Præbiotisk kemi baseret på formamid

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 30. marts 2021; checks kræver 4 redigeringer .

Formamid-baseret præbiotisk kemi  er et sæt hypoteser, der forudsiger, at formamid spillede en stor rolle i livets oprindelsesproces , hvilket giver komponenter til at initiere både genetiske og metaboliske processer. [1] [2]

Formamid ( ) er det enkleste naturlige amid , der indeholder alle de grundstoffer ( kulstof , oxygen , nitrogen , brint ), der er nødvendige for syntesen af ​​biomolekyler . Formamid er et meget almindeligt stof i universet , det blev fundet i centrum af galakser [3] , i det interstellare medium [4] [5] , i stjernedannende molekylære skyer i den galaktiske beboelige zone [6] , herunder nær ved den danner sollignende stjerne [7 ] , og kometer [8] .

Kilder til formamid på den tidlige jord

Cyano-formaldehyd regn

En af de hypotetiske kilder til formamid kunne være cyano-formaldehydregn, der angiveligt forekommer på den gamle Jord. [9] [10] I dette tilfælde, under serpentiniseringsreaktionerne, der opstår, når vand reagerer med jernsilikater, som opstår, når vand kommer ind i sprækkerne af basalt , dannes der hydrogen : [9] [10] . Ydermere reducerer brint kuldioxid (hvis indholdet på den gamle Jord, før fremkomsten af ​​fotosyntesen, var meget højt [11] ), hvilket giver outputtet metan ( ) og myresyre . Under påvirkning af solstråling i nærvær af nitrogen sker fotolyse af metan , reaktionsprodukterne bliver til blåsyre ( ) og dens derivater - cyanamid ( ) og cyanoacetylen ( ). Lignende reaktioner forekommer i nutidens Titans atmosfære . Blåsyre (som også kan være et råmateriale til syntese af RNA-nukleotider, aminosyrer og lipidprækursorer [9] [12] [13] [14] [15] [16] ) reagerer yderligere med vand til formamid: .

Zinkverden

Ifølge en anden hypotese var kilden til formamidet " Zinkovy Mir " ( en geotermisk kilde med et højt indhold af kalium , fosfor , zinksulfid og svovlbrinte , som højst sandsynligt var livets oprindelsessted [9] [17] ). I "zinkverdenen" blev nitrogen, under påvirkning af ultraviolet stråling , på zinksulfidkrystaller reduceret til ammoniak [18] : , og kuldioxid til myresyre: . Myresyre reagerer med ammoniak ved opvarmning og danner ammoniumformiat , som nedbrydes til formamid og vand ved opvarmning. På grund af dets høje kogepunkt (218 °C ved normalt tryk) akkumuleres det effektivt i tørre vandpytter (geotermiske kilder).

Kosmisk oprindelse

Nogle forskere foreslår også, at formamid på Jorden kan have en kosmisk oprindelse, der rammer planeten sammen med en komet, meteorit eller støvskivegas . [19]

Det er værd at understrege, at disse hypoteser ikke udelukker hinanden; på den gamle Jord kunne alle 3 processer forekomme samtidigt, hvilket ikke modsiger hypoteserne.

Formamid som råmateriale til syntese af biomolekyler

Formamid i sig selv er en god forløber for biomolekyler. Fra formamid med et højt udbytte opnås: nitrogenholdige baser [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] , aminosyrer [24] [25] , sukkerarter [24] og nukleosider [24 ] ] [9 ] [26] .

Alle fire nitrogenholdige RNA-baser ( adenin , cytosin , guanin og uracil ) dannes i højt udbytte fra formamid ( ) på overfladen af ​​titaniumoxid TiO 2 partikler under ultraviolet bestråling; adenin , cytosin og uracil  - på overfladen af ​​ler eller jernoxider ved opvarmning [9] .

Protonbestråling producerer adenin , cytosin , thymin og uracil (alt thyminfoder er forstadier til RNA- nukleotider ), såvel som aminosyrer og sukkerarter [27] .

Under normale forhold (i vand) er nitrogenholdige baser ikke i stand til at kombinere med ribose , så nukleosider dannes ikke i et vandigt medium [9] [28] . Men sammen med adenin, guanin, cytosin og uracil kan deres formylderivater med en aldehyd (CHO) gruppe på et af nitrogenatomerne i ringen være et biprodukt af formamidreaktioner. Under Butlerov-reaktionens betingelser er ribose "fuldendt" på aldehydgruppen, hvilket resulterer i dannelsen af ​​alle 4 nukleosid-RNA'er ( adenosin , guanosin, uridin og cytidin ) [28] [29] .

