Почему на первый план выходят именно нуклеозиды? На этот вопрос
отвечает научная концепция, известная как гипотеза РНК-мира и
полагающая, что именно РНК стояла у истоков зарождения жизни. Молекулы
рибонуклеиновых кислот первыми осуществили катализ химических реакций в
первичном бульоне, научились копировать себя и друг друга и, что самое
главное, нести в себе наследственную информацию. Такие РНК называются
рибозимами. Если какая-нибудь молекула РНК обладала способностью
синтезировать свои собственные копии, то это свойство передавалось из
поколения в поколение. Иногда копированию сопутствовали ошибки, в
результате чего новые РНК обзаводились мутациями.
Мутации могли
серьезно навредить каталитическим свойствам молекул, но могли и изменить
РНК, наделив ее новыми способностями. Например, ученые обнаружили, что
некоторые мутации ускоряют процесс самокопирования, и измененные
рибозимы через некоторое время начинают доминировать над «нормальными».
Молекулярные биологи под руководством Брайана Пегеля из
Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии наблюдали, как
ферментативная активность рибозимов в процессе трехдневной эволюции в
условиях лаборатории увеличилась в 90 раз. Поэтому даже если рибозимы
изначально не отличались особой активностью, молекулярная эволюция могла
превратить их в идеальные каталитические машины.
Тем не менее гипотеза РНК-мира наталкивается на ряд трудностей.
Например, неизвестно, как мог происходить абиогенный, то есть без
участия живых организмов, синтез первых рибозимов. Хотя в пользу
РНК-мира найдено множество аргументов, ключевой вопрос — как он возник —
остается камнем преткновения.
Некоторые ученые предполагают, что
химические соединения, из которых сформировались нуклеозиды, не могли
возникнуть в земных условиях, а были занесены на планету из космоса.
Стоит заметить, однако, что проблема связана именно с пуриновыми
нуклеозидами — аденозином и гуанозином, содержащими аденин и гуанин
соответственно. Для пиримидиновых молекул, содержащих цитозин, тимин или
урацил, известны пути синтеза, которые вполне могли бы существовать при
зарождении жизни. Химические реакции, действующие по принципу домино,
приводят к образованию большого количества необходимых пиримидинов.
Метаболический
путь образования аминопиримидинов (справа) и их реакция с сахарами. В
нижней части картинки показан реакционно-способный атом азота (зеленый
цвет), а также геометрия аминопиримидина
Ученые предложили возможный путь образования пуриновых нуклеозидов,
однако он способен привести к появлению многих других соединений, среди
которых нужные нуклеозиды составляли бы лишь малую долю. Просто
отмахнуться от пуринов не получится, поскольку они не только
неотъемлемые компоненты РНК и ДНК, но также образуют аденозинтрифосфат
(АТФ), участвующий в обмене энергии и веществ в организме, и
гуанозинтрифосфат, служащий источником энергии для синтеза белка.
Простой
путь образования такого нуклеозида, как аденозин, — соединение аденина с
рибозой в присутствии NH4OH. Рибоза присоединяется к одному из атомов
азота аденина, вот только у него их несколько, и лишь азот в девятом
положении должен участвовать в синтезе аденозина. Кроме того,
оказывается, что этот атом азота не очень-то и реакционноспособен.
Значит, если гипотеза РНК-мира верна (что более чем вероятно), должен
существовать какой-то другой способ синтеза аденозина и гуанозина в
первичном бульоне.
В новом исследовании ученые предложили другой
путь синтеза пуриновых нуклеозидов, решающий проблему и усиливающий
позицию концепции мира РНК. Все начинается с молекул аминопиримидина,
которые легко формируются из такого простого соединения, как NH4CN.
Происходит это через образование гуанидина, он затем реагирует с
аминомалонитрилом, в результате чего возникает молекула
тетрааминопиримидина. Она легко окисляется в кислородсодержащей среде,
однако остается стабильной в бескислородной атмосфере, характерной для
Земли до зарождения жизни. Кроме тетрааминопиримидина, могут
образовываться и другие похожие молекулы: триаминопиримидинон и
триаминопиримидин. Все эти соединения хорошо растворимы в воде.
Влияние аминопиримидина на образование сахарного остатка и синтез различных соединений. Нуклеозид обозначен зеленым цветом
Самое важное, у всех трех аминопиримидинов реакционоспособен только
определенный атом азота, и это решает проблему участия в реакции других
атомов, что характерно для аденина. Подкисленная среда приводит к тому,
что атомы азота в кольце присоединяют протоны и блокируют все внешние
аминогруппы, кроме одной, находящейся в пятой позиции. При нагревании
смеси аминопиримидинов и муравьиной кислоты образуется лишь одно
возможное соединение — формамидопиримидин. Выход продукта в реакции
составляет от 70 до 90 процентов.
Формамидопиримидин, несмотря на
свою схожесть с пуринами, лишен их недостатков. Атом азота в девятом
положении, как выяснилось, наиболее реакционноспособен, и реакция с
рибозой в щелочной среде всегда приводит к одному и тому же результату:
синтезу углеродных скелетов для пуриновых нуклеозидов. Интересно, что
формамидопиримидин активно участвует в образовании рибозы из
гликольальдегида и глицеральдегида, облегчая синтез нуклеозидов в
аммиачной среде. В общем, ученым удалось открыть путь формирования
предшественников нуклеотидов из простейших производных аммиака. Такие
производные были недавно найдены на комете Чурюмова — Герасименко, что
подтверждает точку зрения об активном участии комет в снабжении Земли
всем необходимым для возникновения жизни.
Однако химическая
эволюция вызывает еще множество вопросов, и чтобы на них ответить,
потребуются усилия исследователей всего мира. Полная картина абиогенеза
должна описывать не только возникновение нуклеотидов и других
органических молекул без участия живых организмов, но и их
взаимодействие в условиях ранней Земли, взаимодействие, которое привело к
формированию первых клеток.