Эволюция биоэнергетических процессов - Брода Э.
Скачать (прямая ссылка):
48
Глава 4
В солнечном излучении гораздо больше длинноволнового ультрафиолета (>200 нм), чем коротковолнового (<200 нм). Но наиболее вероятные компоненты ранней атмосферы (Нг, НгО, СН4, NH3, СО, СОг, N2) очень слабо поглощают длинноволновые ультрафиолетовые лучи. Как же тогда могли идти эти реакции? Возможно, в результате начального действия коротковолнового ультрафиолета образовывались более сложные органические соединения с полосой поглощения при более длинных волнах. Длинные волны могли также действовать опосредованно, поглощаясь сначала H2S, который, вероятно, в большом количестве содержался в ранней восстановительной атмосфере. И в самом деле, при облучении соответствующих исходных смесей, содержащих H2S, длинноволновым ультрафиолетом образуются аминокислоты [1599].
Некоторые авторы рассматривали в качестве возможных источников энергии для абиосинтеза ядерный распад [491, 626];, ударные волны [152—155, 855, 856] или магматическое тепло [626, 794].
Механизмы реакций, идущих при абиосинтезе, можно изучать с помощью масс-спектрометра, разделяя исходные вещества и определяя продукты [1122]. Среди образующихся продуктов особенно важную роль играют радикалы из-за их высокой реакционной способности. Получаются ли при использовании разных источников энергии одни и те же конечные продукты, зависит от того, в какой степени достигается равновесие первичных продуктов.
Из устойчивых промежуточных соединений для образования аминокислот большое значение имеют альдегиды и нитрилы, в том числе HCN [4, 584, 982, 1122, 1266, 1267, 1270, 1373, 1378]. Один из путей образования аминокислот — хорошо известная реакция Штрекера
R—CHO+NH3 —v R_CH=NH
—- R—CH(NH2)—СН R—CH(NH2)—СООН
Среди промежуточных веществ, кроме упомянутых, обнаружены цианамид и его димер [336, 1630, 1794, 1795], а также цианацетилен [1606].
Основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, — пурины и пиримидины — видимо, возникали при химических реакциях, идущих в сравнительно мягких условиях с участием цианидов [583, 1122, 1124, 1270, 1373, 1376, 1379, 1607]. Основания нуклеиновых кислот могли также возникать в реакциях типа Фишера—Тропша [2040]. Сахара получены Гей-
Происхождение жизни
49
белом и Поннамперумой [648]| в системах, содержащих формальдегид после того, как в эти системы введена дополнительная энергия. Бутлеров [324] и многие другие [626, 1124, 1373]' наблюдали спонтанное образование сахара из СНгО. Абиотический синтез пуринов протекает с трудом; более подробно об этом см. в работах [626, 858, 1122, 1124].
Обширную библиографию по химической эволюции можно найти в работах [622, 626, 982, 1122, 1966—1970]!; там же приведены списки аминокислот, оснований нуклеиновых кислот и других биомолекул, полученных путем абиосинтеза.
г. первичный бульон
Постоянное поступление извне энергии излучения и других ее видов привело к накоплению на ранней Земле веществ с высоким содержанием свободной энергии. Эти продукты должны были оставаться растворенными или взвешенными в воде; в воду же попадали продукты, образующиеся в атмосфере. Кроме того, могли возникать асфальтоподобные и смолистые вещества [757, 1089]. Наряду с процессами синтеза протекали и процессы распада, так что состояние было близко к стационарному.
Водный раствор и суспензия, по мнению Опарина и Холдейна, послужили той средой, в которой развилась жизнь — это так называемый «разбавленный бульон» Холдейна. Но вполне вероятно, что многие компоненты адсорбировались погруженными в воду породами и впоследствии здесь вступали в различные реакции (4,Д). Подводой вещества были защищены от разрушения постоянно льющимся ультрафиолетовым светом или электрическими разрядами. Сначала, разумеется, не было ферментов, способных катализировать реакции, и все же некоторые типы реакций могли идти довольно быстро и без ферментов [328]. Общее уравнение разных химических реакций можно выразить как
аА + ЬВ+'.-=сС + <ЮН----. (4.1)
Каждому типу реакции между растворенными веществами можно приписать изменение свободной энергии AG. Самыми важными были окислительно-восстановительные реакции. Позднее они стали всеобщим химическим источником энергии для всего живого [943]i. В основе окислительно-восстановительных реакций лежит перенос электрона от восстановителя к окислителю. Если вместе с электроном переносится протон, например передается атом водорода, то такая реакция называется реакцией трансгидрогенирования (гидрогенирова-ние/дегидрогенирование). Решающую роль трансгидрогенирования в метаболизме уже давно подчеркивал Виланд
50
Глава 4
[1989], а роль этой реакции в метаболизме бактерий — Клюйвер [1012, 1016].
Примером такой реакции может служит реакция между пируватом и водородом, дающая лактат:
СН3—СО—СООН + Н2=СН3—СНОН—СООН;
AG;=—10,3 ккал. (4.2)
Записывая это уравнение, мы для простоты не учли электролитическую диссоциацию. Так же мы будем поступать и в дальнейшем в тех случаях, когда не освобождаются и не используются ионы водорода.
Когда окислительно-восстановительный потенциал Е можно измерить в гальванических элементах, то он связан с изменением свободной энергии уравнением
