2.6 Синтез белков и нуклеиновых кислот

Поскольку жизнь на уровне низкомолекулярных соединений невозможна, то их накопление было бы бессмысленным, если бы они не смогли образовать важнейшие полимеры: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Только после этого можно было бы говорить о зарождении клетки. Но вся проблема состоит в том, что до сих пор никому ещё не удалось получить ни одной молекулы белка, ни одной молекулы ДНК или РНК, имитируя всевозможные условия, которые предположительно могли существовать на древней Земле (Mills, 1993).

2.6.1 Проблемы синтеза белка. Самым главным фактором, препятствующим синтезу пептидов, являлся, как ни странно, первичный океан. При построении пептидной цепи присоединение каждого нового аминокислотного звена сопровождается выделением молекулы воды (реакция поликонденсации). Однако, согласно принципу Ле-Шателье, в водной среде предпочтение получит обратная реакция, т. е. гидролиз полимера. Для того чтобы сдвинуть реакцию в сторону полимеризации, необходим одновременный приток энергии и удаление образовавшейся воды (Майр, 1981). Но как этого добиться?

Разрешить проблему полимеризации аминокислот попытался американский учёный С. Фокс. Он нагревал сухую смесь чистых аминокислот до 130—180°С и получал полимерные цепи, названные им термальными протеиноидами. Согласно сценарию Фокса, синтезированные в бульоне аминокислоты должны были перенестись на горячие скалы или частицы вулканического пепла, полимеризоваться (за счёт испарения воды и нагревания) и снова возвратиться в океан. Но, как оказалось, подобный сценарий не решил проблему, а, наоборот, создал дополнительные трудности. При нагревании 20-и природных аминокислот три из них (цистеин, серин и треонин) разрушаются, а из оставшихся вместо линейной цепочки образуется сетчатый полимер, в котором отдельные звенья связаны поперечными мостиками. Кроме того, только 50% связей между аминокислотами были «белковыми», т. е. ?-амидными (Юнкер, 1997). Поэтому Фокс и назвал полученные полимеры не белками, а протеиноидами. Формирование настоящих пептидов возможно только тогда, когда нужные карбоксильные и аминогруппы активизируются, а боковые цепочки защищены от нежелательных побочных реакций, например, специальными защитными агентами6. Как мог осуществиться такой синтез на древней Земле, остаётся загадкой.

Не следует упускать из виду, что пептидная цепочка должна была приобрести необходимую вторичную, третичную и четвертичную структуру, в противном случае белок не будет функционировать должным образом, т. е. ускорять катализируемую ими реакцию в 10⁶—10¹² раз. В отношении протеиноидов Фокса эти понятия вообще не применимы, поскольку протеиноид не имеет даже первичной структуры, свойственной природным ферментам.

И всё же, если предположить, что настоящий белок каким-то образом синтезировался на древней Земле, то под действием УФ-лучей он был бы разрушен, в том числе и в воде.

2.6.2 Проблема синтеза нуклеиновых кислот. Если при полимеризации аминокислот необходимые пептидные связи образуются в 50% случаев, то при формировании ДНК (РНК), нужных связей может не образоваться вообще.

2.6.2.1 Синтез нуклеозидов. Как мы уже говорили, ни азотистые основания, ни сахара при моделировании условий первобытной земли не образуются, однако теоретически такую возможность исключать нельзя. Поэтому, если исходить из того, что данные компоненты всё же присутствовали в «бульоне», то следующим этапом на пути образования нуклеиновых кислот должен стать синтез нуклеозидов, т. е. объединение азотистых оснований (пуриновых и пиримидиновых) с сахаром. И здесь мы сталкиваемся с серьёзнейшей проблемой: в условиях модели древней Земли эти вещества наотрез отказываются соединяться. Пиримидиновые нуклеозиды (уридин, цитидин) не синтезируются совсем, а пуриновые нуклеозиды (аденозин, гуанозин) синтезируются, но с очень низкой эффективностью. Дело в том, что молекуле РНК связь между азотистым основанием (например, аденином) и сахаром – рибозой – исключительно ?-1» -конфигурации. Но у рибозы имеются 4 гидроксильные группы, 3 из которых находятся при асимметричном атоме углерода. Таким образом, присоединение к ней аденина возможно по 7 вариантам. До сих пор никому ещё не удавалось предложить метод, обеспечивающий хороший выход необходимой ?-1» -связи (Майр, 1981; Spirin, 2007).

2.6.2.2 Синтез нуклеотидов. Для получения непосредственных мономерных субъединиц РНК – нуклеотидов, образовавшиеся нуклеозиды должны фосфолирироваться, т. е. присоединить к себе молекулу фосфата. Однако опять-таки возможность абиогенного фосфорилирования весьма проблематична, особенно в водной среде, в связи с низким выходом реакций и беспорядочным фосфорилированием самых различных групп нуклеозидов, дающих сложную смесь фосфорилированных продуктов вместо требуемых нуклеозид-5» -фосфатов (Spirin, 2007).

В конечном итоге, как пишет академик А. Спирин, «заключение, которое можно сделать из всех имеющихся данных, не утешительно: несмотря на все ухищрения и моделирование различных условий первобытной Земли, к настоящему времени не удаётся воспроизвести полный абиогенный синтез ни одного из нуклеотидов, являющихся компонентами (мономерами) РНК» (Spirin, 2007). С ним соглашаются и другие биохимики (Joyce, 2006; Orgel, 2004).

***

Однако в 2009 г. в журнале Nature химик Джон Сазерленд (John Sutherland) и его коллеги из Манчестерского университета (Великобритания) сообщили, что нашли способ, позволяющий синтезировать рибонуклеотиды, и при том пиримидиновые. Напомним, что до этого из пиримидиновых оснований не удалось получить даже нуклеозидов, а в их опытах получены сразу нуклеотиды. Весь секрет заключался в том, что они соединяли не готовые «блоки» – рибозу и пиримидиновое основание, а использовали более простые органические молекулы (цианоацетилен, цианамид, гликольальдегид и глицеральдегид) соединяя их вместе в присутствии неорганического фосфата. В итоге им удалось синтезировать цитидинфосфат, а из него и уридинфосфат (Powner, 2009). Эта публикация вызвала довольно большой отклик среди сторонников идеи самозарождения жизни.

Однако ликование вскоре утихло. В профессиональной среде эту работу оценили невысоко. Американский геофизик, профессор С. Майер, критикуя статью Сазерленда, пишет: «В статье „Nature“ утверждается, что стартовые молекулы представляют собой „правдоподобное предбиологическое сырьё“, однако, как говорит Гарнер, это утверждение обращает на себя внимание прежде всего тем, что у них подразумевается под словом „правдоподобное“. В этом случае получение гликольальдегида и глицеральдегида настолько же „правдоподобно“, насколько правдоподобно утверждение, что если у вас есть пакет муки, масло, яйца, сахар, разрыхлитель, соль, то вы можете испечь торт, используя некий „режим нагрева“. Тем не менее, каждый пекарь знает, что ингредиенты должны использоваться в нужном количестве и правильном порядке, и что „режим нагрева“ должен применяться на нужном уровне, иначе ваш торт будет несъедобен. Для получения даже простых молекул предшественников рибонуклеотидов нужен не только правильный „режим нагрева“, что не маловажно, но также и соответствующее количество, и очерёдность „режимов нагрева, и продолжительная дегидратация с последующим охлаждением, регидратацией и ультрафиолетовым облучением“» (Meyer, 2010).