Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

нистоводородная кислота, которая может существовать в трех- и тетрамерной формах. Рассмотрим, как происходит создание из тетра-мера цианистоводородной кислоты некоторых биологически важных соединений. Схема синтеза пуриновых оснований из более простых предшественников может быть представлена в следующем виде:

NC + HCN NC — СН = N +Н

[NC-CH=NH]

+ НСН

CN

H.N -СН\

CN

H2N

4 - Аминоимидазол -5" - кар&онитрил

\

NH2

+ HCN

О II

Г

LI

с =сч

* 2

Тетрамер

О

HN N N

2 I

Гуанин

В отсутствие кислорода реакция изомеризации цианистоводородной кислоты с последующим превращением в 4-аминоимидазол-5-карбонитрил осуществляется с квантовым выходом около 0,8. Показано, что из тетрамеров цианистоводородной кислоты могут образовываться и другие пурины — гипоксантин и диаминопурин.

Производные цианистоводородной кислоты имеют отношение и к синтезу никотинамида, являющегося составной частью основного источника свободного водорода — НАД или НАДФ. Так, УФ-облучение 1,3-дициано-4-ами-но-1,3-бутадиена сопровождается синтезом 6-иминонико-тиннитрила, в результате гидролиза которого образуются никотинамидные производные:

Н Н

N О N мн

"viwCN Н jc CN

| * *- | I

п п

Н к ,CN Hv А

HN N rlN N

I I

H H

В качестве предшественника ароматических аминокислот— фенилаланина и тирозина — может рассматриваться фенилацетальдегид, образующийся в результате двух последовательных фотохимических реакций из метана и ацетилена через стадию фенилацетилена. В последующих темновых реакциях фенилацетальдегид превращается в фенилаланин, а после его фотогидроксили-рования — в тирозин:

hv , . ftv

СН4 -j- НС ^ СН —? ( ; _с^СН

HCN, NH3

у //'

Ч

NH2

| h\

—СН2—С—СООН —> НО—

Ч:

а

NH.

? —СН2—С—соон

н

Фенилаланин

Тирозин

Синтез аминокислоты из углеводородов включает три фотохимические стадии.

Таким образом, синтез существующих ныне важнейших биохимических молекул мог происходить через серии последовательных световых и темповых абиогенных химических реакций с участием набора предшественников, со все более сложным строением, которое постепенно приближалось к «финишному эталону», ставшему достоянием уже не химической, а биологической стадии эволюции.

Определенное значение в процессах абиогенного синтеза могли иметь неорганические катализаторы — глины, двухвалентное железо и медь, окислы цинка, кремния и титана.

Следует обратить особое внимание на достаточно высокие скорости фотохимических реакций, о чем свидетельствуют поражающие воображение опыты, в которых за очень незначительный по сравнению с геологическим промежуток времени (часы, сутки) удается получить из исходного строительного материала первобытной Земли такие «завершенные» продукты синтеза, как аминокислоты. Коротко остановимся на этих данных. При облучении коротковолновым ультрафиолетом (116—185 нм) компонентов первобытной атмосферы в бескислородной среде в виде смеси газов, содержащих аммиак, метан и пары воды, ряд авторов отмечали образование аминокислот. Так, Грот и Вейсенгоф, А. Н. Теренин зарегистрировали фотохимическое образование глицина, аланина; Н. Я. Додонова и А. И. Сидорова — валина, лейцина, норлейцина. Остаются до сих пор не выясненными механизмы этих превращений и их квантовые выходы. Тем не менее эффективность подобных превращений достаточно высока. Так, в опытах Поннамперума и Флореса за 48 ч около 0,5% метана превращалось в органические соединения.

Фотохимический синтез аминокислот может происходить не только в газообразной, но и в жидкой, водной средах. Первые указания на такую возможность были получены еще в начале нашего столетия. Позднее было показано, что при УФ-облучении в водных средах, содержащих аммиак, С2-соединения и некоторые соли первобытной Земли, образуются аминокислоты. Тот же результат отмечается при естественном действии лучей Солнца на растворы, содержащие формальдегид, аммиак, углекислоту и некоторые соли.

Синтез серусодержащих аминокислот происходит в тех случаях, когда в смесь метана, этана, аммиака и воды вводится сероводород. УФ-облучение такой смеси приводит к образованию не только аланина, серина, глицина, аспарагиновой и глютаминовой кислот, но и цистина.

Американским авторам удалось показать, что такие сложные органические молекулы, как порфирины, необходимые для построения хлорофилла, цитохрома и гемоглобина, могут возникать в ходе фотохимических реакций в смеси простых газов (аммиак, углекислота, метан) в водяных парах.

Еще более успешно идет синтез тетрапорфиринов из «организованных» предшественников — порфирина, пи-ролла и бензальдегида, особенно в присутствии ацетата цинка в качестве катализатора. В свою очередь порфо-биллиноген, являющийся естественным предшественником хлорофилла в цепи его современного биосинтеза из б-аминолевулиновой кислоты, может быть получен при ее облучении в щелочной среде.

