCC-3’
5’-GGACCUAGGUCCGGACC U
••••
CCUGG A
5’-GGACCUAGGUCCGGACC U
••••••••••••••••
CCUGGAUCCAGGCCUGG A
Б

32.

СЛЕДЫ МИРА ПАЛИНДРОМОВ - тРНК
тРНК богата внутренними
повторами и может
складываться разными
способами
Предложено несколько путей
эволюции тРНК из малых
предшественников путем
самопрайминга
Последовательное удвоение
(19 → 38 → 76) или процесс
Фибоначи (29+18=47,
47+29=76)