Аминокислоты и другие биомолекулы

Образование аминокислот в космических условиях

Аминокислоты — органические соединения, содержащие как аминогруппу (-NH₂), так и карбоксильную группу (-COOH), играют ключевую роль в формировании белковых структур и как предшественники более сложных биомолекул. В космохимических исследованиях обнаружение аминокислот в метеоритах, кометных ядрах и межзвёздных облаках свидетельствует о том, что их синтез возможен вне Земли.

Основные механизмы образования аминокислот в космосе включают:

1. Формирование на ледяных поверхностях: при низких температурах (10–100 K) в межзвёздных облаках простые молекулы (CO, NH₃, H₂O, CH₃OH) подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения и космических лучей, что приводит к образованию аминокислот через фотохимические реакции.
2. Синтез через тепловую обработку метеоритного материала: при падении на планеты или в ходе процессов аккретации метеориты подвергаются мягкой термической обработке, что стимулирует формирование аминокислот из органических предшественников.
3. Гетерогенные каталитические реакции: минералы, содержащие железо, никель или кремний, способны служить каталитическими поверхностями, ускоряющими конденсацию аминокислот и пептидов в условиях космоса.

Разнообразие и устойчивость аминокислот

В метеоритах класса карбонистых хондритов обнаружено более 70 различных аминокислот, включая как протеиногенные, так и непротеиногенные. Среди устойчивых соединений выделяются глицин, аланин, аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота. Их устойчивость обусловлена низкой реакционной способностью при температурах межзвёздного пространства и способностью к стабилизации через водородные связи с ледяной матрицей.

Асимметрия аминокислот в космосе является объектом отдельного исследования. Анализ метеоритов показал избыток L-энантиомеров в некоторых аминокислотах, что может свидетельствовать о космических процессах, влияющих на хиральность органических молекул. Возможными механизмами являются:

• влияние поляризованного ультрафиолетового излучения,
• магнитные поля звёзд и пульсаров,
• асимметричное катализирование на кристаллических минералах.

Пептиды и сложные биомолекулы

Аминокислоты в космических условиях способны образовывать короткие пептиды через конденсационные реакции, особенно на поверхностях минералов или ледяных гранул. Пептиды обладают большей химической стабильностью и могут служить матрицей для формирования более сложных биомолекул, таких как нуклеотиды и белки.

Другие биомолекулы, найденные в космосе, включают:

• Сахара и полиолы: образуются через реакции Формоза из формальдегида (HCHO) в присутствии минералов.
• Нуклеотидные основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил были обнаружены в карбонистых метеоритах, что указывает на возможность предбиотического синтеза информационных молекул вне Земли.
• Липидоподобные соединения: присутствуют в метеоритах в виде длинноцепочечных карбоновых кислот и эфиров, способствующих формированию прото-мембран.

Методы исследования

Для идентификации аминокислот и других биомолекул применяются высокочувствительные методы:

• Газовая хроматография с масс-спектрометрией (GC-MS) — позволяет разделять сложные смеси органических соединений и определять их молекулярную массу.
• Жидкостная хроматография с масс-спектрометрией (LC-MS) — используется для анализа термолабильных аминокислот и пептидов.
• Рамановская спектроскопия и инфракрасная спектроскопия (IR) — дают информацию о функциональных группах и структурной организации молекул.
• Хиральная хроматография — определяет соотношение L- и D-энантиомеров, что важно для изучения асимметрии.

Роль космической химии в происхождении жизни

Обнаружение аминокислот и других биомолекул вне Земли подтверждает гипотезу панспермии и возможность доставки органических соединений на молодую планету через метеориты и кометы. Космохимические исследования показывают, что фундаментальные предшественники жизни формируются в космосе задолго до появления живых организмов, обеспечивая «строительный материал» для биохимических процессов на планетах с подходящими условиями.

Синтез аминокислот и других биомолекул в космосе иллюстрирует взаимодействие физико-химических процессов: радиации, ультрафиолетового излучения, каталитической активности минералов и низкотемпературной конденсации. Это создаёт фундамент для понимания универсальных принципов предбиотической химии и расширяет представления о возможности жизни за пределами Земли.