научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ КАЛИЯ И НАТРИЯ НА СКОРОСТЬ АБИОГЕННОГО СИНТЕЗА ПЕПТИДОВ Геология

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ КАЛИЯ И НАТРИЯ НА СКОРОСТЬ АБИОГЕННОГО СИНТЕЗА ПЕПТИДОВ»

ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, № 4, с. 3—8

УДК 577.2.04

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ КАЛИЯ И НАТРИЯ НА СКОРОСТЬ АБИОГЕННОГО СИНТЕЗА ПЕПТИДОВ

© 2014 г. М. В. Дубина*, С. Ю. Вязьмин*, В. М. Бойцов*, Е. Н. Николаев**, И. А. Попов**, А. С. Кононихин**, И. Е. Елисеев*, Ю. В. Наточин***

*Санкт-Петербургский академический университет — научно-образовательный центр нанотехнологий РАН e-mail:dubina@spbau.ru, sergey.vyazmin@mail.ru, bovitali@yandex.ru, eliseev@spbau.ru **Институт энергетических проблем химической физики РАН e-mail: ennikolaev@rambler.ru, hexapole@gmail.com, konoleha@yandex.ru ***Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург

e-mail:natochin@iephb.ru Поступила в редакцию 11.12.2013 г. Принята к печати 09.01.2014 г.

Физико-химические условия водной среды имели ключевое значение для абиогенного синтеза пептидов на заре биологической эволюции. Недавно нами экспериментально показана и теоретически объяснена уникальная роль ионов калия в экспоненциальном ускорении ненаправленного синтеза пептидов из Z-глутаминовой кислоты, что подтверждает высказанную нами ранее гипотезу о возникновении первой протоклетки в калиевой, а не в натриевой (морской) водной среде. В настоящей работе представлены экспериментальные данные и объяснение концентрационной зависимости влияния ионов калия и натрия с выявлением оптимальной эффективной концентрации при образовании пептидов из Х-глутаминовой кислоты.

DOI: 10.7868/S0031031X14040060

ВВЕДЕНИЕ

Клетка является исходной структурно-функциональной единицей живого. Основная формула для живых организмов, выраженная Р. Вирхо-вым еще в XIX в.: Отшз се11и1а ех се11и1а — Клетка только из клетки. Создание первой клетки (протоклетки) требовало от Природы практически одномоментного решения бесчисленного количества проблем: формирование оболочки (мембраны) клетки для обеспечения относительной независимости ее от окружающей среды; образование химического состава цитоплазмы для осуществления ключевых процессов метаболизма, появление системы сохранения и передачи информации дочерним клеткам при делении исходной. Новейшие данные палеонтологов свидетельствуют о существовании живых существ на Земле около 4 млрд лет назад. Свидетельства деятельности живых организмов обнаружены в хондритах углистых метеоритов, возраст которых составляет 4.5—5.0 млрд лет (Розанов, 2009). Следовательно, на ранней Земле могли быть условия для спонтанного синтеза полипептидов с возникновением протоклетки из органических веществ, как земного происхождения, так и из аналогичных внеземных источников жизни. Это может указывать и на наличие вне Земли условий, необходимых

для синтеза органических веществ. Они найдены в метеоритах и могли найти благоприятную среду для дальнейших превращений на поверхности ранней Земли.

Для появления протоклетки нужны были исходные органические молекулы (пептиды, олиго-нуклеотиды, липиды), а также оптимальные для их синтеза физико-химические условия. Возможность синтеза строительных блоков пептидов (аминокислот) из неорганических соединений в абиогенных условиях впервые экспериментально показал С. Миллер (МШег, 1953). Выяснение физико-химических условий, при которых могло бы воспроизводимо происходить образование пептидов из аминокислот на необитаемой Земле, в настоящее время рассматривается как одна из важнейших проблем пребиотической химии (Б8сИеп-то8ег, 2003). При этом цитоплазма современных клеток может качественно отражать именно тот ионный состав, который предопределил возникновение первой протоклетки, включая ее первичные метаболические, информационные и барьерные системы. Если верно это предположение, то представляется закономерным сохранение клетками в дальнейшем исходных физико-химических условий (включая оптимальный ионный состав), используя для этого доступные механизмы,

в том числе энергетически зависимые мембранные насосы.

Согласно известным теориям происхождения жизни океан считается ее колыбелью (Fox, 1960; Rode, 1999; Zimmer, 2009). Из этого следует, что предвестники биологических молекул могли появиться только в морской воде, то есть в водном растворе хлорида натрия. Но анализ бесчисленного количества клеток живых организмов свидетельствует о том, что в цитоплазме живой клетки доминируют ионы калия. В частности, содержание ионов калия внутри живых клеток более чем на порядок превышает содержание ионов натрия (Aronson et al., 2009). Физико-химические различия между ионами натрия и калия малы (Freed-man, 1995), хотя биологические функции обоих ионов различаются кардинально. Например, именно K+ требуется для рибосомального синтеза пептидов (Спирин, Гаврилова, 1971) и амплификации ДНК с использованием термостабильной Taq-полимеразы (Saiki et al., 1988), тогда как в присутствии аналогичных концентраций Na+ эти процессы ингибируются. С геохимической точки зрения большое соотношение K+/Na+ могло сформироваться в результате дифференциации первичного хондритового материала в ядре и мантии первобытной Земли (Галимов и др., 2011). Поэтому устойчивое различие концентраций ионов калия и натрия в морской воде и цитоплазме живых клеток позволило высказать предположение о калиевых водоемах как колыбели жизни на Земле, появления протоклеток и их мембраны (Наточин, 2005, 2009).

