矿物介导的氨基酸成肽

    

粘土  英国学者J.D.Bernal早在1951年就提出了某些粘土片层间因含有大量的正、负电荷，故可将带电的分子吸附并能成为原始催化中心的理论。六十年代英国学者A.G.Cairns-Smith更进一步提出生命起源于粘土的主张, 他认为导致生命出现的化学演变是在粘土中进行的。此后，大量实验研究表明粘土确实可以吸附催化生物分子单体合成生物大分子。奥地利科学家B.M.Rode考察了多种粘土，如：三八面体蒙脱土（锂蒙脱土和皂石），高岭土，含铁蒙脱土，富含Fe²⁺的蒙脱土和含针铁矿的蒙脱土，对氨基酸缩合成肽的影响。结果发现三八面体蒙脱土（锂蒙脱土）催化能力最强，7天的干-湿循环反应有7%的甘氨酸转化为二肽和环二肽，更长的还有6肽。而高岭土则更有利于芳香族氨基酸（酪氨酸）的催化成肽。Lahav等以氨基酸，水和粘土混合物为反应体系，不断变化温度和水量，发现寡肽的合成量比单一温度变化要多，据此作者认为波动的原始地球条件更适合化学进化。

      

    研究表明氨基酸的吸附和聚合主要发生在粘土矿的边沿，氨基酸和肽的活化以及环二甘氨肽的形成是矿物表面肽延长的两个主要决定步骤。扫描力学显微镜实验（SFM，图3）很直观地证实了这一点。粘土能够稳定高能中间体，将能量储存在其晶格结构中，并随时可以以化学能的形式释放这些能量。因此它能催化一些化学反应，其中类似光催化作用。关于粘土为什么能够催化氨基酸缩合， Rode 认为原因有三：1）、粘土的结合改变了附着在粘土粒子边缘的氨基酸的反应活性；2）、粘土表面的酸性或碱性改变了氨基酸的离子形态；3）、粘土易于悬浮，在溶液里很容易与氨基酸发生碰撞接触。在图4中我们可以清楚地看到氨基酸的羧基能与硅羟基缩合形成-Si-O-CO-结构，这样氨基酸得到活化，随即与另一分子氨基酸发生缩合形成肽键。

图3 SFM显示蒙脱土表面对氨基酸的吸附

摘自T.L. Porter, M.P. Eastman, M.E. Hagerman. Site-specific prebiotic oligomerization

reactions of glycine on the surface of hectorite. J. Mol. Evol. 1998, 47:373-377.

 

图4 粘土表面的氨基酸成肽

摘自J. Bujdák, B.M. Rode. The effect of clay structure on peptide bond formation catalysis.

 J. Mol. Catal. A: Chem. 1999, 144:129-136.

             

矾土（氧化铝）和硅石  氧化铝俗称矾土，不溶于水，为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，有四种同素异构体β，δ， v，α-氧化铝 ，主要有α型和γ型两种变体。γ型氧化铝不溶于水，能溶于强酸或强碱溶液，将它加热至1200℃就全部转化为α型氧化铝。γ型氧化铝是一种多孔性物质，每克的内表面积高达数百平方米，活性高吸附能力强。Rode用他的80℃下干-湿循环系统研究了多种氧化铝对氨基酸成肽的催化效应，发现γ型氧化铝明显优于α型，其中尤其以中性γ型氧化铝为最佳。Rode还比较了粘土，硅石和氧化铝三种矿物对不同氨基酸缩合反应的贡献，结果显示其差异性很大。对于不同氨基酸：甘氨酸在没有矿物催化时，也能加热得到痕量二肽；矿物催化条件下，丙氨酸的缩合反应明显逊于甘氨酸，其他复杂氨基酸更是远不及甘氨酸。对于不同矿物：氧化铝和硅石，尤其是氧化铝的催化作用比粘土高效的多，其中仅氧化铝表现出对所有被测试氨基酸的催化效应；粘土的优越性仅表现在链增长上。

      

关于氧化铝的催化原理，Rode认为可以从两方面进行解释。一方面，中性或弱酸性氧化铝中存在近乎相当数目的Liews酸（Al⁺）和碱（Al-O^-）中心（图5a），由于异性电荷的吸引作用，氨基酸两性离子会在氧化铝表面发生吸附和定向（图5b），同时这样也打破了羧基氧与氨基之间的分子内氢键，为接下来的缩合做准备；另一方面，与Al-O^-接触的氨基端-NH₃⁺发生质子转移，生成的-NH₂比前者更具亲核性，从而更容易攻击羧基碳形成肽键（图5c）。

     

     

图5 矾土（氧化铝）表面的氨基酸缩合反应历程

摘自J. Bujdák, B.M. Rode. Silica, Alumina and Clay Catalyzed Peptide Bond Formation: Enhanced Efficiency of Alumina Catalyst. Orig. Life. Evol. Biosph. 1999, 29:451-461.