Fra formamid opnås 3 standard α-aminosyrer: glycin , alanin og prolin (samt aminosyrer, der ikke findes i levende celler, for eksempel: methylalanin og N-formylglycin) [24] (syntesen af ​​aminosyrer, tilsyneladende, forløber efter Strecker-mekanismen ) [27] .

Sukkere dannet af formamid er hovedsageligt pentoser ( ribose og 2' - deoxyribose ) og hexoser ( glucose , lactose , manose ) [24] .

Derudover er blåsyre , som både kan være en forløber for formamid og et produkt af dets nedbrydning (under påvirkning af dehydrerende midler ( P 2 O 5 , etc.), formamid dehydreres til dannelse af blåsyre :) , også en råmateriale til syntese af biomolekyler [30] .

Tidligere var blåsyre, som et af produkterne dannet i Miller-kolben , kun i stand til at danne aminosyrer [31] [32] . Nu er mere komplekse reaktioner blevet opdaget, for eksempel cyanosulfid-protometabolisme, opdaget af John Sutherland , hvor: RNA-nukleotider af cytosin og (med UV - bestråling) uracil, 11 aminosyrer ( glycin , alanin , serin , threonin , glutaminsyre , glutaminsyre , aspargin asparaginsyre, , prolin , arginin og valin ) og lipidprækursorer [12] [33] [34] . Samt reaktionen opdaget af Thomas Carell, hvor hydrogencyanid og formamid er udgangsmaterialerne til syntesen af ​​et stort antal forskellige typer nukleosider [15] [16] (med UV-bestråling er der dog kun 4 nukleotider tilbage [ 9] [35] [36] [25] : adenin, guanin, cytosin, uracil, det vil sige "byggestenene" af RNA).

Fra formamid og blåsyre er det således muligt at opnå alle de nødvendige "ingredienser" for at lancere " RNA-verdenen ", som er et nøglemoment i livets oprindelse, der lancerer processen med darwinistisk evolution [37] [26] .

Formamid som et medium til dannelse af RNA-molekyler

Dannelse af nukleotider

Fosforylering af nukleosider i et vandigt medium er en ekstremt ineffektiv proces. Samtidig er dannelsen af ​​nukleotider nødvendig for at starte abiogenese , for uden nukleotider er det umuligt at bygge RNA. Men i et vand-formamid-medium sker phosphorylering allerede med en tilstrækkelig hastighed [9] [38] [39] [40] . Alt du behøver er det mest almindelige fosfatmineral, hydroxyapatit Ca5(PO4)3OH, nogle kobbersalte og opvarmning til 80 °C. Kobber bruges til phosphorylering af nukleosider og i moderne celler er det en del af enzymet purin-nukleosid kinase [9] . Således løser "formamidverden"-modellen problemet med nukleotidsyntese.

Stabilisering og polymerisering af RNA

En vandig opløsning, som et medium til fremkomsten af ​​liv, har sine ulemper. I vandmiljøet er proteiner, RNA og DNA ustabile [19] . Disse lange molekyler nedbrydes til sidst i separate enheder - aminosyrer eller nukleotider. Den kemiske kombination af aminosyrer til et protein eller nukleotider til RNA sker med frigivelsen af ​​vand. Derfor, når der er meget af det omkring, flyttes balancen i denne reaktion mod nedbrydning af protein eller RNA med absorption af vand ( hydrolyse) . [9] [41] Dette problem løses dog i en vandig formamidopløsning, hvor reaktionen på grund af det reducerede vandindhold ikke vil forskydes mod sin absorption, men mod frigivelse, hvorved der kan dannes RNA-kæder uden nedbrydning [17 ] [26] [42] .

