Одно из самых поразительных обобщений в биохимии, о котором, как ни удивительно, почти не упоминается в учебниках по биохимии, состоит в том, что двадцать аминокислот и четыре азотистых основания с минимальными оговорками одинаковы во всей Природе.

Любые попытки выяснить, как зародилась жизнь на Земле, предполагают поиск химического пути, который приводит к выработке белков. Белки с ферментной активностью катализируют самые разные метаболические реакции, необходимые для синтеза материалов на строительство новых клеток. Вдобавок белки, собирающиеся в волокна, контролируют форму клеток и такие динамические процессы, как движение и деление клеток. Все эти белки создаются в результате сложного процесса трансляции: клеточная машина, известная как рибосома, транслирует (т. е. переводит) генетическую информацию из матричных РНК, то есть из длинных цепочек нуклеотидов, в белки, то есть упорядоченные цепочки аминокислот. Такую задачу трансляции позволяет решить генетический код, который сопоставляет последовательности кодонов РНК последовательностям аминокислот. Этот процесс настолько сложен, что при зарождении жизни еще не мог идти полным ходом, однако первые зачатки этой процедуры, вероятно, отражены в химии синтеза аминокислот – в химических реакциях, которые приводят к выработке пептидов (коротких цепочек аминокислот), а в итоге и в тех чудесных химических превращениях, которые связывают аминокислоты с РНК. Начнем с начала и рассмотрим, какие химические пути приводят к появлению аминокислот.

Первым делом мы рассмотрим знаменитый революционный эксперимент и подробно разберем его, поскольку это подскажет нам, как реалистично реконструировать пути аминокислотного синтеза на молодой Земле. В 1952 году химик Стэнли Миллер, тогда еще аспирант, под руководством нобелевского лауреата Харолда Юри придумал и провел в Чикагском университете эксперимент с целью исследовать, какие условия могли существовать на ранней Земле. В результате обнаружилось, что при электрическом разряде в искусственной «атмосфере» из водорода, метана, аммиака и воды происходит синтез двух аминокислот, и для того времени это было открытие колоссальной важности. Когда мы поняли, что аминокислоты, без которых немыслима жизнь, главный строительный материал белков, можно производить таким простым способом, это потрясло химический мир и вдохновило ученых на десятилетия исследований. Кстати, Юри благородно заявил, что этот эксперимент – исключительная заслуга Миллера. Часто говорят, что эксперимент Миллера – Юри продемонстрировал механизм синтеза аминокислот, что не совсем правда. На самом деле в результате реакции были получены так называемые α-аминонитрилы, близкие родственники α-аминокислот (с той поправкой, что вместо кислотной карбоксильной группы к центральному α-углероду присоединена нитрильная группа). Само по себе это не страшно, так как нитрилы медленно гидролизуются в воде и превращаются в карбоксилаты (соединения с карбоксильной группой). Эта реакция гидролиза существенно ускоряется в присутствии сильных кислот, и именно их Миллер и добавил, чтобы добыть аминокислоты из их предшественников-нитрилов. Более того, сульфид, которого много в вулканических регионах, тоже может ускорять гидролиз нитрилов и их превращение в карбоксильные кислоты, но при этом получается более реакционноспособный промежуточный продукт. Это значит, что превращение α-аминонитрилов в аминокислоты, либо быстрое, либо медленное, в зависимости от конкретных химических условий, было обычным явлением на ранней Земле.

Суть вот в чем. Если мы хотим понять, как могут создаваться аминокислоты, нам нужно прежде всего разобраться, как получить α-аминонитрилы. Самый простой способ открыл в середине XIX века немецкий химик Адольф Штреккер. Он показал, что α-аминонитрилы вырабатываются при смешивании альдегидов (молекул с группой C=O) с циановодородом и аммиаком. Эта реакция, известная как реакция Штреккера, хорошо известна и широко применяется. Здесь главное отметить, что нам сразу видна связь между синтезом предшественников аминокислот и предшественников нуклеотидов, поскольку и там и там идут реакции альдегидов с циановодородом.

Как мы уже видели, когда циановодород атакует альдегиды в воде, получается циангидрин. Далее восстановление группы – CN (например, гидратированным электроном) до альдегидной группы[21] дает сахар, а из простых сахаров затем формируются нуклеотиды. Более того, при небольших вариациях на ту же тему, когда циановодород атакует альдегид в присутствии аммиака, получается α-аминонитрил, а в этом случае гидролиз нитрила дает аминокислоту. А конкретнее формальдегид, циановодород и аммиак совместно дают нитрил глицина, α-аминонитрил, соответствующий аминокислоте глицину. Поразительная связь между синтезом нуклеотидов и аминокислот – важное свидетельство, что все строительные материалы биологии могли синтезироваться одновременно в похожих условиях, возможно, даже по соседству!

