Химия пребиотиков на основе формамида - Formamide-based prebiotic chemistry

Химия пребиотиков на основе формамида относится к текущим научным усилиям, направленным на реконструкцию зарождения жизни на нашей планете, при условии, что формамид может накапливаться в достаточно больших количествах, чтобы служить строительным блоком и реакционной средой для синтеза первого биогенный молекулы.[1]

Формамид (NH2CHO), простейший из встречающихся в природе амид, содержит все элементы (водород, углерод, кислород, и азот ), которые необходимы для синтеза биомолекулы, и является повсеместной молекулой в Вселенная.[2] Формамид был обнаружен в галактические центры,[3],[4] области звездообразования плотных молекулярные облака,[5] молодые звездные объекты большой массы,[6] то межзвездная среда,[7] кометы,[8],[9],[10] и спутники.[11] В частности, плотные облака, содержащие формамид, размером порядка килограмм.парсек, наблюдались в окрестностях Солнечная система.[5]

Формамид формы при различных условиях, соответствующих как земная среда и межзвездные медиа: например, об облучении частицами высоких энергий бинарных смесей аммиак (NH3) и монооксид углерода (CO),[12] или из реакции между муравьиная кислота (HCOOH) с NH3.[13] Было высказано предположение, что в гидротермальных порах формамид может накапливаться в достаточно высоких концентрациях, чтобы обеспечить синтез биогенный молекулы.[14] Ab initio молекулярная динамика моделирования показали, что формамид может быть ключом средний из Миллер-Юри эксперимент также.[15]

Комбинаторная сила углерод проявляется в составе молекулярных популяций, обнаруженных в околоземных и межзвездные медиа (см. Astrochemistry.net[16] интернет сайт). Количество и сложность углерод -содержащих молекул значительно выше, чем у неорганические соединения, предположительно во всем Вселенная. Один из самых распространенных трехатомных атомов углерода молекула наблюдается в космосе цианистый водород (HCN).[17] Таким образом, химия HCN привлекла внимание исследователей. Происхождение жизни исследования с древнейших времен и лабораторный синтез аденин от HCN по предполагаемому пребиотик об условиях было сообщено еще в 1961 году.[18] Внутренний предел HCN проистекает из его высокой реакционной способности, которая, в свою очередь, приводит к нестабильности и трудностям, связанным с его концентрацией и накоплением в непрореагировавшей форме.[19] «Теплый прудик», в котором якобы зародилась жизнь, как это представлял Чарльз Дарвин[20],[21] и переработан Александр Опарин,[22] скорее всего, достигнет достаточно высоких концентраций, чтобы начать создавать следующие уровни сложности. Следовательно, необходимость в производной HCN, которая была бы достаточно стабильной, чтобы выжить в течение периодов времени, достаточно продолжительных, чтобы позволить его концентрацию в реальных условиях. физико-химический настройки, но этого достаточно реактивный для создания новых соединений в пребиотически вероятных средах.[19] В идеале это производная должен иметь возможность подвергаться реакции в различных направлениях, без чрезмерно высоких энергетические барьеры, что позволяет производить различные классы потенциально пребиотических соединения. Формамид отвечает всем этим требованиям и, благодаря значительно более высокой точка кипения (210 ° C), обеспечивает химический синтез в гораздо более широком диапазоне температур, чем вода.[1],[23]

Пребиотическая химия

Текущие живые формы на земной шар в основном состоят из четырех типов молекулярных объектов: (i) нуклеиновые кислоты, (ii) белки, (iii) углеводы, и (iv) липиды. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК ) воплощают и выражают генетическая информация и вместе составляют геном и аппарат для его выражения ( генотип ). Белки, углеводы, и липиды формировать конструкции, которые удерживают и обрабатывают энергия из среды для организации иметь значение в соответствии с инструкциями, указанными генотип, с целью его сохранения и передачи. Ансамбль белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты составляют фенотип. Таким образом, жизнь состоит из взаимодействия метаболизм и генетика, из генотип с фенотип. Оба построены вокруг химия из самых распространенных элементы из Вселенная (водород, кислород, азот, и углерод ), важную, хотя и вспомогательную роль фосфор и сера, и другими элементами.