Noter

  1. ↑ Raffaele Saladino, Giorgia Botta, Samanta Pino, Giovanna Costanzoc, Ernesto Di Mauro. Genetik først eller metabolisme først? Formamid ledetråd . Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 31. maj 2019.
  2. ↑ Raffaele Saladino, Claudia Crestini, Samanta Pino, Giovanna Costanzo, Ernesto Di Mauro. Formamid og livets oprindelse . ScienceDirect .
  3. ↑ Gottlieb, CA; Palmer, Patrick; Richard, LJ; Zuckerman, B. Studier af interstellar formamid . astrofysisk datasystem (juni 1973). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 8. marts 2022.
  4. ↑ A. Coutens, JK Jørgensen, MHD van der Wiel, HSP Müller, JM Lykke, P. Bjerkeli, TL Bourke, H. Calcutt, MN Drozdovskaya, C. Favre, EC Fayolle, RT Garrod, SK Jacobsen, NFW Ligterink, KI Öberg, MV Persson, EF van Dishoeck, SF Wampfler. ALMA-PILS-undersøgelsen: Første påvisning af deutereret formamid og deutereret isocyansyre i det interstellare medium . Astronomi og astrofysik (juni 2016). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 4. juni 2018.
  5. ↑ Hollis, JM; Lovas, FJ; Remijan, Anthony J.; Jewel, P.R.; Ilyushin, VV; Kleiner, I. Påvisning af acetamid (CH3CONH2): Det største interstellare molekyle med en peptidbinding . zenodo (20. maj 2006). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 9. november 2021.
  6. ↑ Gilles R. Adande, Neville J. Woolf, Lucy M. Ziurys. Observationer af interstellar formamid: Tilgængeligheden af ​​en præbiotisk prækursor i den galaktiske beboelige zone . NCBI (maj 2013).
  7. ↑ Formamid, et nøglemolekyle i livets udseende, opdaget i nærheden af ​​en sollignende stjerne . IRAM (29. januar 2013). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 27. september 2020.
  8. ↑ Bockelée-Morvan, D.; Lis, DC; Wink, JE; Despois, D.; Crovisier, J.; Bachiller, R.; Benford, DJ; Biver, N.; Colom, P.; Davis, JK; Gerard, E.; Germain, B.; Houde, M.; Mehringer, D.; Moreno, R.; Paubert, G.; Phillips, T.G.; Rauer, H. Nye molekyler fundet i kometen C/1995 O1 (Hale-Bopp). Undersøgelse af sammenhængen mellem kometmateriale og interstellart materiale . Astronomi og astrofysik (januar 2000).
  9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Mikhail Nikitin. Livets oprindelse. Fra Nebula to Cell.. - 2016. - ISBN 978-5-91671-584-2 .
  10. ↑ 1 2 Mikhail Nikitin. Metankredsløbet på oldtidens Jord .
  11. ↑ Kevin Zahnle, Laura Schaefer, Bruce Fegley. Jordens tidligste atmosfærer . NCBI (okt 2010). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 26. juli 2019.
  12. ↑ 1 2 Elena Naimark. Cyanosulfid protometabolisme er den rigtige vej til jordisk liv . Elementer (24.03.2015). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 1. februar 2019.
  13. ↑ Alexander Markov. Kemikere har overvundet den største hindring for abiogen RNA-syntese . Elementer (18.05.2009). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 31. december 2019.
  14. ↑ Kemikere finder ud af, hvordan RNA kunne være dannet på den tidlige Jord . Videnskabeligt Rusland (19. oktober 2018).
  15. ↑ 12 Robert Service . Kemikere finder en opskrift, der kan have sat gang i livet på Jorden . Videnskab (18. oktober 2018). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 24. august 2019.
  16. ↑ 1 2 Sidney Becker, Christina Schneider, Hidenori Okamura, Antony Crisp, Tynchtyk Amatov, Milan Dejmek & Thomas Carell. Våd-tørre cyklusser muliggør den parallelle oprindelse af kanoniske og ikke-kanoniske nukleosider ved kontinuerlig syntese . Natur (11. januar 2018).
  17. ↑ 1 2 Mikhail Nikitin. Terrestriske geotermiske felter - livets vugge? (2016).
  18. ↑ Mikhail Nikitin. "Zinkverden" . Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 11. september 2018.
  19. ↑ 1 2 Opstod liv uden vand? . Hentet 8. april 2022. Arkiveret fra originalen 22. april 2021.
  20. ↑ SD Senanayake, H. Idriss. Fotokatalyse og livets oprindelse: Syntese af nukleosidbaser fra formamid på TiO2(001) enkeltoverflader . PNAS (31. januar 2006).
  21. ↑ Raffaele Saladino, Giorgia Botta, Michela Delfino, Ernesto Di Mauro. Meteoritter som katalysatorer for præbiotisk kemi . Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 9. august 2017.
