Тиоэфиры обеспечивают вероятный пребиотический путь к прото

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2569 (2022) Цитировать эту статью

4084 Доступа

10 цитат

25 Альтметрика

Подробности о метриках

Широко распространено мнение, что конденсация строительных блоков в олигомеры и полимеры сыграла важную роль в зарождении жизни. Высокие энергии активации, неблагоприятная термодинамика и побочные реакции являются узкими местами для образования абиотических пептидов. Все абиотические реакции образования пептидных связей через тиоэфирные промежуточные соединения, о которых сообщалось до сих пор, основывались на высокоэнергетических молекулах, которые обычно имеют короткий период полураспада в водных условиях и поэтому требуют постоянного пополнения. Здесь мы сообщаем о возможных пребиотических реакциях меркаптокислот с аминокислотами, которые приводят к образованию тиодепсипептидов, содержащих как пептидные, так и тиоэфирные связи. Образование тиодепсипептида было достигнуто в широком диапазоне pH и температуры путем простой сушки и нагревания меркаптокислот с аминокислотами. Наши результаты предлагают надежный пребиотически приемлемый путь образования протопептидов в одном горшке. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что тиодепсипептиды и пептиды с тиоловыми концевыми группами легко образовывались на добиотической Земле и, возможно, вносили вклад в раннюю химическую эволюцию.

Считается, что конденсация строительных блоков в олигомеры и полимеры является ранним и важным процессом в зарождении жизни. Однако препятствиями на пути абиотической конденсации аминокислот с образованием пептидов являются высокие энергии активации, неблагоприятная термодинамика и побочные реакции. Тиоэфирные промежуточные соединения во влажно-сухом цикле обеспечивают возможное решение. Тиоэфиры — это продукты конденсации, которые могли образоваться на пути к пептидам во время зарождения жизни1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Общая роль тиоэфиров в химии пребиотиков была предположена Де Дювом на основании их важности и широкого распространения в современном метаболизме18. Тиоэфирные промежуточные соединения обеспечивают анаболизм и катаболизм пептидов, жирных кислот, стеринов и порфиринов19. Более того, считается, что тиолы были в изобилии на добиотической Земле, особенно вблизи источников сероводорода20,21,22.

Еще в 1953 году было показано, что пептидные связи образуются через тиоэфирные промежуточные соединения в водных средах. Химически активированные строительные блоки использовались для производства пептидов и тиодепсипептидов, которые содержат как пептидные, так и тиоэфирные связи23,24,25,26,27. Виланд и его коллеги использовали валин-тиоэфир и цистеин для образования валин-цистеиновых дипептидов. В этих реакциях за транстиоэтерификацией следует внутримолекулярный тиоэфир-амидный обмен между цистеином и валином-тиоэфиром23. Позднее Вебер и Оргель образовали тиоэфиры, используя N-ацилзащищенный цистеин или 3-меркаптопропионовую кислоту24,25,26,27. Совсем недавно были предприняты попытки образовать пептиды в водных растворах посредством окислительного ацилирования тиокислот28,29,30. Леман и его коллеги показали, что карбонилсульфид может способствовать образованию пептидных связей посредством образования тиокарбамата α-аминокислоты, который циклизуется в высокореактивный N-карбоксиангидрид31,32. Более того, было показано, что ацетилцистеин или производные тиолы катализируют образование пептидиламидина в воде в сочетании с α-аминонитрилами15. Показано также образование амидных связей при восстановительном ацетилировании аминокислот меркаптоуксусной кислотой в водных растворах, обусловленное образованием пирита (FeS2) из ​​FeS и H2S33.

Известно, что тиолы способны конденсироваться с карбоновыми кислотами с образованием тиоэфиров (рис. 1, вверху)18,34. Кроме того, тиоэфирные связи могут быть преобразованы в пептидные связи посредством тиоэфир-амидного обмена (рис. 1, внизу). Эта схема реакции аналогична схеме ацильного замещения, при которой образуются депсипептиды, содержащие смеси пептидных и сложноэфирных связей. В этих реакциях амидные связи образуются в реакциях высыхания гидроксикислот и аминокислот посредством обмена сложного эфира на амид35,36,37,38. Образование амидной связи возможно за счет предварительного образования сложноэфирных связей. Хотя депсипептиды являются многообещающим пребиотическим подходом к образованию пептидных связей на древней Земле, реакции требуют умеренно кислого pH (оптимальный pH около 3,5).