Erken Dünya’dakiler gibi su damlacıklarında, amino asitler kendiliğinden proteinlere dönüşebilir.

Çarpan dalgaların üzerinde küçük deniz spreyi damlacıkları oluşur

Dünya’da yaşamın nasıl başladığına dair gerçekten zorlu muammalardan biri “su paradoksu”dur: Burada, Dünya’da bildiğimiz şekliyle yaşam için sıvı su gereklidir ve buna rağmen tüm canlıların ihtiyaç duyduğu zincir benzeri moleküller (proteinler, proteinler gibi) çok sayıdadır. RNA ve DNA) sıvı suda kendiliğinden bağlanamaz.

Proteinleri ele alalım. Canlı organizmalar, zaten var olan proteinlerin yardımı olmadan protein üretemezler. Peki proteinler, 4,4 ila 3,8 milyar yıl önce bir yerde, Dünya’da yaşamın başlamasına yardımcı olmak için makul miktarlarda nasıl ortaya çıkmış olabilir?

Pekala, açıklamak çok daha kolay oldu. Purdue Üniversitesi’nde kimya profesörü R. Graham Cooks tarafından yönetilen bir araştırma ekibi, bu bilmeceyi ikna edici bir şekilde çözmek için basit ama akıllı bir kurulum kullandı ve bunun Dünya’nın erken dönemlerinde – aslında oldukça kolay bir şekilde – nasıl olabileceğini gösterdi. Onların bulguları rapor edildi 3 Ekim de Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. (Bir ödeme duvarının arkasında, ancak kontrol edebilmem için bana bir kopya gönderdiği için Dr. Cooks’a teşekkür ederim.)

Proteinlerin yapı taşları olan amino asitlerin, bir dizi gözlem nedeniyle erken Dünya’da mevcut olduğundan eminiz:

  • Stanley Miller’ın ünlü 1953 Deney Erken Dünya gazları metan, amonyak, hidrojen ve su buharını birkaç gün boyunca elektriksel bir deşarjdan (bir tür yıldırım gibi) geçerek dolaşımda tuttu ve aralarında aspartat, alanin, glisin ve muhtemelen diğer amino asitlerin de bulunduğu çok sayıda organik bileşik oluştu. .
  • 2018 yılında, herhangi bir yaşamın yokluğunda oluşmuş gibi görünen daha karmaşık amino asitler ortaya çıktı. bulundu mantodan türetilen kayalarda deniz tabanının derinliklerinde.
  • Ayrıca en az 80 farklı amino asit türü gördük. ortaya çıkmak şimdi meteorlarda.

Ama protein oluşumu? Çok değil. Bir tane vardı bildiri 2020’de bir göktaşında bulunan, biraz ses getiren, ancak nihayetinde akran incelemesinden kurtulamayan ve herhangi bir dergide görünmeyen ilk proteinin bulunması. Eğer öyle olsaydı, inan bana, ben bunun üzerine giderdim.

Bu yüzden, Dünya’nın ilk zamanlarında proteinlerin bir şekilde amino asitlerden nasıl oluşmuş olabileceğinin bir gösterimini çok arıyorduk, ama şimdiye kadar böyle bir şans yoktu.

Sudaki amino asitlerden protein yapmak neden bu kadar zor?

Başlamak için bir “yoğunlaşma” reaksiyonunun gerçekleşmesi gerekir; yani, iki amino asidin birbirine bağlanması ve bir su molekülünü dışarı atması gerekir:

glygly02_bond.png
İki jenerik amino asit, bir su molekülünün kaybıyla bir dipeptit oluşturmak üzere birbirine bağlanır.

Sol taraftaki iki molekülün ikisi de aynı tür moleküldür: genel bir amino asit. Tüm amino asitler böyle görünür, aralarındaki tek fark “R”dir. “R” birçok farklı şey olabilir, ancak Dünya’daki yaşam, nadir istisnalarsadece kullanır 20 özel şey “R” için.

İki amino asidi birbirine bağlamak için “amino” (—NH2) bir amino asidin ucu, diğerinin “asit” (—COOH) ucuyla reaksiyona girer. Bu bize OC—NH’yi (yukarıda sağda kırmızı ile gösterilen “peptit bağı”) verir ve ayrıca bir su molekülü (HOH, mavi ile) üretir. Ancak bu reaksiyonun geriye doğru da gidebileceğini unutmayın. Ve bir su kütlesi içinde, bu geriye doğru tepkime, sadece etrafta çok fazla su olduğu için, ileri yönde olduğundan çok, çok daha sık gerçekleşir.

