Фотохимия и «черные курильщики»

Никитин М.А.
«ХиЖ», 2013, №4

В предыдущем номере мы выясняли, каким образом в природе мог происходить отбор «левых» аминокислот и «правых» моносахаридов, в первую очередь рибозы. Теперь переходим к следующему, не менее важному вопросу: почему в состав РНК и ДНК входят именно аденин, гуанин, цитозин и урацил/тимин, а не другие подходящие по размеру гетероциклические азотистые основания?

Вопрос отнюдь не праздный, потому что американские биохимики под руководством Стивена Беннера, одного из основателей синтетической биологии, уже синтезировали несколько пар альтернативных нуклеотидов, которые хорошо встраиваются в ДНК и РНК обычными ферментами, спариваются друг с другом, но не с А, Г, Т и Ц и расширяют нуклеотидный код до шестибуквенного (Yang et al., 2011. «Journal of the American Chemical Society»., 2011, 133, 15105—15112, doi:10.1021/ja204910n, русский краткий анонс: http://www. chemport.ru/datenews.php?news=2557).

Получается, что с задачей хранения генетической информации справились бы самые разные варианты нуклеиновых оснований и А, Г, Т, Ц, возможно, были отобраны природой совсем по другим признакам. Как считает известный биофизик Армен Мулкиджанян (Университет Оснабрюк, Германия), таким признаком была устойчивость к ультрафиолету (Mulkidjanian, A.Y., Galperin, M.Y., «Chemistry and Biodiversity», 2007, 4, 2003—2015, doi:10.1002/cbdv.200790167).

1. Слева — фрагмент ДНК, в котором нуклеотиды содержат стандартные азотистые основания А, Т, G, С, справа — пара альтернативных нуклеиновых оснований Z и P, способных выполнять ту же роль в ДНК

Здесь надо пояснить, как происходит взаимодействие молекул с квантами света. Когда в молекулу попадает квант с подходящей энергией, он поглощается парой электронов, образующей химическую связь, и молекула возбуждается. Возбужденных состояний как минимум два. Сначала молекула оказывается в неустойчивом и короткоживущем синглетном состоянии. В нем спины электронов возбужденной пары еще антипараллельны, как и в спокойном состоянии молекулы. Отсюда молекула может сбросить возбуждение путем флюоресценции (излучения светового кванта с энергией чуть меньше исходной), путем рассеяния энергии в тепло либо перейти в триплетное состояние, в котором спины электронов становятся параллельными и химическая связь фактически разрывается. Если была возбуждена одинарная связь, то молекула разваливается в этом месте на два радикала. Если же была возбуждена пи-электронная система, образующая двойные связи, то молекула в триплетном состоянии сохраняет целостность, но становится бирадикалом — у нее есть два неспаренных электрона. Поэтому триплетное состояние химически активно и вступает в разнообразные реакции, например этилен при УФ-облучении частично димеризуется в циклобутан. Молекула может также вернуться из триплетного состояния в базовое, невозбужденное путем излучения кванта света — фосфоресценции. В отличие от флюоресценции фосфоресценция может происходить спустя минуты и часы после облучения вещества, а разница в энергии поглощенного и излученного кванта света больше.

Так вот, у природных нуклеиновых оснований синглетное состояние крайне короткоживущее. Оно легко рассеивает энергию возбуждения в тепло через колебания и вращение молекулы, обмен атомами водорода и другие механизмы. Синглетное состояние пуриновых оснований, аденина и гуанина, живет около 10^-12 секунды — примерно в 10 000 раз меньше, чем синглетные состояния большинства ароматических молекул, например аминокислоты триптофана.

Пиримидиновые основания, цитозин и тимин, несколько уступают по устойчивости пуринам, но образование уотсон-криковских пар повышает устойчивость еще примерно в 50 раз благодаря рассеиванию энергии при обмене протонами в водородных связях пары. Кроме того, в нуклеиновых кислотах плоские молекулы азотистых оснований лежат стопкой, поэтому их пи-электронные системы взаимодействуют между собой (так называемое стэкинг-взаимодействие) и могут передавать друг другу энергию возбуждения, еще усиливая рассеивание и увеличивая устойчивость к ультрафиолету — до 20 раз по сравнению с одной парой нуклеотидов (Mulkidjanian et al., «BMC Evolutionary Bioljgy», 2003, 3, 12, doi: 10.1186/1471-2148-3-12).