Теперь, когда мы проследили химические истоки аминокислот через α-аминонитрилы к альдегидам, мы можем сказать, что цель поисков предбиологических путей к аминокислотам – пути к соответствующим альдегидам. Для некоторых простейших аминокислот это вполне очевидно. Например, самый простой в производстве альдегидов (и поэтому, скорее всего, самый распространенный) – одноуглеродный формальдегид. Как мы уже знаем, формальдегид реагирует с циановодородом и дает простейший циангидрин – гликолонитрил. В присутствии аммиака создается нитрил глицина, который, в свою очередь, гидролизуется и дает самую простую аминокислоту – глицин.

Отвлечемся на забавную этимологию: глиц- и глик- в названиях этой группы соединений происходят от глико, сахар, и отражают сладковатый вкус глицина и других веществ. Поскольку глицин – самая простая аминокислота, мы бы ожидали, что в предбиологических условиях он и встречался чаще остальных аминокислот. Однако для изготовления более интересных пептидов нам понадобится кое-что, помимо глицина. Легко видеть, откуда взялись две другие аминокислоты – серин и аланин. Серин получается непосредственно из двухуглеродного сахара гликольальдегида, с которым мы сталкивались в главе 3, в ходе синтеза Штреккера: циановодород реагирует с аммиаком, после чего происходит гидролиз нитрила в карбоксильную кислотную группу. Чтобы получить аланин, нужна еще одна реакция – восстановление гликольальдегида до ацетальдегида. В ходе этой реакции гидроксильная группа гликольальдегида (атом кислорода, связанный с атомом водорода) замещается атомом водорода. Интересно, что эта реакция восстановления обусловлена теми же химическими механизмами, что и восстановление нитрила до альдегида. В обоих случаях гидратированные электроны, полученные при облучении ферроцианида ультрафиолетом (см. главу 3), служат мощными восстановителями, которые запускают аналогичные реакции. Когда таким образом генерируется ацетальдегид, тот же синтез Штреккера дает распространенную аминокислоту аланин.

Итак, нам известно, как из одних и тех же компонентов создать три простейшие аминокислоты, из которых затем получатся нуклеотиды. Теперь обсудим две следующие аминокислоты, побольше и посложнее: треонин и валин. Чтобы добраться до них, как и до других, еще более сложных аминокислот, нам придется повторять все тот же небольшой набор реакций. Хотя нагромождение непроизносимых названий разных соединений может отпугнуть, вы наверняка заметите, что принципы их получения очень просты. В первых реакциях происходит атака циановодорода на альдегид в воде. Это дает более крупный циангидриновый продукт либо, в присутствии аммиака, α-аминонитрил. Второй набор состоит из реакций восстановления под воздействием гидратированных электронов, в том числе восстановление нитрила – CN до альдегида (через промежуточный продукт) и восстановление группы – OH до – Н. Третий набор – атака гидросульфида (HS-) на нитрильную группу, что дает группу, которая затем может либо гидролизоваться и дать карбоксилат, либо восстановиться и дать альдегид. На основе этих трех простейших типов химических реакций мы можем без труда получить и треонин, и валин. Чтобы получить треонин, начнем с того же ацетальдегида, который мы применяли, когда получали аланин посредством синтеза Штреккера, только на сей раз мы позволим ацетальдегиду прореагировать с циановодородом, чтобы получить новый циангидрин, а затем восстановим его нитрильную группу и получим новый альдегид. Затем мы повторим этот цикл реакций с циановодородом, и в присутствии аммиака сформируется новый α-аминонитрил, прямой предшественник треонина.

Валин можно получить очень похожим способом, но с одним интересным фокусом. Чтобы получить валин, мы начнем с глицеральдегида, трехуглеродного сахара, представляющего собой главный ингредиент в синтезе нуклеотидов. Вспомним, что глицеральдегид нестабилен и спонтанно изомеризуется в кетон, где углерод с двойной связью с кислородом находится не на конце, а в середине молекулы. Чтобы использовать глицеральдегид для изготовления нуклеотидов, нам надо предотвратить реакцию изомеризации или обратить ее, если она все-таки произойдет. Но при изготовлении валина такой этап изомеризации необходим: валин обладает двумя гидроксильными группами, по одной на каждом атоме углерода на концах трехуглеродной цепочки. Эти гидроксильные группы могут быть замещены атомами водорода, и тогда получится ацетон (его часто используют как растворитель в составе средств для снятия лака). Ацетон можно применять для получения валина при помощи первоначальной реакции с циановодородом, что дает новый циангидрин, а затем провести восстановление гидроксила до водорода и восстановление нитрила до другого альдегида, прямого предшественника валина в ходе синтеза Штреккера.

Рассматривая синтез все более крупных и сложных аминокислот, мы видим все больше связей между нуклеотидами и аминокислотами. Особенно яркий пример такой связи – пути к аминокислотам аспарагину, аспарагиновой кислоте, глутамину и глутаминовой кислоте.