Suda peptit bağı oluşturmanın tam olarak ne kadar zor olduğunu öğrenmek istedim, bu yüzden adı verilen birkaç çevrimiçi araç kullandım. eQulibrator ve kalistri bana yardım etmek için. “R”nin sadece bir hidrojen (H) olduğu en basit amino asidi – glisin – alalım ve ikisini birbirine bağlamaya çalışalım. Bahçe çeşitliliği koşulları altında (evde puan tutanlar için: pH 7.5, 25°C ve 0.25 M tuz), bu reaksiyonun nihai denge durumuna oturduğunda, her 360’dan sadece ikisinin olduğu ortaya çıkıyor. katrilyon glisin molekülleri eşleşmiş olacaktır. Sheesh, hayatı asla bu şekilde başlatmayacağız.

Sanki işler yeterince zor değilmiş gibi, amino asitler harcamak zamanlarının çoğu, birbirleriyle reaksiyona bile giremeyecekleri Dünya’da karşılaşacağınız çoğu pH seviyesinde “zwitteriyonik” formdadır:

glygly03_zwitterion.jpg
pH 4’ten pH 9’a kadar (kuvvetli asidik veya bazik değil), amino asitler zamanlarının çoğunu zwitteriyonik formda geçirirler. -COOH gibi asidik gruplar proton bağışlamayı sever (H+) -NH gibi temel gruplara2ve tam olarak olan bu

Bu, yukarıda bahsedilen süper-berbat denge durumuna bile ulaşmanın gerçekten uzun zaman alacağı anlamına gelir. Şimdi “su paradoksunun” ne kadar sert bir somunu kırdığını görüyorsunuz.

Bu yüzden insanlar, erken Dünya’daki koşullara uyacak şekilde bu sorunu aşmak için açıklamalar uydurdular. önermek amino asitlerin, doğal mineral veya kil katalizörlerine yakın, özel tuzlar, vb. gibi çok özel koşullar altında suda birbirine bağlanmaya zorlanabileceğini. Ancak bunlar, erişim gibi hissettirmeye başlar ve sezgisel olarak tatmin edici cevaplar vermez.

Akıllı tasarım insanları bunu söylediğimi duymaktan mutlu olacaklardır, sanırım ama şimdi onların balonlarını patlatmam gerekiyor.

Aşçılar grubu, başından beri özlediğimiz küçük su damlacıklarını sağladı ve amino asitleri içlerinde birbirine bağlamanın hiç de zor olmadığını gösterdi. Suda seyreltik bir glisin veya alanin çözeltisi yaptılar. İki saat sonra elbette hiçbir şey olmamıştı. Ancak aynı çözeltilerden ince sprey yaptıklarında, glisin-glisin (Gly-Gly) veya alanin-alanin (Ala-Ala) dipeptitleri, bir konuda kolayca saptanabilir miktarlarda oluşur. milisaniye.

Damlacıkları yapma konusundaki ilk çatlakları, nano-elektrosprey iyonizasyonveya nESI. Burada emitör ve dedektör arasına güçlü bir voltaj uygulayarak elektronları bir sıvıdan (bu durumda sudaki seyreltik bir glisin çözeltisi) emeriz. Sıvı net bir pozitif yük alır, bu nedenle kelimenin tam anlamıyla bir sis olarak negatif yüklü dedektör plakasına çekilir:

glygly01a_nESI.jpg
Nano-elektrosprey iyonizasyon (nESI). Bunu, voltajı tersine çevirerek ve istersek sıvıya net bir negatif yük vererek de çalıştırabiliriz. Sağda bir kütle spektrometresi açıklığı var. Damlacıklar uçuşta birkaç milisaniye harcıyor, sonra oraya giriyor ve kimyasal içerikleri için analiz edilebiliyor. (Rahmetli John B. Fenn, bu yöntemi geliştirdiği için 2002 Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı.)

Damlalar dedektöre giderken daha da küçülür çünkü içlerindeki pozitif yükler birbirini iter ve bu da damlacıkların parçalanmasına neden olur. Normalde, nESI yapar Yaklaşık 0,2 μm (bir metrenin milyonda biri) genişliğinde başlayan ve oradan küçülen damlacıklar.

Ama şimdi diyebilirsiniz ki, moleküllere yük bindirmek bir nevi hile değil mi? Bu doğada rutin olarak olmaz! Ve eğer öyle diyorsan, haklısın. Bu tam olarak adil değil. Pek çok insan çılgın, Dünya benzeri olmayan koşullar altında peptit bağları kurdu. Önemli değil.

Daha sonra herhangi bir voltaj uygulamadan deneyi tekrarladılar ve sıvıyı bir şırınga ile emitörden fiziksel olarak iterek sprey yaptılar. Damlacıklar o kadar küçük değildi, ama yine de işe yaradı. Net ücret sonuçta bu etkiden sorumlu değildi; her şey damlacıklarla ilgiliydi.