Азотистые основания не только сами устойчивы к ультрафиолету, они защищают соседние молекулы. Например, предохраняют от УФ-расщепления фосфоэфирную связь (О-Р). При облучении глицеролфосфата отщепление фосфорной кислоты происходит в 300 раз быстрее, чем при облучении аденозинмонофосфата, а образование комплементарных пар и стэкинг-взаимодействие увеличивают степень защиты.

Таким образом, РНК-подобный полимер весьма устойчив к воздействию ультрафиолета: во-первых, благодаря свойствам отдельных азотистых оснований, во-вторых, благодаря стэкинг-взаимодействию между ними.

Показано, что короткие молекулы РНК синтезируются из отдельных нуклеотидов на поверхности минералов, таких, как алюмосиликатные глины и сульфиды металлов, в присутствии пирофосфатов при упаривании воды и нагревании до 100—120^OС. В концентрированных растворах формамида (исходного вещества для синтеза азотистых оснований) фосфорилирование и полимеризация нуклеотидов и соединение олигонуклеотидных цепей друг с другом идут особенно легко даже без минеральных катализаторов (Saladino et al, «Biochimie», 2012, 94, 1451—1456, doi: 10.1016/j.biochi.2012.02.018).

Стэкинг-взаимодействие также способствует хиральной чистоте РНК- молекул. Олигонуклеотиды из трех-пяти звеньев достаточно коротки, чтобы даже из рацемической смеси нуклеотидов случайно получались хирально чистые молекулы, и при этом достаточно длинны, чтобы стэкинг-взаимодействие давало заметный бонус к защите. Присоединение к такой цепочке нуклеотида другой хиральности будет неустойчивым, так как он станет слабым звеном молекулы, и по мере роста цепи этот эффект усиливается.

Таким образом, солнечный ультрафиолет может служить фактором отбора по следующим направлениям:

— отбор самых УФ-стойких азотистых оснований, образующих комплементарные пары, среди других ароматических соединений;

— отбор хирально чистых олигонуклеотидов среди рацемических;

— отбор длинных молекул РНК по сравнению с более короткими;

— отбор молекул РНК, содержащих локальные двуспиральные участки (шпильки) среди молекул со случайными последовательностями.

Можно также представить себе некий аналог природной полимеразной цепной реакции — под ультрафиолетовым излучением на РНК-матрицах растут комплементарные цепи, затем локальный нагрев выше 100^ОС расщепляет двухцепочечные РНК на одиночные цепи, которые при снижении температуры опять достраивают себе комплементарные цепи. Это обеспечивает репликацию любых РНК, даже тех, что не обладают каталитической активностью.

Теперь рассмотрим следующий фактор, важный для первых биомолекул, — ионный состав окружающей среды. Мы можем восстановить его по составу цитоплазмы современных клеток. Первые клетки вряд ли были способны контролировать содержание неорганических ионов — для этого требуются сложные липидные мембраны и энергозатратные системы активного транспорта. Поэтому, скорее всего, ионный состав тех клеток был таким же, как в их местообитаниях. К этому ионному составу приспосабливались первые РНК и белки, и затем менять его было бы уже слишком сложно. Аналогичным образом плазма крови по составу солей напоминает морскую воду, потому что первые животные появились в морях и регулировать содержание солей в крови научились далеко не сразу.

Бросается в глаза высокое, по сравнению с морской водой, содержание в клетках калия и низкое — натрия. По всем геохимическим реконструкциям, древние моря, подобно современным, содержали мало калия и много натрия. В континентальных озерах, как пресных, так и соленых, «клеточное» сочетание ионов тоже не встречается. Ближе всего к клеткам по соотношению калия и натрия оказываются воды геотермальных источников.

Другая особенность ионного состава клеток — высокая концентрация ионов переходных металлов, прежде всего железа и цинка, а также марганца и меди. Концентрация цинка в клетках в миллион раз выше, чем в морской воде! Обогащение этими четырьмя металлами характерно для одной разновидности геотермальных источников — «черных курильщиков».