Учитывая огромное разнообразие химически мыслимых молекулы, факт, что в биологические системы мы наблюдаем лишь небольшое подмножество Органические молекулы поднял вопросы, как и какие различные пути реакции могли правдоподобно привести к синтезу добиологических молекулы на первозданном земной шар. Это основные цели пребиотическая химия исследование.

Предшественник биогенных молекул

Рис. 1. Взаимосвязь между формамидом и другими молекулами пребиотического сырья, такими как HCN и формиат аммония. [1]
Рисунок 1. Взаимосвязь между формамид и другие молекулы пребиотического сырья, такие как HCN и формиат аммония (NH4+HCOO−).[1]

Рисунок 1 суммирует базовый химический состав формамид и его химическая связь с HCN и формиат аммония (NH4+HCOO−), рассматривая избранные примеры препаративных и деструктивных реакций.[1]

Синтез пурин из формамид впервые было сообщено в 1980 году.[24] Серия исследований, основанных на этом наблюдении, была начата 20 лет спустя: синтез большой панели пребиотически релевантных соединения (включая пурин, аденин, цитозин, и 4 (3H) пиримидинон) с хорошими выходами.[25] Эти продукты были получены нагреванием формамид при наличии простых катализаторы Такие как карбонат кальция (CaCO3), кремнезем (SiO2), или же глинозем (Al2О3).

В добавление к азотистые основания, сахара,[26] карбоновые кислоты,[27] аминокислоты,[27] а также гетерогенные соединения различных классов,[27] (включая мочевина и карбодиимид ) также были синтезированы. В катализаторы изученные включают, в дополнение к упомянутым, оксиды титана,[28] глины,[29] космическая пыль аналоги,[30] фосфаты,[31] сульфид железа минералы,[32] цирконий минералы,[33] боратные минералы,[34] или многочисленные материалы метеоритного происхождения [26],[27] охватывающий утюг, каменное железо, хондриты, и ахондриты метеориты.

Различные источники энергии, в том числе тепловая,[25] УФ-излучение,[31] облучение высокоэнергетическими (тераваттными) лазерными импульсами,[35] или медленно протоны[26] были протестированы. Были реконструированы и проанализированы модели различных пребиотических сценариев на основе формамида, включая космическое облучение метеоритов солнечным ветром,[26] динамические химические сады,[36] и метеориты в водных средах.[37] Было высказано предположение, что ступенчатое снижение температуры пребиотической среды может вызвать последовательность сильных неравновесный химические события, которые привели к появлению все более и более сложных видов формамида на ранней Земле.[23],[38]

Для каждой изученной комбинации катализатор / источник энергии / окружающая среда, формамид конденсируется в различные пребиотически релевантные соединения, каждая комбинация дает определенный набор относительно сложных молекул, обычно включающих несколько азотистые основания, аминокислоты, и карбоновые кислоты.[1] Наивысший уровень сложности достигнут на формамид /метеорит система,[27] с помощью протон облучение как источник энергии, где однокамерный синтез четырех нуклеозиды (уридин, цитидин, аденозин, тимидин ) наблюдалось.[26] До сих пор ни одно другое соединение с одним атомом углерода не показало универсальности продуктов, которые могут быть получены из формамид в вероятных пребиотических условиях в химическом растворе с одним горшком (см. рисунок 2).[39]

Рис. 2. Основные строительные блоки пребиотиков, которые можно синтезировать из формамида в вероятных пребиотических условиях. [1]
Рисунок 2. Основные строительные блоки пребиотиков, которые можно синтезировать из формамид при вероятных пребиотических условиях.[1],[26]