Ama iyileşir. İki glisin içeren buğuyu birlikte püskürttüler ve sadece Gly-Gly değil, aynı zamanda Gly-Gly-Gly ve Gly-Gly-Gly-Gly ile sonuçlandılar. Gly-Gly içeren iki jeti birlikte püskürttüklerinde, Gly-Gly-Gly-Gly ve Gly-Gly-Gly-Gly-Gly-Gly’yi elde ettiler! Glisin ve alanin spreylerini karıştırdılar ve Gly-Gly-Ala, Ala-Gly-Ala, vb. gibi karışık peptitler elde ettiler.

Hey, bu protein gibi oluyor!

Muhtemelen peptit içeren damlacıkları deniz spreyi, şelale sisi ve benzerlerinde olduğu gibi birbirine çarpmaya devam ederseniz, peptitler daha da uzayabilir ve size çalışmanız için bazı ilkel protein materyalleri verebilir.

Ama bir saniye bekle. Bu reaksiyonlar, küçük su damlacıklarında nasıl bu kadar hızlı işleyebilir, ancak toplu suda hiç çalışmayabilir? Yani, su sudur, değil mi? İşin püf noktası, sadece her damlacık yüzeyinde meydana gelmeleri gibi görünüyor. Bu yüzeyin bir tarafı tamamen sudur, doğru, ancak diğer tarafı çok az su içeren havadır. Su yapmak çok daha kolay hale geliyor – yani, aşağıdaki gibi bir yoğuşma reaksiyonu yürütmek

Gly + Gly → Gly-Gly + H2Ö

– etrafta su olmadığında. Bir damlanın yüzeyinde, bu moleküller suda çözünmüş halde kalabilir ve yine de suyun olmadığı bir yere erişebilir. Ve işte dostlarım, “su paradoksuna” çözümünüz.

obama_drops_mic.gif
Damlalardan mı bahsediyorduk?

başka bir sürü var sebepler reaksiyonların bir hava-su ara yüzeyinde çok farklı davranabileceğini ve bundan bahsediyorum çünkü bu aslında bir tatlı sıcak başlık şimdi kimyada. Onun bilinen Su moleküllerinin —OH gruplarının sıvı içinde sahip olacakları (zayıf) bağ ağının bir parçası olmaksızın yüzeye yapışabilmeleri ve tek başına bu farklı bir ortam sağlar:

glygly05_ohgroups.jpg
Hava-su ara yüzeyindeki su moleküllerinin yaklaşık %20’sinde bir -OH yapışması vardır.

bir tane bile var Elektrik alanı hava-su arayüzü boyunca ve bu hiç iyi anlaşılmasa da, kesinlikle kimyasal reaksiyonları biraz etkileyebilir.

Purdue araştırmacıları, daha küçük damlacıkların daha iyi olduğunu gözlemledi, çünkü daha küçük damlacıklar daha yüksek bir yüzey-hacim oranına sahiptir, bu da doldurulacak hacme kıyasla reaksiyon yapmak için daha fazla yüzey alanı anlamına gelir ve böylece Gly-Gly gibi ürünler daha fazlasını elde edebilir. konsantre olur ve tespit edilmesi daha kolay olur.

Doğadaki su damlacıkları bu kadar küçülebilir mi? Tabii ki yapabilirler! Havada asılı kalan herhangi bir damlacık tamamen buharlaşmak zamanla, bu nedenle bir sprey veya sis içinde herhangi bir zamanda genellikle tam bir damlacık boyutu aralığına sahip olabiliriz.

Şunu belirtmek gerekir ki, inanılmaz derecede yeterli, Dünya üzerindeki deniz spreyinin toplam yüzey alanı aslında daha büyük gezegenin tüm hava-deniz arayüzünden daha fazla! Bulutlardaki, şelalelerdeki, akarsulardaki vb. tüm damlacıklardan bahsetmiyorum bile. Dolayısıyla bu, doğada meydana gelen ve birçoğunun muhtemelen henüz bilmediğimiz yeni kimyasal reaksiyon sınıfları için son derece önemli bir mekandır.

Buradaki proteinler için geçerli olan aynı ilke, DNA, RNA, polisakkaritler, fosfatlar ve yoğunlaştırma yoluyla oluşan biyolojik olarak önemli olan her şey için de geçerli olabilir. Umarım Purdue ekibimiz bundan sonra bunlardan bazılarını deneyecektir!

Ama şimdilik, Dünya’da yaşamın ortaya çıkışındaki akıl almaz bir adım daha, çok daha anlaşılır hale geldi. Dalgaların kıyıya çarpmasını izlemek her zaman büyüleyicidir ve belki de bunun bir nedeni, geldiğimiz yerin en başlangıcına bakıyor olmamızdır.

Leave a Comment