Квантовая химия решила вопрос, зачем нам столько аминокислот

4 February 2018

Квантовая химия решила вопрос, зачем нам столько аминокислот

Гибкий подход к жизни

Один из старейших и наиболее фундаментальных вопросов биохимии: «почему для поддержания жизни нам нужно именно 20 аминокислот, хотя хватило бы и исходных ​​13?»

Возможно, только что квантовая химия дала нам ответ.

Согласно новым исследованиям, химическая активность дополнительных семи аминокислот делает их настолько важными для жизни, хотя они и не добавляют ничего другого в плане их пространственной структуры.

Квантовая химия — это переложение принципов квантовой механики на то, как атомы ведут себя в химических реакциях с учетом их вероятностных волнообразных свойств.

Международная команда ученых, участвующих в новом исследовании, использовала методы квантовой химии для сравнения аминокислот, найденных в космосе (и оставленных на Земле фрагментами метеорита) с аминокислотами, поддерживающими жизнь на планете сегодня .

«Переход от мертвой химии в космосе к нашей собственной биохимии здесь сегодня был отмечен увеличением мягкости и, следовательно, повышенной реакционной способностью строительных блоков», — говорит один из исследователей Бернд Музманн из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце в Германии.

Работа аминокислот заключается в формировании белков в соответствии с инструкцией нашей ДНК. Эти кислоты были сформированы сразу после возникновения Земли и поэтому представляют собой один из самых ранних строительных блоков жизни.

Однако почему эволюция решила, что нам нужно 20 аминокислот для обработки этого генетического кодирования, никогда не было ясным, потому что и тех тринадцати, что появились первыми было бы достаточно для выполнения этой задачи.

Большая мягкость лишних семи аминокислот, идентифицированных исследователями, означает, что они легче реагируют и более гибки с точки зрения химических изменений.

Если представить аминокислоты в форме геометрических фигур, их можно было бы нарисовать, как несколько концентрических кругов, представляющих различные энергетические уровни, а не один круг с той же химической твердостью и энергетическим уровнем — вроде как на фотографии ниже.

Квантовая химия решила вопрос, зачем нам столько аминокислот

Построив гипотезу с помощью расчетов квантовой химии, ученые смогли подкрепить свои идеи серией биохимических экспериментов.

В ходе исследования команда определила, что дополнительные аминокислоты, в частности метионин, триптофан и селеноцистеин, вполне могли развиться в ответ на увеличение уровня кислорода в биосфере в начале существования нашей планеты.

Разобраться, что происходило в столь ранние времена трудно, поскольку первые органические соединения не оставили следов, чтобы их проанализировать, но это, возможно, было частью процесса, который вызвал формирование жизни на Земле.

Поскольку самые первые живые клетки пытались справиться с дополнительным окислительным стрессом, это был вопрос выживания наиболее приспособленных. Клетки, наиболее способные справиться с избыточным кислородом при помощи этих новых аминокислот были теми, кто жил и процветал.

«С этой точки зрения мы могли бы охарактеризовать кислород, как автора последнего штриха генетического кода», — говорит Музманн.

Специально для проекта “Наука от Фансаенс”