Квантова химия: защо животът на Земята се нуждае от толкова много аминокиселини

Един от най-старите и фундаментални въпроси в биохимията е защо са необходими 20-те аминокиселини, от които зависи животът, при положение, че първоначалното ядро от 13 също върши работа. Е, квантовата химия може би вече е открила отговора.

Според ново изследване именно голямата химическа реактивност на най-новите седем аминокиселини ги прави жизненоважни за живота, въпреки че те не добавят нищо различно към генетичния код що се отнася до пространствената им структура.

Квантовата химия взима назаем принципите на квантовата механика – която описва частиците спрямо вероятностние им свойства като вълни – и ги прилага спрямо поведението на атомите в химичнитереакции.

Международният екип от учени, който стои зад новото изследване, използва техниките на квантовата химия, за да сравни аминокиселините, които се намират в космоса (доставени на Земята от фрагменти от метеорити) с аминокиселините, които днес поддържат живота на нашата планета.

„Пренасянето на мъртвата химия от космоса в нашата биохимия днес е белязано от повишаване на мекотата и съответно на реактивността на градивните елементи,” казва един от учените, Бернд Моозман от германския университет „Йоханес Гутенберг” в Майнц.

Работата на аминокиселините е да формират протеини по инструкции, изпратени от нашето ДНК. Тези киселини са се образували веднага след възникването на Земята – преди около 4.54 милиарда години и те са едни от най-ранните градивни елемнти на живота.

Но защо еволюцията е решила, че се нуждаем от 20 аминокиселини, които да поддържат кодирането на гените, така и не става ясно, защото първите 13 аминокиселини би трябвало да са напълно достатъчни за успешното изпълнение на тази задача.

По-голямата „мекота” на допълнителните 7 аминокиселини, открита от учените, означава, че те по-лесно реагират и са по-гъвкави, що се отнася до химически промени.

Ако си представите аминокиселините като кръгове, те биха изглеждали като многобройни концентрични окръжности, отговарящи за различните енергийни нива, вместо един кръг с една и съща химическа твърдост и енергийно ниво – като на снимката долу.

Основавайки хипотезата на квантови химически изчисления, учените успели да подкрепят своите идеи със серия от биохимични експерименти. В хода на тестовете те открили, че допълнителните аминокиселини – в частност метионин, триптофан и селеноцистеин – може би са еволюирали в отговор на повишаващите се нива на кислорода в биосферата в най-ранните дни на нашата планета.

Да се върнем толкова назад във времето е трудно, тъй като първите органични съединения не са оставили никакви вкаменелости, които ние да можем да анализираме днес, но кислородът може би е бил част от процеса, който е задействал появата на живота на Земята.

Докато най-ранните живи клетки са се опитвали да се справят с допълнителния оксидантен стрес, в битката оцелявали най-приспособимите. Клетките, които най-добре можели да се справят с допълнителния кислород – чрез защитата на новите аминокиселини – са онези, които не само оцелели но и процъфтели.

„Имайки това предвид, ние можем да определим кислорода като автора, добавил последните щрихи в генетичния ни код,” казва Моозман.

Изследването е публикувано в PNAS.

по статията работи: Величка Мартинова

източник: sciencealert.com