«Черные курильщики» были открыты в 1977 году при погружениях батискафа «Алвин» Океанографического института Вудсхола (США) к Восточно-Тихоокеанскому поднятию. Глазам исследователей предстала поразительная картина — трубы на морском дне, из которых валит густой черный дым. Это, конечно, не дым, а перегретая геотермальная вода с температурой до 400^OC, которая не закипает из-за большого давления. Черной ее делает взвесь сульфидов металлов. Выходя из трубы, геотермальная вода охлаждается, и в осадок из нее сначала выпадают черные сульфиды: FeS, CuS, NiS. Из них складываются трубы «черных курильщиков». При дальнейшем охлаждении, в диапазоне 200—300^OС, выпадают ZnS и MnS, покрывающие белым ковром дно вокруг «черных курильщиков». Если геотермальная вода течет медленно, она успевает остыть до 300^OС еще до выхода в океан, и образуются небольшие «белые курильщики», трубы которых сложены из ZnS и MnS. Геотермальная вода обогащена также сероводородом, ионами калия и магния и имеет щелочную реакцию.

2. Схема и фотография «черного курильщика»

Здесь мы сталкиваемся с противоречием. С одной стороны, нуклеотиды и РНК несут на себе отпечаток отбора на устойчивость к ультрафиолету, с другой стороны, ионный состав клеток вроде бы указывает на их происхождение в морских глубинах, куда ультрафиолет проникнуть не может. Однако при более высоком атмосферном давлении древней Земли вода на ее поверхности кипела при более высокой температуре, и геотермальные источники могли доставлять сульфиды металлов и на поверхность континентов, под лучи cолнца. Для осаждения на суше ZnS и MnS достаточно давления атмосферы в десять раз выше современного, для осаждения FeS и CuS — в 70—80 раз выше, примерно как на Венере. Геохимики не пришли к согласию относительно точных значений давления атмосферы древней Земли, но сходятся на том, что оно было заметно выше нынешнего — скорее всего, достаточно высоким для отложения на суше сульфидов цинка и марганца.

Наконец, еще один ключевой неорганический компонент живых клеток — фосфат — не присутствует в достаточно высоких концентрациях ни в одной природной среде. Более того, высокая концентрация фосфата несовместима с клеточными концентрациями магния, кальция и других двухвалентных металлов — их фосфаты плохо растворимы и должны выпадать в осадок. (В клетке этого не происходит, потому что почти весь внутриклеточный фосфор находится в составе различных фосфорилированных органических молекул, соли которых с магнием и кальцием растворимы.)

Скорее всего, на древней Земле в отсутствие кислорода были распространены восстановленные формы фосфора — фосфиты и гипофосфиты, которые лучше растворимы в воде, чем фосфаты, и надо искать механизмы их накопления в высоких концентрациях (Holm et al, «Origins of Life and Evolution of Biospheres», 2011, 41, 483—493, doi: 10.1007/s11084-011-9235-4). Например, в континентальных геотермальных источниках фосфата бывает в 10—100 и даже в 1000 раз больше, чем в морях. В этих же источниках встречаются и фосфиты.

Армен Мулкиджанян и вулканолог Андрей Бычков предположили, что фосфиты и другие неорганические компоненты клеток концентрировались при испарении и конденсации в горячих источниках («Proceedings of the National Academy of Sciences USA», 2012, 109, E821-E830; doi: 10.1073/ pnas.1117774109). Горячая вода может достигать поверхности Земли в жидком виде (обычный горячий источник), в виде пара (фумарола) и через испарение с последующей конденсацией обратно в жидкость. В последнем случае образуются грязевые котлы. Исследования горячих источников показали, что некоторые неорганические ионы испаряются и конденсируются вместе с водой. К ним относятся фосфат, фосфит, калий, цинк, марганец, силикат и борат. (Конденсация летучих силикатов образует характерную мелкозернистую глину грязевых котлов.) Натрий и железо, напротив, остаются в жидкой фазе. Вместе с водой и ионами летят и конденсируются вулканические газы: сероводород, угарный газ, аммиак и синильная кислота. Кроме того, система из грязевых котлов, питаемая испарениями геотермальных вод, может накапливать промежуточные продукты абиогенных синтезов, особенно формамид — его температура кипения превышает 200^оС при обычном атмосферном давлении, и за счет этого в высыхающих лужах его концентрация значительно возрастает. Так что слова Чарльза Дарвина о появлении жизни в «маленьком теплом пруду» оказываются ближе к реальности, чем всепланетный «первичный бульон» Опарина и Холдейна.

О других преимуществах горячих источников как возможного места предбиогенного синтеза мы поговорим в следующем номере.