 

金属硫化物矿   在谈及氨基酸前生物合成的博文中（http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=201261），曾提到Wächtershäuser的假说。他认为在生命体的酶以及模板出现之前，存在着一些矿物与溶液的固液界面。这些活性界面能参与化学反应，发挥类似于生物系统中酶和模板的功能，在生命分子的非生物合成中起着一定作用。这就是Wächtershäuser关于生命起源的化学能自养进化假说和表面代谢理论。火山喷发时，在地壳裂缝处岩浆和压缩气体会与较冷的海水碰撞混合，这一过程中就有硫矿、有机分子和无机气体的相互作用。基于这一假设，Wächtershäuser等将氨基酸加入（Fe,Ni）S共沉淀胶状物（泥浆）中，并通入CO，在热水和新鲜的（Fe,Ni）S共沉淀胶状物存在条件下， CO的激活作用能使氨基酸形成多肽，从而证实了CO驱动的（Fe,Ni）S依赖型原始代谢的化能自养型生命起源理论（图6）。Wächtershäuser还发现COS中间物的形成参与了氨基酸的成肽过程，这一点后来也被Leman等人的实验验证。 Leman发现火山气体之一COS能诱导氨基酸形成硫代氨基甲酸酯，后者闭环得到2-O-1,3-氧氮戊杂环酸酐结构，该结构进一步发生开环反应并与另一分子氨基酸发生缩合，形成肽链，结果检测到四肽产物（图7）。

 

                 图6 CO驱动的（Fe,Ni）S催化氨基酸缩合成肽

摘自C. Huber, W. Eisenreich, S. Hecht, G. Wächtershäuser. A possible primordial peptide cycle. Science, 2003, 301:938-940.

                        图7 经COS活化的氨基酸缩合反应  

摘自L.Leman, L.Orgel, M.R. Ghadiri. Carbonyl sulfide-mediated prebiotic formation of peptides. Science, 2004, 306:283-286.

在今天的生物体内，一些关键酶，如固氮酶，一氧化碳脱氢酶及氢化酶的活性位点仍然存在Fe:S金属簇，正是这些位点起着配体结合与催化功能。因此我们有理由相信，在生命起源之初的生命进化过程中就有金属硫化物的参与。这一点无疑也支持了Wächtershäuser的假说。

      

伊利石和羟磷灰石  前面有曾提到N，N’-羰基二咪唑（CDI）能活化氨基酸使之能够发生缩合形成肽链，最长可达10肽，但其中主要是5肽以下的短肽。当在反应体系中加入伊利石或羟磷灰石时，长链谷氨酸多肽会被吸附到伊利石表面，重复伺服加入CDI活化的谷氨酸单体，多肽链能被进一步延长，最高可得到55肽，其中主要是30-55肽。

      

毫无疑问，矿物催化肽链的合成在原始地球上具有广泛的区域背景，发生的可能性很大，而且能够得到长达数十个氨基酸的长肽链。但目前的实验显示，它催化的主要是简单氨基酸，而且产率不高，对于复杂氨基酸则很难得到长的肽链。此外，矿物主要吸附侧链带电的氨基酸，如组氨酸，精氨酸，赖氨酸等，且对β，γ-氨基酸的吸附分别是对α-氨基酸的3和4倍。而实际上组成现代生物体内蛋白的氨基酸都是α-氨基酸，且74% 是不带电的。因此矿物与化学进化究竟有没有关系，关系有多大还尚未可知。Rode认为也许矿物在肽链的延长和稳定方面起着一定作用。

 

盐诱导的成肽反应（SIPF）

盐诱导的成肽反应（SIPE，Salt Induced Peptide Formation）是由奥地利科学家Rode提出并全面阐释的。早前的分子轨道理论计算显示，Mg²⁺可以大大降低形成酰胺键的活化能，促进肽键构建。因此Rode构建了一个包含水、矿物盐和氨基酸的温热反应体系，将该体系置于85℃氮气氛回流装置中反应7天，考察高氯化钠浓度下，多种金属离子对氨基酸缩合成肽的影响。结果发现只有Cu²⁺表现出促成肽作用，使得甘氨酸缩合成二肽和三肽。Rode还考察了两种反应体系中甘氨酸与α，β，γ-氨基酸发生缩合的情况：一种反应是在80℃下氮气氛回流装置中进行，另一种是80-90℃敞口蒸干-加湿多循环反应，一个循环24小时，共5-7个循环。结果这两种情况都生成小肽，且与β，γ-氨基酸相比，反应更倾向于选择α-氨基酸。对于SIPF的机理，Monta Carlo 模拟计算表明，在CuCl₂/NaCl/H₂O体系催化氨基酸合成肽链的反应中，高浓度的NaCl产生的未充分溶剂化的Na⁺Cl^-(H₂O)_n是很好的脱水剂，而水合氯铜酸盐CuCl(H₂O)_n⁺是结合氨基酸的活性位点，它们的复合物在氯化钠作用下脱水缩合形成肽键。

      

在研究SIPF的过程中，Rode等人还发现了有机小分子催化效应。组氨酸，甘氨酸，双甘氨肽和环缩甘氨酸都具有氨基酸自催化成肽作用。有甘氨酸存在时，丙氨酸二肽产率会增加50倍。

 

基于海底烟囱学说的肽合成

前面曾提及生命起源的海底烟囱学说，其中一个说法是：火山喷发时，海水不断地通过缝隙流入“烟囱”，由于“烟囱”内温度极高，海水会在极短的时间内急剧升高到1000℃左右。同时在海底极度的高压环境下，海水无法变为气体。在这种高温高压的海底热循环水中，一些热力学上难以发生的反应变得相对简单。日本长冈工业大学的Matsuno自行设计了一个高压热水循环系统，来模拟原始海底热水，甘氨酸试验发现该系统能生成甘氨酸的二肽，三肽和环二肽；当在系统中加入Cu²⁺时，发现有更长的六肽生成；多次重复模拟实验发现每次的结果不尽相同，说明早期的化学进化是随机的。 

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