В дополнение к его двойной функции субстрат и растворитель в один горшок синтезы с получением таких сложных пребиотических соединений, как нуклеозиды и долго алифатический цепи[37] было замечено, что формамид играет роль в генерации молекулы которые ближе к биологической области. При наличии фосфат источник (например, фосфатные минералы ), формамид продвигает фосфорилирование из нуклеозиды, приводя к образованию нуклеотиды,[40],[41] и сильно стимулирует не-ферментативный полимеризация 3 ’, 5’ циклические нуклеотиды, ведущий к абиотический синтез РНК олигомеры.[42] Это причина, по которой формамид считается подходящей средой для пребиотика фосфорилирование реакции также в Сценарий «прерывистый синтез» о происхождении жизни.[43],[44]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Saladino, R .; Botta, G .; Пино, С .; Костанцо, G .; Ди Мауро, Э. (2012). «Генетика в первую очередь или метаболизм в первую очередь? Ключ к разгадке формамида». Chem. Soc. Rev. 41 (16): 5526–5565. Дои:10.1039 / c2cs35066a. PMID  22684046.
  2. ^ Saladino, R .; Crestini, C .; Пино, С .; Костанцо, G .; Ди Мауро, Э. (2012). «Формамид и происхождение жизни». Phys. Жизнь Rev. 9 (1): 84–104. Bibcode:2012ФЛРв ... 9 ... 84С. Дои:10.1016 / j.plrev.2011.12.002. HDL:2108/85168. PMID  22196896.
  3. ^ Flygare, W.H .; Benson, R.C .; Tigelaar, H.L .; Rubin, R.H .; Свенсон, Г. (1973). Гордон, MA (ред.). Молекулы в галактическом окружении. Нью-Йорк: John Wiley and Sons, Inc., стр.173–179. ISBN  0471316083.
  4. ^ Gottlieb, C.A .; Palmer, P .; Рикард, L.J .; Цукерман, Б. (1973). «Исследования межзвездного формамида». Astrophys. J. 182 (3): 699–710. Bibcode:1973ApJ ... 182..699G. Дои:10.1086/152178.
  5. ^ а б Adande, G.R .; Вульф, штат Нью-Джерси; Зюрис, Л.М. (2013). «Наблюдения за межзвездным формамидом: наличие пребиотика-предшественника в галактической обитаемой зоне». Астробиология. 13 (5): 439–453. Bibcode:2013AsBio..13..439A. Дои:10.1089 / аст.2012.0912. ЧВК  3657286. PMID  23654214.
  6. ^ Schutte, W.A .; Boogert, A.C.A .; Tielens, A .; Whittet, D.C.B .; Gerakines, P.A .; Chiar, J.E .; Ehrenfreund, P .; Гринберг, J.M .; van Dishoeck, E.F .; де Граау, Т. (1999). «Слабые особенности поглощения льда на 7,24 и 7,41 MU M в спектре скрытого молодого звездного объекта W 33A». Astron. Астрофизики. 343 (3): 966–976. Bibcode:1999A & A ... 343..966S.
  7. ^ Соломон, П. (1973). «Межзвездные молекулы». Физика сегодня. 26 (3): 32–40. Bibcode:1973ФТ .... 26с..32С. Дои:10.1063/1.3127983.
  8. ^ Bockelee-Morvan, D .; Лис, округ Колумбия; Wink, J.E .; Despois, D .; Crovisier, J .; Бачиллер, Р .; Benford, D.J .; Biver, N .; Colom, P .; Дэвис, J.K .; Gerard, E .; Germain, B .; Houde, M .; Mehringer, D .; Moreno, R .; Paubert, G .; Phillips, T.G .; Рауэр, Х. (2000). «Новые молекулы обнаружены в комете C / 1995 O1 (Хейл-Бопп) - Исследование связи между кометой и межзвездным материалом». Astron. Астрофизики. 353 (3): 1101–1114. Bibcode:2000A и A ... 353.1101B.
  9. ^ Despois, D .; Crovisier, J .; Bockele-Morvan, D .; Бивер, Н. (2002). Лакост, Х. (ред.). Труды Второго Европейского семинара по экзоастробиологии, ESA-SP Vol. 518. Нордвейк: Отдел публикаций Esa C / O Estec. С. 123–127. ISBN  929092828X.
