|
Пролить свет на синтез сахаров до возникновения жизни
|
|
|
|
Пентозы являются важными углеводами в метаболизме современных форм жизни, но их доступность на ранней Земле неясна, поскольку эти молекулы нестабильны. Новое исследование, опубликованное в журнале JACS Au и проведенное Институтом наук о жизни Земли (ELSI) при Токийском технологическом институте, Япония, раскрывает химический путь, совместимый с ранними земными условиями и посредством которого альдонаты C6 могли выступать в качестве источника пентоз без участия ферментов. Их результаты дают ключ к пониманию примитивной биохимии и приближают нас к пониманию происхождения жизни. Возникновение жизни на Земле из простых химических веществ — одна из самых захватывающих, но сложных тем биохимии и, возможно, всей науки. Современные формы жизни могут превращать питательные вещества во всевозможные соединения посредством сложных химических сетей; более того, они могут катализировать очень специфические превращения с помощью ферментов, достигая очень точного контроля над тем, какие молекулы производятся.
|
|
|
|
Однако ферментов не существовало до того, как возникла жизнь и стала более сложной. Таким образом, вполне вероятно, что на более раннем этапе истории Земли существовали различные неферментативные химические сети, которые могли превращать питательные вещества из окружающей среды в соединения, поддерживающие функции примитивных клеток. Синтез пентоз является ярким примером описанного выше сценария. Эти простые сахара, содержащие всего пять атомов углерода, являются фундаментальными строительными блоками РНК и других молекул, которые необходимы для жизни, какой мы ее знаем. Ученые предложили и изучили различные способы образования пентоз до возникновения жизни, но современные теории вызывают вопрос: как могли пентозы когда-либо накапливаться в количествах, достаточных для участия в реакциях, предшествовавших жизни, если эти соединения чрезвычайно недолговечны?
|
|
|
Чтобы ответить на этот вопрос, исследовательская группа под руководством научного сотрудника Жуйцина Йи из ELSI провела исследование, чтобы найти альтернативное объяснение происхождения и постоянного поступления пентоз на раннюю Землю. Они исследовали безэнзимную химическую сеть, в которой альдонаты C6, являющиеся стабильными шестиуглеродными углеводами, накапливаются из различных источников пребиотических сахаров, а затем превращаются обратно в пентозы. Предлагаемый химический путь начинается с глюконата, стабильного альдоната C6, который, возможно, был легко доступен на ранней Земле благодаря известным пребиотическим преобразованиям основных сахаров. Следующим этапом является неселективное окисление альдоната С6 в уронат; здесь термин «неселективный» означает, что процесс окисления не делает различий между различными атомами углерода в структуре альдоната, оставляя пять возможных результатов окисления.
|
|
|
|
Посредством экспериментов и теоретического анализа исследователи углубились в различные продукты окисления, чтобы выяснить детали реакционной сети. Интересно, что они обнаружили, что независимо от того, где происходит окисление, образующиеся уронатные соединения всегда могут подвергаться внутримолекулярной трансформации, известной как «миграция карбонила», до тех пор, пока не образуется специфическое соединение 3-оксоуронат. Как только это состояние достигается, 3-оксоуронат легко превращается в пентозу посредством бетта-декарбоксилирования в присутствии H2O2 и железосодержащего катализатора, оба из которых совместимы с условиями ранней Земли. После установления и тестирования всей этой сложной реакционной сети исследователи заметили важное сходство с современным биохимическим путем. «Мы продемонстрировали неферментативный путь синтеза пятиуглеродных сахаров, который основан на химических превращениях, напоминающих первые этапы пентозофосфатного пути, основного пути метаболизма», — говорит ведущий автор Жуйцинь И.
|
|
|
|
«Эти результаты доказывают, что синтез пребиотического сахара может пересекаться с существующими биохимическими путями». Учитывая, что сахара повсеместно распространены в современном метаболизме, предложенная сеть реакций могла бы сыграть важную роль в появлении первых жизнеподобных систем. Результаты этого исследования важны в контексте астрохимии и астробиологии. Альдонаты были обнаружены в большом количестве в Мерчисонском метеорите, знаменитом углеродистом метеорите, упавшем на Землю в 1969 году. Напротив, в нем отсутствовали канонические углеводы, встречающиеся в современных биологических системах. Это означает, что альдонаты могут формироваться и накапливаться во внеземных условиях, а настоящее исследование предполагает, что они могут играть важную роль в возникновении строительных блоков жизни. «Мы надеемся, что эта работа сформирует следующую волну астробиологии, которая сосредоточится на исследованиях альдонатов», — добавляет Йи.
|
|
|
|
В будущих исследованиях исследовательская группа сосредоточится на том, могли ли альдонаты C6 накопиться в достаточном количестве на ранней Земле, чтобы выступать в качестве «питательных веществ» для возникновения протометаболизма. Ведущий исследователь Жуйцин Йи заключает: «Мы хотим лучше понять, как эти альдонаты могут быть получены в результате классических реакций пребиотических сахаров, таких как формозная реакция и омологация Килиани-Фишера». Примечательно, что эти классические пребиотические реакции сахара не встречаются в современном метаболизме, и, таким образом, предлагаемый неферментативный путь может действовать как столь необходимый мост между ранними сахарами и углеводами, теоретически используемыми первыми формами жизни.
|
|
|
|
Источник
|
