Пребиотическая химия на основе формамида — совокупность гипотез, предсказывающих, что формамид играл большу́ю роль в процессе происхождения жизни , предоставляя компоненты для начала как генетических, так и метаболических процессов.

Формамид ( ${\displaystyle {\ce {HCONH2}}}$ ) — простейший природный амид , содержащий все элементы ( углерод , кислород , азот , водород ), необходимые для синтеза биомолекул . Формамид представляет из себя очень распространённое вещество во Вселенной , он был обнаружен в центре галактик , в межзвёздной среде , в звездообразующих молекулярных облаках галактической зоны обитаемости , в том числе близь формирующейся солнцеподобной звезды , и кометах .

Источники формамида на ранней Земле

Циано-формальдегидные дожди

Одним из гипотетических источников формамида могли быть циано-формальдегидные дожди, предположительно происходившие на древней Земле. В таком случае, в ходе реакций серпентинизации, происходящих, когда вода реагирует с силикатами железа, что происходит при попадании воды в трещины базальта , образуется водород : ${\displaystyle {\ce {3Fe2SiO4 + 2H2O -> 2Fe3O4 + 3SiO2 + 2H2}}}$ . Далее водород восстанавливает углекислый газ (содержание которого на древней Земле, до появления фотосинтеза, было очень высоким ), давая на выходе метан ( ${\displaystyle {\ce {CH4}}}$ ) и муравьиную кислоту . Под действием солнечного излучения в присутствие азота происходит фотолиз метана, продуктами реакции становятся синильная кислота ( ${\displaystyle {\ce {HCN}}}$ ) и её производные — цианамид ( ${\displaystyle {\ce {CH2N2}}}$ ) и ( ${\displaystyle {\ce {HC3N}}}$ ). Подобные реакции происходят в атмосфере современного Титана . Синильная кислота (которая тоже может быть сырьём для синтеза РНК-нуклеотидов, аминокислот и предшественников липидов ) далее реагирует с водой, получая формамид: ${\displaystyle {\ce {HCN + H2O -> HCONH2}}}$ .

Цинковый мир

Согласно другой гипотезе, источником формамида был « Цинковый мир » ( геотермальный источник с высоким содержанием калия , фосфора , сульфида цинка и сероводорода , который скорее всего был местом происхождения жизни ). В «цинковом мире» азот, под действием ультрафиолетового излучения , на кристаллах сульфида цинка восстанавливался до аммиака : ${\displaystyle {\ce {N2 + 3ZnS + 6H2O -> 2NH3 + 3Zn(OH)2 + 3S}}}$ , а углекислый газ до муравьиной кислоты: ${\displaystyle {\ce {CO2 + H2S -> HCOOH + S}}}$ . Муравьиная кислота реагирует с аммиаком при нагревании, образуя формиат аммония , который при нагревании распадается до формамида и воды. Благодаря высокой температуре кипения (218 °C при обычном давлении) он эффективно накапливается в пересыхающих лужах (геотермальных источниках).

Космическое происхождение

Также некоторые учёные предполагают, что формамид на Земле мог иметь космическое происхождение, попав на планету вместе с кометой, метеоритом или газом пылевого диска .

Стоит подчеркнуть, что данные гипотезы не являются взаимоисключающими, на древней Земле могли происходить все 3 процесса одновременно, что не противоречит гипотезам.

Формамид, как сырьё для синтеза биомолекул

Сам по себе формамид является хорошим предшественником биомолекул. Из формамида с высоким выходом получаются: азотистые основания , аминокислоты , сахара и нуклеозиды .

Все четыре РНК азотистых основания ( аденин , цитозин , гуанин и урацил ) образуются с высоким выходом из формамида ( ${\displaystyle {\ce {NH2CHO}}}$ ) на поверхности частиц оксида титана TiO ₂ при ультрафиолетовом облучении; аденин , цитозин и урацил — на поверхности глины или оксидов железа при нагревании .