  10. ^ Лис, округ Колумбия; Mehringer, D.M .; Benford, D .; Gardner, M .; Phillips, T.G .; Bockelee-Morvan, D .; Biver, N .; Colom, P .; Crovisier, J .; Despois, D .; Рауэр, Х. (1997). «Новые молекулярные частицы в комете C / 1995O1 (Хейла-Боппа), наблюдаемые Субмиллиметровой обсерваторией Калифорнийского технологического института». Планеты Земля Луна. 78 (1–3): 13–20. Bibcode:1997EM&P ... 78 ... 13L. Дои:10.1023 / а: 1006281802554. S2CID  51862359.
  11. ^ Hudson, R.L .; Мур, М. (2004). «Реакции нитрилов во льдах, относящиеся к Титану, кометам и межзвездной среде: образование цианат-иона, кетениминов и изонитрилов». Икар. 172 (2): 466–478. Bibcode:2004Icar..172..466H. Дои:10.1016 / j.icarus.2004.06.011.
  12. ^ Koike, T .; Канеко, Т .; Кобаяши, К .; Miyakawa, S .; Такано, Ю. (2003). «Образование органических соединений из смоделированной атмосферы Титана: перспективы миссии Кассини». Биол. Sci. Космос. 17 (3): 188–189. PMID  14676367.
  13. ^ Kröcher, O .; Elsener, M .; Джейкоб, Э. (2009). «Исследование модельного газа формиата аммония, метанамида и гуанидиния в качестве альтернативных соединений-предшественников аммиака для селективного каталитического восстановления оксидов азота в выхлопных газах дизельных двигателей». Appl. Катал. B: Окружающая среда. 88 (1–2): 66–82. Дои:10.1016 / j.apcatb.2008.09.027.
  14. ^ Niether, D .; Афанасенко, Д .; Dhont, J.K.G .; Виганд, С. (2016). «Накопление формамида в гидротермальных порах с образованием пребиотических азотистых оснований». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 113 (16): 4272–4277. Bibcode:2016ПНАС..113.4272Н. Дои:10.1073 / pnas.1600275113. ЧВК  4843465. PMID  27044100.
  15. ^ Saitta, A.M .; Сайджа, Ф. (2014). «Эксперименты Миллера в атомистическом компьютерном моделировании». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 111 (38): 13768–13773. Bibcode:2014ПНАС..11113768С. Дои:10.1073 / pnas.1402894111. ЧВК  4183268. PMID  25201948.
  16. ^ "База данных UMIST по астрохимии". http://udfa.ajmarkwick.net/. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  17. ^ Черничаро, Дж. (2011). Гарго, М .; Amils, R .; Cernicharo Quintanilla, J .; Хендерсон Кливз, Дж .; Irvine, W. M .; Pinti, D .; Визо, М. (ред.). Энциклопедия астробиологии. Берлин: Springer Verlag. п. 783-783. ISBN  978-3-642-11271-3.
  18. ^ Оро, Дж. (1961). «Механизм синтеза аденина из цианистого водорода в возможных примитивных земных условиях». Природа. 191 (4794): 1193–1194. Bibcode:1961Натура.191.1193O. Дои:10.1038 / 1911193a0. PMID  13731264. S2CID  4276712.
  19. ^ а б Saladino, R .; Crestini, C .; Ciciriello, F .; Костанцо, G .; Ди Мауро, Э. (2007). «Химия формамида и происхождение информационных полимеров». Химия и биоразнообразие. 4 (4): 694–720. Дои:10.1002 / cbdv.200790059. PMID  17443884. S2CID  21908152.
  20. ^ Дарвин, Ф. (1887). Жизнь и письма Чарльза Дарвина. Vol. 3. Лондон: Джон Мюррей. п. 18 (письмо Джозефу Хукеру).
  21. ^ "Дарвин Онлайн".
  22. ^ Опарин, А. (1924). Происхождение жизни. Москва: Издательство Московский Рабочий.