Все эти четыре аминокислоты можно получить, если начать с цианацетилена, того же самого исходного реактива, который играет такую важную роль в синтезе азотистых оснований нуклеозидов Ц и У. В случае синтеза нуклеозидов цианацетилен, медленно высвобождаемый из своей «запасной» кристаллической формы CV-DCI, реагирует с РАО и дает дегидратированную форму нуклеозида Ц (-Ц). Однако в среде, богатой циановодородом и аммиаком, цианацетилен дает α-аминонитрил, предшественник аспарагина и аспарагиновой кислоты. Этот предшественник содержит две нитрильные группы. Одна расположена рядом с аминогруппой, которая гидролизуется в карбоксилат, а другая – на противоположном конце молекулы. Если вторая нитрильная группа проходит частичный гидролиз, получается аспарагин, а дальнейший гидролиз во второй карбоксилат дает аспарагиновую кислоту. Более того, углеродный хребет α-аминонитрила можно удлинить восстановлением одного нитрила до альдегида, за которым следует обычное добавление циановодорода и дальнейшая реакция, которая дает молекулу на один углерод длиннее – предшественник глутамина, из которого после гидролиза получается глутаминовая кислота.

Если синтез глутамина и глутаминовой кислоты был не слишком сложным, вот два похожих, однако более длинных пути к двум другим аминокислотам – пролину и аргинину. Эти аминокислоты интересны тем, что играют важные, но совсем разные роли в структуре пептидов и белков. Пролин – единственная биологическая аминокислота, имеющая кольцевидную структуру.

Поэтому она создает изгиб или излом в структуре пептида и к тому же прерывает канонические структуры, которые мы обнаруживаем в белках, например знаменитую α-спираль, которую открыл нобелевский лауреат химик Лайнус Полинг. Аргинин, с другой стороны, несет положительный заряд на боковой цепочке и, следовательно, может сильно взаимодействовать с отрицательно заряженными молекулами наподобие РНК. На первый взгляд пролин и аргинин выглядят совсем по-разному, однако в последовательности реакций, приводящей к их синтезу, есть общий ранний предшественник, а кроме того, обе они рано отходят в сторону от пути, ведущего к кислым аминокислотам. Циановодород и ацетилен могут давать цианацетилен, однако их можно сочетать и по-другому, и тогда мы получим соединение под названием акрилонитрил (строго говоря, это реакции окисления и восстановления). В целом получение пролина и аргинина из акрилонитрила – это последовательность реакций тех же типов, о которых мы говорили при обсуждении других аминокислот. Однако у каждого пути есть свои особые этапы, например реакция, дающая положительно заряженную группу в молекуле, из которой в дальнейшем получится аргинин. Напротив, путь к пролину предполагает, что довольно рано должно появиться пролиновое кольцо, и за этим последуют несколько более знакомых реакций.

Мы уже знаем, что 11 из канонических 20 образующих белки аминокислот, которые мы обнаружили в живой материи на Земле, можно получить при помощи одной и той же SETI химических реакций (так называемых цианосульфидных окислительно-восстановительных фотохимических реакций), которая к тому же дает как минимум два из четырех канонических нуклеотидов – кирпичиков, из которых состоит РНК. Возникает естественный вопрос: как же быть с остальными девятью аминокислотами, известными современной биологии? Некоторые из них, в частности ароматические аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан, как предполагают, добавились в генетический код позднее. Это предположение основано отчасти на том, что не существует очевидного предбиологического пути к их получению. Возможно, эти аминокислоты возникли в ходе эволюции клеточного метаболизма и именно тогда были задействованы в синтезе белков. Однако такое мнение в будущем может измениться, поскольку мы открываем новые предбиологические пути. Например, до последнего времени было неизвестно, каким предбиологическим путем можно было получить аминокислоту цистеин, относительно нестабильную, но затем оказалось, что цистеин получается в три этапа из α-аминонитрилового предшественника родственной ему аминокислоты серина.

Подведем краткие итоги всего, о чем мы говорили в последних трех главах. Сначала мы увидели, как последовательность концептуальных прорывов, в основном достигнутых благодаря размышлениям о геологических условиях на ранней Земле, привела к открытию химических путей ко многим (но еще не ко всем) основным кирпичикам, из которых состоит живая материя. Важно, что эти пути дают ограниченный набор релевантных веществ в больших количествах, в отличие от более ранних гипотез, позволявших получить много химических компонентов, при том что исходных материалов, необходимых для создания живой материи, было исчезающе мало. Однако даже такие относительно производительные «новые» пути синтеза не позволяют создать сложные молекулы вроде нуклеотидов в рамках сценария «первичного бульона». Устарелая концепция «первичного бульона» в наши дни вытеснена представлениями о постоянном накоплении осадочных или кристаллических промежуточных продуктов, причем от одного такого вещества к другому ведет короткая последовательность реакций. Но главное – нам удалось показать, что и накопление запасов промежуточных продуктов, и протекающие химические реакции были вполне возможны на поверхности ранней Земли. Как считают современные ученые, главная трудность, из-за которой, очевидно, производство молекул живой материи заняло так много времени, – это не сами химические реакции, а относительно низкая вероятность того, что в нужное время в нужных местах произошла нужная последовательность изменений в окружающей среде. Ведь только тогда запасы этих веществ могли накапливаться и не уничтожаться, а затем переходить к следующему химическому превращению – и так до тех пор, пока не сложатся все условия для появления первых живых клеток.