В опытах Поннамперума и Оргеля при УФ-облучении разбавленных водных растворов цианистоводородной кислоты (10~3М) синтезировались пуриновые основания — аденин и гуанин, а из аденозина в присутствии ри-бозы и этилового эфира метафосфорной кислоты — ну-клеозиды (аденозин) и нуклеотиды (аденозинмоно-, -ди-и -трифосфат). Квантовый выход образования аденозина из аденина и рибозы составляет 1 Оу5, а нуклеотидов из нуклеозидов — 10~4. Фотохимически синтезированная АТФ ничем не отличается от природных макроэргических соединений. Абиогенный, УФ-зависимый синтез дезок-сиаденозина осуществлен в водных растворах аденина, дезоксирибозы и цианистого водорода.

Фотохимическое образование пиримидиновых нуклео-тидов было зарегистрировано в опытах Санчеса.

Используя относительно простые углеводородные предшественники, к настоящему времени удалось продемонстрировать и возможность фотохимического синтеза липидных компонентов, например высших жирных кислот из гептана, октана и изооктана в смеси с водой и углекислым кальцием.

Итак, взяв за исходное «сырье» либо элементарные' компоненты первобытной атмосферы, либо простые соединения — предшественники, в лабораторных условиях можно промоделировать световой синтез большинства биохимических молекул малых и средних размеров, включая аминокислоты и нуклеотиды — мономерные единицы двух основных классов биополимеров (белки и нуклеиновые кислоты).

Возникает вопрос: реальна ли возможность правильного фотосшивания мономеров с формированием линейных полипептидных и полинуклеотидных цепей? Согласно данным Поннамперума и Стейнмана, в УФ-облученных растворах глицина и лейцина, содержащих конденсирующие агенты цианамид и дицианамид, обнаруживаются дипептиды (глицил-глицин, глицил-лейцин, лейцил-гли-цин, лейцил-лейцин) с выходом 1 % и некоторое количество трипептидов с выходом 0,1%, а также полиаланин. Другие авторы (Элленбоген, Стейнман с сотр., Т. Е. Павловская, Т. А. Телегина) наблюдали фотохимическое образование пептидов даже из более простых предшественников: ацетальдегида и аммонийных солей или хлористого аммония и метана в присутствии солей железа.

В опытах Т. А. Телегиной из ацетальдегида и аммония синтезировались нейтральные и основные пептиды, содержащие глицин, валин, аланин, лизин, серии, аспараги-новую и глютаминовую кислоты, причем 57% связанного азота обнаруживалось в пептидах, а 42%—в свободных аминокислотах. В среднем пептиды состояли из четырех мономерных единиц.

При фотохимической полимеризации дезоксирибону-клеотидов получались полинуклеотиды, состоящие из 12—30 мономеров, соединенных чаще всего нормальными 3,5-связями.

Таким образом, можно с достаточной уверенностью отстаивать тезис о важной роли УФ-света при абиогенном синтезе большого ассортимента биохимических молекул, по крайней мере на химической стадии эволюции жизни на Земле. Отсутствие кислорода в атмосфере способствовало преобладанию синтетических процессов над деструктивными. Энергия квантов света использовалась не только для преодоления активационных барьеров химических превращений, но и запасалась в их продуктах, создавая условия для протекания эндергонических реакций синтеза.

Рекомендуемая литература

Додонова Н. Сидорова А. И. Роль этиловых радикалов в синтезе аминокислот под влиянием вакуумной ультрафиолетовой радиации — Биофизика, 1962, 7, 31.

О п а р и н А. И. Роль УФ-излучения в процессе абиогенного синтеза органических соединений в возникновении жизни на Земле.— В сб.: Биологическое действие ультрафиолетового излучения. М., 1975, с. 7.

Павловская Т. Е. Роль ультрафиолетового излучения в абиогенном синтезе биологически важных соединений.— В сб.: Эволюционная биохимия. М., 1973, с. 21.

Павловская Т. Е. Образование биологически важных соединений при действии УФ-излучения.—• В сб.: Биологическое действие ультрафиолетового излучения. М., 1975, с. 10.

Происхождение жизни и эволюционная биохимия. М., 1975.

Фокс С, Дозе К. Молекулярная эволюция и возникновение жизни. М;, 1975.

Хочачка П., Самеро Дж, Стратегия биохимической адаптации. М., 1977.

Глава XXIV. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ: БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

Луч лазера характеризуется следующими основными свойствами: чрезвычайно высокой интенсивностью (мощностью) до 109 Вт в импульсе или 106 Вт/см2; монохроматичностью— до 10_7нм; поляризованностью и когерентностью, т. е. согласованностью электромагнитных световых волн по фазе; строгой параллельностью светового пучка и его узостью (можно создать луч с поперечным сечением порядка десятых долей мкм).

Современная лазерная техника позволяет получать очень короткие (до 10_12с) световые импульсы, следующие друг за другом с различными интервалами времени с излучением в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах (от 260 до 1200 нм) и самой различной плотностью потока. В основе взаимодействия мощных лазеров с живой материей лежит прежде всего прямой тепловой эффект — термическая деструкция вещества и клеток поглощаемой и диссипирующей в тепло световой энергией. Фотохимические процессы здесь имеют второстепенное значение.

Широкое использование лазерный луч в качестве светового

страница 64
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(17.10.2019)