В 2013 г. нами впервые был экспериментально установлен и теоретически объяснен эффект многократного ускорения абиогенного формирования пептидов из аминокислот в калиевой среде по сравнению с натриевой (Dubina et al., 2013). Результаты этих экспериментов показали, что ионы K+ в 2—10 раз оказывают больший каталитический эффект по сравнению с ионами Na+ той же концентрации на образование 5—10-мерных го-мопептидов Х-глутаминовой кислоты в водных растворах. К. Ван с соавторами (Wang et al., 2005) исследовали концентрационную зависимость влияния ионов Na+ на ненаправленный синтез пептидов и показали наличие оптимума концентрации NaCl в модельном эксперименте при значении около 1 M.

Поиск физико-химических условий синтеза органических полимеров в неорганической среде имеет принципиальное значение для исследований проблем происхождения жизни и астробиологии. При этом важным вопросом является выяснение механизма реакции олигомеризации при различных концентрациях ионов и его теоретическое объяснение. Поэтому задачей настоящей работы явилось исследование концентрационной

зависимости влияния ионов калия и натрия на абиогенное образование пептидов из свободных аминокислот в модельных условиях.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты проводили с использованием X-глутаминовой кислоты (X-Glu) и 1,1'-карбо-нилдиимидазола (CDI) (Sigma-Aldrich Co. LLC, USA) без дополнительной предварительной очистки. Олигомеризацию X-Glu проводили в 0.5 М, 1.0 М и 2.0 M растворах KCl или NaCl с последующим ВЭЖХ-МС/МС анализом.

Общая методика: к 5 мл 0.3 М раствора X-Glu в дистиллированной воде добавляли по 10 ммоль KCl или NaCl. Реакционную смесь разбавляли до 10 мл, охлаждали до 0°С (лед—соль) в течение 5 мин при энергичном перемешивании и добавляли 6 ммоль CDI. Затем выдерживали реакционную смесь 24 ч при комнатной температуре. Разделение пептидной смеси производили с помощью ВЭЖХ на колонке Zorbax SAX (4.6 мм х 250 мм, 5 мкм); аликвота 10 мкл.

Время хроматографирования составляло 80 мин при скорости потока 0.5 мл/мин с градиентом по NaCl (от 2 до 80% буфера B в течение 80 мин; буфер A: 20% ацетонитрил в 0.02 M NaH2PO4 при pH = 7.0; буфер B: 2.0 M NaCl в буфере A) на приборе Agilent 1100 nano-HPLC (Agilent Technologies Inc., USA). Хроматографиче-ский анализ пептидов проводился на капиллярной колонке (75 мкм х 12 см) с 3-мкм ReproSil-Pur Basic-C18 в обращенно-фазовом режиме (Dr. Maisch HPLC GmbH, Germany) по методу Ishihama et al. (2002). Пептидные фракции собирались для дальнейшего МС-анализа. Хромато-граммы соответствующих реакционных смесей в среде с KCl или NaCl представлены на рис. 1.

МС/МС анализ образцов проводился на масс-спектрометре 7-Tesla LTQ-FT Ultra с использованием программного обеспечения Xcalibur (Thermo Fisher Scientific Inc., USA). Масс-спектры ионов-предшественников были получены в ИЦР ловушке с разрешением 50000 при m/z 400. Три наиболее интенсивных иона выбирались в МС/МС спектре и фрагментировались в LTQ. Идентификации олигомеров с числом аминокислотных остатков от 2 до 9 на хроматограмме были подтверждены с помощью ESI-MS. Расчетные и экспериментально определенные массы олиго-меров для 1 М растворов солей приведены ранее (Dubina et al., 2013).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Каждый пик на хроматограммах, представленных на рис. 1, соответствует определенному оли-гопептиду, полученному в результате олигомери-зации X-Glu при разных концентрациях KCl и

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ

5

з0

15

13

с о н в и с н те

н И

40

Без солей

.Lj

10

20

30

40

5-мер р р р

s s t-- о S ОС

1\ чо /V

i i i i

50 60 70 80

р

о

s 4

2 M KCl 2 M NaCl

1

р

о

s

50

60

60

70

80

40

50

60

Время удерживания, мин

Рис. 1. Хроматограммы олигомеров Z-глутаминовой кислоты, полученных в средах с различными концентрациями KCl и NaCl: а — раствор без солей; б — 0.5 M KCl и 0.5 M NaCl, область длинных олигомеров; в — 1.0 M KCl и 1.0 M NaCl, область длинных олигомеров; г — 2.0 M KCl и 2.0 M NaCl, область длинных олигомеров.

NaCl. Относительные концентрации пептидов получены интегрированием соответствующих пиков на хроматограммах. Поскольку поглощение на использованной длине волны детектора (214 нм) связано в основном с пептидной связью, а поглощение боковой цепью Z-Glu пренебрежимо мало (Kuipers et al., 2007), значение интеграла от пика на хроматограмме для пептида определенной длины n было поделено на число пептидных связей n — 1. Данные по относительным концентрациям образовавшихся олигомеров, нормированные на суммарную концентрацию олигомеров для данной реакционной смеси, представлены в табл. 1.

В результате изучения олигомеризации Z-Glu в 0.5 М, 1.0 М и 2.0 M растворах KCl и NaCl обнаружено, что число аминокислотных остатков в олигомерах достигает 12 в прису

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»