  22. ↑ Niether, Doreen; Afanasenkau, Dmitry; Dhont, Jan KG Akkumulering af formamid i hydrotermiske porer for at danne præbiotiske nukleobaser . astrofysisk datasystem (april 2016).
  23. ↑ Hannah L. Barks Ragan Buckley Gregory A. sørger Ernesto Di Mauro Nicholas V. Hud Prof. Thomas M. Orlando Prof. Guanin-, adenin- og hypoxanthinproduktion i UV-bestrålede formamidopløsninger: Lempelse af kravene til præbiotisk purin-nukleobasedannelse . ChemBioChem (7. juni 2010).
  24. ↑ 1 2 3 4 5 6 Raffaele Saladino, Eleonora Carota, Giorgia Botta, Mikhail Kapralov, Gennady N. Timoshenko, Alexei Y. Rozanov, Eugene Krasavin og Ernesto Di Mauroc. Meteorit-katalyserede synteser af nukleosider og af andre præbiotiske forbindelser fra formamid under protonbestråling . NCBI (2015 13. april). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 15. marts 2021.
  25. ↑ 1 2 3 Armen Mulkidzhanyan, Ivar Maksutov. Hvordan en gammel celle kunne være opstået fra de enkleste aggregater af RNA er et stort spørgsmål for videnskabsmænd . PostNauka (28. NOVEMBER 2014). Hentet 23. juli 2019. Arkiveret fra originalen 23. juli 2019.
  26. ↑ 1 2 3 4 _ Judit E. Sponer, Prof. Jiří Šponer, Dr. Olga Novakova, Prof. Viktor Brabec, Dr. Ondrej Sedo, Dr. Zbynek Zdrahal, Dr. Giovanna Costanzo, Dr. Samantha Pino, Prof. Raffaele Saladino, Prof. Ernesto di Mauro. Fremkomsten af ​​de første katalytiske oligonukleotider i et formamidbaseret oprindelsesscenarie . Kemi et europæisk tidsskrift (25. januar 2016).
  27. ↑ 1 2 Raffaele Saladino, Eleonora Carota, Giorgia Botta, Mikhail Kapralov, Gennady N. Timoshenko, Alexei Y. Rozanov, Eugene Krasavin og Ernesto Di Mauro. Meteorit-katalyserede synteser af nukleosider og af andre præbiotiske forbindelser fra formamid under protonbestråling . PNAS (26. maj 2015). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 26. december 2019.
  28. ↑ 1 2 Mikhail Nikitin. Fremstilling af nukleotider (2016).
  29. ↑ Fremkomsten af ​​nukleotider. Udvikling af liv på Jorden - 6 .
  30. ↑ Rutten M. Oros eksperimenter med opvarmet vand (1971). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 23. februar 2020.
  31. ↑ Stanley Miller. En produktion af aminosyrer under mulige primitive jordforhold (1953).
  32. ↑ PZ Myers. Gamle videnskabsmænd renser aldrig deres køleskabe (2008).
  33. ↑ Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy & John D. Sutherland. Fælles oprindelse af RNA, protein og lipidprækursorer i en cyanosulfid protometabolisme . Natur (2015). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 10. december 2019.
  34. ↑ Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy og John D. Sutherland. [ https://earthscience.rice.edu/wp-content/uploads/2015/10/Nature-Chemistry-2015-Patel.pdf Fælles oprindelse af RNA, protein og precursor lipider i en cyanosulfid protometabolisme] . Natur (2015). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 9. august 2017.
  35. ↑ Mikhail Nikitin. Sol: ven eller fjende? (2016).
  36. ↑ Armen Y. Mulkidjanian, Michael Y. Galperin. Fysisk-kemiske og evolutionære begrænsninger for dannelse og udvælgelse af første biopolymerer: Mod konsensusparadigmet om livets abiogene oprindelse . Kemi & biodiversitet (21. september 2007). Hentet 23. juli 2019. Arkiveret fra originalen 23. juli 2019.
  37. ↑ Alexander Markov. På jagt efter evolutionens begyndelse . Elementer (2015). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 27. januar 2019.
  38. ↑ Mikhail Nikitin. Ribozymes Master Metabolism (2016).
  39. ↑ Giovanna Costanzo, Raffaele Saladino, Claudia Crestini, Fabiana Ciciriello og Ernesto Di Mauro. Nukleosidfosforylering med fosfatmineraler . Tidsskrift for biologisk kemi (3. april 2007.). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 8. december 2019.
  40. ↑ Allen M. Schoffstall. Præbiotisk phosphorylering af nukleosider i formamid (december 1976). Hentet 18. juli 2019. Arkiveret fra originalen 8. juni 2018.
  41. ↑ Mikhail Nikitin. Hvor meget vand skal der til for at livet kan komme til syne? .
  42. ↑ Dr. Giovanna Costanzo Prof. Raffaele Saladino Dr. Giorgia Botta Dr. Alessandra Giorgi Dr. Anita Scipioni Samantha Pino Prof. Ernesto di Mauro. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cbic.201200068 . ChemBioChem (30. marts 2012).