Построение урацилового скелета в примитивных прудах у зарождения жизни: карбамоилирование аспарагиновой кислоты

Mar 16, 2024

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 19178 (2022) Цитировать эту статью

1267 Доступов

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

В метеоритах обнаружен большой набор нуклеиновых оснований и аминокислот, а это означает, что в Солнечной системе присутствует несколько химических резервуаров. Гипотеза «геохимической непрерывности» исследует, как протометаболические пути развились из так называемых «кирпичиков» в безэнзимном пребиотическом мире и как они повлияли на возникновение жизни. В живой клетке вторым этапом синтеза мономеров РНК уридина и цитидина является перенос карбамоила от донора карбамоила к аспарагиновой кислоте. Здесь мы сравниваем два сценария без ферментов: водный и минеральный поверхностные сценарии в температурном диапазоне до 250 °C. Оба процесса могли происходить в водоемах под открытой атмосферой на первобытной Земле. Карбамоилирование аспарагиновой кислоты цианатом в водных растворах при 25 °C дает высокие выходы N-карбамоиласпарагиновой кислоты в течение 16 часов. Важно подчеркнуть, что, хотя различные молекулы могут быть эффективными карбамоилирующими агентами согласно термодинамике, кинетика играет определяющую роль в выборе возможных пребиотических путей.

Вопрос о возникновении первых форм жизни, о которых мы ничего не знаем, но являемся потомками дарвинистов, можно рассмотреть с точки зрения перехода от инертного состояния к живому. Гипотеза «геохимической непрерывности»1 утверждает, что на каком-то этапе эволюции жизни ключевые части метаболических путей повторяли реакции, которые ранее происходили в небиологических условиях. Это одновременно экономно и фальсифицируемо, а также совместимо с идеей о том, что жизнь развивалась в непрерывном процессе, а не как «странная случайность». Кроме того, протометаболические пути от простых обильных предшественников могут постоянно пополнять запасы биохимических строительных блоков, избегая проблемы истощения, возникающей при сценариях экзогенной доставки2,3. В этой гипотезе структуры, определяющие жизнь (метаболизм, информация, компартменты), могли быть инициированы по тем же общим путям, но с другими альтернативами кинетического (неорганического, в том числе гетерогенного, катализа) и термодинамического контроля (свободная энергия, выделяемая в результате макроскопических флуктуаций окружающей среды). ), чем те, которые мы наблюдаем сегодня у организмов4,5.

В этом направлении мы исследуем типичную метаболическую последовательность биосинтеза нуклеотидов, синтез пиримидинов de novo (оротатный путь), с целью перенести его в абиотическую среду. Неферментативный биосинтез пиримидинов в последнее время стал объектом большого интереса либо из-за попыток транспозиции оротатного пути6, либо через альтернативные пути, включающие различные предшественники7. В предыдущей публикации мы рассмотрели пребиотический потенциал карбамоилфосфата, активированного карбамоилирующего агента, используемого в начале этого биохимического пути. В данной статье мы концентрируемся на образовании N-карбамоиласпарагиновой кислоты (NCA), 7-атомного предшественника урацилового каркаса.

NCA, также называемая уреидоянтарной кислотой8, существует у всех живых видов, от бактерий до эукариот. NCA присутствует в цитоплазме, а также в экскрементах (слюне) и органах (простате). Он синтезируется из карбамоилфосфата и L-аспарагиновой кислоты под действием фермента аспартаткарбамоилтрансферазы (ATCase)9. Поскольку он играет ключевую роль в метаболизме аспартата и пиримидина, он участвует в некоторых дисфункциях, таких как болезнь Канавана и дефицит дигидропиримидиназы10.

После дополнительной стадии циклизации NCA образует основной скелет оротовой кислоты11,12, предшественника урацила5,13,14 (рис. 1), следовательно, он является основной пребиотической мишенью для проверки достоверности гипотезы геохимической непрерывности.

Современный биосинтез пиримидинов in vivo по оротатному пути. Шаг, изучаемый здесь, заключен в рамку.

В предыдущей работе мы показали, что карбамоилфосфат (КФ) довольно нестабилен в пребиотических условиях, но образует две другие молекулы, все еще содержащие богатый энергией карбамоильный фрагмент: цианат и мочевину15. Поэтому маловероятно, что сам CP участвовал в пути пребиотического карбамоилирования. Однако потенциал соединений цианата и мочевины в качестве альтернативных карбамоилирующих агентов заслуживает изучения. Цианаты и мочевиноподобные соединения могут производиться несколькими путями в пребиотических условиях, в отличие от карбамоилфосфата16. Поэтому мы сначала исследовали синтез NCA посредством реакции между цианатом и L-аспарагиновой кислотой в щелочных водных условиях. Затем мы также оценили сценарии минеральной поверхности, включающие этапы высыхания, чтобы проверить предсказания гипотезы геохимической непрерывности, включая идею о том, что минеральные катализаторы могут имитировать роль ферментов (рис. 2).