  23. ^ а б Šponer, J.E .; Šponer, J .; Nováková, O .; Brabec, V .; Šedo, O .; Zdráhal, Z .; Костанцо, G .; Пино, С .; Saladino, R .; Ди Мауро, Э. (2016). «Появление последних каталитических олигонуклеотидов в сценарии происхождения на основе формамида». Chem. Евро. J. 22 (11): 3572–3586. Дои:10.1002 / chem.201503906. PMID  26807661.
  24. ^ Yamada, H .; Hirobe, M .; Окамото, Т. (1980). «Формамидная реакция. III. Исследования механизма реакции образования пуринового кольца и реакции формамида с цианистым водородом». Якугаку Засши. 100 (5): 489–492. Дои:10.1248 / yakushi1947.100.5_489.
  25. ^ а б Saladino, R .; Crestini, C .; Костанцо, G .; Negri, R .; ДиМауро, Э. (2001). «Возможный пребиотический синтез пурина, аденина, цитозина и 4 (3H) -пиримидона из формамида: последствия для происхождения жизни». Биоорг. Med. Chem. 9 (5): 1249–1253. Дои:10.1016 / s0968-0896 (00) 00340-0. PMID  11377183.
  26. ^ а б c d е ж Saladino, R .; Carota, E .; Botta, G .; Капралов, М .; Тимошенко, Г.Н .; Розанов, А.Ю .; Красавин, Е .; Ди Мауро, Э. (2015). «Катализируемый метеоритами синтез нуклеозидов и других пребиотических соединений из формамида при протонном облучении». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 112 (21): E2746 – E2755. Bibcode:2015PNAS..112E2746S. Дои:10.1073 / pnas.1422225112. ЧВК  4450408. PMID  25870268.
  27. ^ а б c d е Saladino, R .; Botta, G .; Дельфино, М .; Ди Мауро, Э. (2013). «Метеориты как катализаторы пребиотической химии». Chem. Евро. J. 19 (50): 16916–16922. Дои:10.1002 / chem.201303690. PMID  24307356.
  28. ^ Saladino, R .; Ciambecchini, U .; Crestini, C .; Костанцо, G .; Negri, R .; Ди Мауро, Э. (2003). "Одноразовый TiO2-катализируемый синтез нуклеиновых оснований и ациклонуклеозидов из формамида: значение для происхождения жизни ". ChemBioChem. 4 (6): 514–521. Дои:10.1002 / cbic.200300567. S2CID  2349609.
  29. ^ Saladino, R .; Crestini, C .; Ciambecchini, U .; Ciciriello, F .; Костанцо, G .; Ди Мауро, Э. (2004). «Синтез и расщепление азотистых оснований и нуклеиновых кислот формамидом в присутствии монтмориллонитов». ChemBioChem. 5 (11): 1558–1566. Дои:10.1002 / cbic.200400119. PMID  15481029. S2CID  30058332.
  30. ^ Saladino, R .; Crestini, C .; Нери, В .; Brucato, J.R .; Colangeli, L .; Ciciriello, F .; Di Mauro, E .; Костанцо, Г. (2005). «Синтез и деградация компонентов нуклеиновых кислот формамидом и аналогами космической пыли». ChemBioChem. 6 (8): 1368–1374. Дои:10.1002 / cbic.200500035. PMID  16003804. S2CID  28078427.
  31. ^ а б Barks, H.L .; Buckley, R .; Grieves, G.A .; Di Mauro, E .; Hud, N.V .; Орландо, Т. (2010). «Производство гуанина, аденина и гипоксантина в УФ-облученных растворах формамида: ослабление требований к образованию пребиотических пуриновых нуклеиновых оснований». ChemBioChem. 11 (9): 1240–1243. Дои:10.1002 / cbic.201000074. PMID  20491139. S2CID  32126363.
  32. ^ Saladino, R .; Нери, В .; Crestini, C .; Костанцо, G .; Graciotti, M .; Ди Мауро, Э. (2008). «Синтез и разложение компонентов нуклеиновых кислот формамидом и минералами серы железа». Варенье. Chem. Soc. 130 (46): 15512–15518. Дои:10.1021 / ja804782e. PMID  18939836.