При протонном облучении образуются аденин , цитозин , тимин и урацил (все корме тимина — предшественники РНК нуклеотидов ), а также аминокислоты и сахара .

В обычных условиях (в воде) азотистые основания не способны соединяться с рибозой , поэтому в водной среде нуклеозиды не образуются . Однако, побочным продуктом формамидных реакций могут быть наряду с аденином, гуанином, цитозином и урацилом их формильные производные, имеющие альдегидную (CHO) группу на одном из атомов азота в кольце. В условиях реакции Бутлерова на альдегидной группе «достраивается» рибоза, в итоге образуются все 4 РНК нуклеозида ( аденозин , гуанозин, уридин и цитидин ) .

Из формамида получаются 3 стандартные α-аминокислоты: глицин , аланин и пролин (а также не встречающиеся в живых клетках аминокислоты, например: метилаланин и N-формилглицин) (синтез аминокислот, видимо, идёт по ) .

Сахара, образуемые из формамида, являются в основном пентозами ( рибоза и 2'- дезоксирибоза ) и гексозами ( глюкоза , лактоза , манноза ) .

Кроме того, синильная кислота , которая может являться как предшественником формамида, так и продуктом его распада (под действием дегидратирующих агентов ( P ₂ O ₅ и т. п.) формамид дегидратируется с образованием синильной кислоты : ${\displaystyle {\ce {NH2COH -> HCN + H2O}}}$ ), также является сырьём для синтеза биомолекул .

Ранее синильная кислота, как один из продуктов, образуемых в колбе Миллера , была способна лишь на образование аминокислот . Теперь же открыты более сложные реакции, например цианосульфидный протометаболизм, открытый Джоном Сазерлендом , в ходе которого образуются: РНК нуклеотиды цитозина и (при УФ облучении) урацила, 11 аминокислот ( глицин , аланин , серин , треонин , глутамин , глутаминовая кислота , аспаргин , аспарагиновая кислота , пролин , аргинин и валин ) и предшественники липидов . А также реакция, открытая Томасом Кареллом, в которой цианистый водород и формамид являются исходными веществами для синтеза огромного числа разных видов нуклеозидов (однако, при УФ облучении, остаются только 4 нуклеотида : аденин, гуанин, цитозин, урацил, то есть «строительные блоки» РНК).

Таким образом, из формамида и синильной кислоты можно получить все необходимые «ингредиенты» для запуска « мира РНК », который представляет из себя ключевой момент в происхождении жизни, запуская процесс дарвиновской эволюции .

Формамид, как среда для образования РНК молекул

Образование нуклеотидов

Фосфорилирование нуклеозидов в водной среде является крайне неэффективным процессом. При этом образование нуклеотидов необходимо для начала абиогенеза , ведь без нуклеотидов невозможно строительство РНК. Но в водно-формамидной среде фосфорлирование происходит уже с достаточной скоростью . Нужен только самый обычный фосфатный минерал гидроксилапатит Ca5(PO4)3OH, немного солей меди и нагревание до 80 °C. Медь используется для фосфорилирования нуклеозидов и в современных клетках, она входит в состав фермента пурин-нуклеозид-киназы . Таким образом, модель «формамидного мира» решает проблему синтеза нуклеотидов.

Стабилизация и полимеризация РНК

Водный раствор, как среда для появления жизни, имеет свои недостатки. В водной среде белки, РНК и ДНК неустойчивы . Эти длинные молекулы со временем распадаются на отдельные звенья — аминокислоты или нуклеотиды. Химическое соединение аминокислот в белок или нуклеотидов в РНК происходит с выделением воды. Поэтому, когда ее вокруг много, равновесие этой реакции смещено в сторону распада белка или РНК с поглощением воды ( гидролиз) . Однако, это проблема решается в водно-формамидном растворе, где, благодаря сниженному содержанию воды, реакция будет смещена не в сторону её поглощения, а в сторону выделения, благодаря чему смогут, не распадаясь, образовываться цепочки РНК .

Примечания