  33. ^ Saladino, R .; Нери, В .; Crestini, C .; Костанцо, G .; Graciotti, M .; Ди Мауро, Э. (2010). «Роль системы формамид / диоксид циркония в синтезе азотистых оснований и производных биогенных карбоновых кислот» (PDF). J. Mol. Evol. 71 (2): 100–110. Bibcode:2010JMolE..71..100S. Дои:10.1007 / s00239-010-9366-7. PMID  20665014. S2CID  10623298.
  34. ^ Saladino, R .; Barontini, M .; Cossetti, C .; Di Mauro, E .; Крестини, К. (2011). «Влияние боратных минералов на синтез оснований нуклеиновых кислот, аминокислот и биогенных карбоновых кислот из формамида». Ориг. Life Evol. Biosph. 41 (4): 317–330. Bibcode:2011OLEB ... 41..317S. Дои:10.1007 / s11084-011-9236-3. PMID  21424401. S2CID  19132162.
  35. ^ Ferus, M .; Несворны, Д .; Šponer, J .; Kubelík, P .; Michalčíková, R .; Шестовска, В .; Šponer, J.E .; Цивиш, С. (2015). «Высокоэнергетическая химия формамида: единый механизм образования азотистых оснований». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 112 (3): 657–662. Bibcode:2015ПНАС..112..657F. Дои:10.1073 / pnas.1412072111. ЧВК  4311869. PMID  25489115.
  36. ^ Saladino, R .; Botta, G .; Bizzarri, B.M .; Di Mauro, E .; Гарсия Руис, J.M. (2016). «Глобальный сценарий химии пребиотиков: самоорганизующиеся минеральные структуры на основе кремнезема и формамид». Биохимия. 55 (19): 2806–2811. Дои:10.1021 / acs.biochem.6b00255. ЧВК  4872262. PMID  27115539.
  37. ^ а б Rotelli, L .; Триго-Родригес, J.M .; Мояно-Камберо, С.Е .; Carota, E .; Botta, L .; Di Mauro, E .; Саладино, Р. (2016). «Ключевая роль метеоритов в образовании соответствующих пребиотических молекул в среде формамид / вода». Sci. Представитель. 6: 38888. Bibcode:2016НатСР ... 638888R. Дои:10.1038 / srep38888. ЧВК  5153646. PMID  27958316.
  38. ^ Šponer, J.E .; Šponer, J .; Ди Мауро, Э. (2017). «Новые эволюционные взгляды на неферментативное происхождение олигомеров РНК». РНК Wiley Interdiscip Rev. 8 (3): артикул № е1400. Дои:10.1002 / wrna.1400. PMID  27785893. S2CID  22479877.
  39. ^ «Инвентарь статей, связанных с формамидом в химии пребиотиков». DSDNA / IBP.
  40. ^ Шофстолл, А. (1976). «Пребиотическое фосфорилирование нуклеозидов в формамид». Ориг. Жизнь. 7 (4): 399–412. Bibcode:1976OrLi .... 7..399S. Дои:10.1007 / BF00927935. PMID  1023139. S2CID  32898005.
  41. ^ Костанцо, G .; Saladino, R .; Crestini, C .; Ciciriello, F .; Ди Мауро, Э. (2007). «Фосфорилирование нуклеозидов фосфатными минералами». J. Biol. Chem. 282 (23): 16729–16735. Дои:10.1074 / jbc.M611346200. PMID  17412692.
  42. ^ Костанцо, G .; Saladino, R .; Botta, G .; Георгий, А .; Scipioni, A .; Пино, С .; Ди Мауро, Э. (2012). «Генерация молекул РНК щелчком реакции, катализируемой основанием». ChemBioChem. 13 (7): 999–1008. Дои:10.1002 / cbic.201200068. PMID  22474011. S2CID  33632225.
  43. ^ Benner, S.A .; Kim, H.-J .; Карриган, М.А. (2012). «Асфальт, вода и пребиотический синтез рибозы, рибонуклеозидов и РНК». Соотв. Chem. Res. 45 (12): 2025–2034. Дои:10.1021 / ar200332w. PMID  22455515.
  44. ^ Neveu, M .; Kim, H.J .; Беннер, С.А. (2013). «Сильная» гипотеза мира РНК: пятидесятилетнему возрасту ». Астробиология. 13 (4): 391–403. Bibcode:2013AsBio..13..391N. Дои:10.1089 / аст.2012.0868. PMID  23551238.