（化学专业论文）氨基酸在羟基磷灰石表面的缩合.pdf

浙江大学硕士毕业论文 摘要 氨基酸分子间的酰胺键形成可以在羟基磷灰石的驱动下在相对比较低的温 度下形成，举例说明，丙氨酸形成丙氨酸二肽的过程可以在h a p 表面在1 1 0 0 c 下 形成。此时产量已经相当可观，相比较而言，聚合试剂的使用，高温( 2 5 0 0 c ) 或者高压( 2 5m p a ) 被频繁的运用于此类的反应中，在甘氨酸，谷氨酸和天冬氨 酸的聚合中也发现类似的现象，实验证明了羟基磷灰石是十分有效的无机催化试 剂，激活能可以降低5 0 ，这个效应主要是因为氨基酸单体在矿物表面有序的吸 附行为，缩短了分子间氨基和羧基基团之间的距离，增加了反应基团的接触时间 从而有利于缩合反应的发生，在漫长的地质年代中，这种温和的条件对于生命起 源中的生物分子的连续性和持续性的保持具有尤其重要的作用。 论文主要由三部分构成： 第一章介绍了生命起源的几个学说，生命起源前有机小分子的来源，矿物的 作用，以前的研究办法以及研究机理。 第二章研究了在羟基磷灰石存在下氨基酸的聚合反应，丙氨酸缩合的反应， 甘氨酸缩合的反应以及谷氨酸和天冬氨酸的缩合反应，证明了羟基磷灰石确实能 够促进氨基酸聚合的反应。 第三章使用分子模拟方法表明了氨基酸在羟基磷灰石表面的吸附行为，并从 控制化学论角度解释了羟基磷灰石对氨基酸聚合的促进效应 第四章总结与展望 关键词：羟基磷灰石丙氨酸甘氨酸分子模拟 渐江大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t h ei n t e r m o l e c u l a ra m i d e so fa m i n oa c i d sc a nb ed r i v e nb yh y d r o x y a p a t i t ea tr e l a t i v e l yl o w t e m p e r a t u r ei na i r f o re x a m p l e ，t h ef o r m a t i o no f ( a l a ) 2f r o ma l ai si n d u c e do nh y d r o x y a p a t i t ea t 110 。cw i t hc o n s i d e r a b l yy i e l d ；i nc o m p a r i s o n ，c o n d e n s i n ga g e n t s ，h i g ht e m p e r a t u r e s ( 2 5 0 0 c ) o r h i g hp r e s s u r e s ( 2 5m p a ) a r ef r e q u e n t l yr e q u i r e dt od r i v et h er e a c t i o n t h es i m i l a rp h e n o m e n aa r e o b s e r v e di nt h eg l y , g l ua n da s pc o n d e n s a t i o n s 。t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a th y d r o x y a p a t i t e i sa ne f f e c t i v ei n o r g a n i cc a t a l y t i ca g e n ta n dt h ea c t i v a t i o nb a r r i e rc a nb ed e c r e a s e db ym o r et h a n 5 0 t h ep r o m o t i o ne f f e c ti so r i g i n a t e df r o mt h eo r g a n i z e da d s o r p t i o nb e h a v i o ro fa m i n oa c i d m o n o m e r so nt h em i n e r a l ，w h i c hs h o r t e n st h ed i s t a n c eo ft h ei n t e r m o l e c u l a ra m i n oa n dc a r b o x y l g r o u pa n de x t e n d st h ec o n t a c t i n gt i m eo fr e a c t i o ng r o u p st of a c i l i t a t et h ec o n d e n s a t i o nr e a c t i o n t h i sw o r kp r o v i d e sac h e m i c a lu n d e r s t a n d i n go ft h ep r i m i t i v ec o n d e n s a t i o no fa m i n oa c i d sa n dt h e e n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo ft h em i n e r a lc a t a l y s i s i ti si m p o r t a n tt h a tt h eh y d r o x y a p a t i t e - a s s i s t e d a m i d ec o n d i t i o ni sn o tr i g o r o u sa n dc a nb ep r o v i d e dr e a d i l yb ye a r t h ，w h i c hf a v o r st h e c o n t i n u a n c ea n dp e r s i s t e n c ei nc h e m i c a le v o l u t i o n so f b i o m o l e e u l e si nt h eg e o l o g i ca g e t h et h e s i sc o n s i s t so ft h r e ec h a p t e r s c h a p t e r1 i ti n t r o d u c e st h et h r e em a i nh y p o t h e s i so fp r e b i o t i ef o r m a t i o no fp r i m a r yo r g a n i c sa n d t h es u p p o s e dr o l e so fm i n e r a l si nt h i sp r o c e s s t h ep r e v i o u ss t u d ym e t h o d sa n du n d e r s t a n d i n g sa r e a l s od i s c u s s e d c h a p t e r2 i ts h o w so u rs t u d ya b o u tt h em i n e r a la s s i s t e d p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o no fa m i n o a c i d s ( a l a n i n e ，g l y c i n e ，g l u t a m i ca n da s p a r t i c ) t h er e s u r si n d i c a t eh y d r o x y a p a t i t ec a np r o m o t e t h ee o n d e n s a t i o no fa m i n oa c i d s c h a p t e r3 m o l e c u l a rs i m u l a t i o ns t u d ya b o u tt h ec a t a l y s i se f f e c to fh y d r o x y a p a t i t eo nt h e c o n d e n s a t i o no fa m i n oa c i d s t h ep r o m o t i o ne f f e c tc a nb ee x p l a i n e db yav i e wo fc y b e r n e t i c c h e m i s t r y c h a p t e r4s u m m a r ya n do u t l o o k k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) a l a n i n e ( a l a ) g l y c i n e ( g l y ) m o l e c u l a rs i m u l a t i o n 浙江大学硕士毕业论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 蝴鲐试哕撕飙灿锄岫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 迸姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：l i ) 年 4 3 导师签名： 签字日期：加1 9 年多月c o 日 勺 、存案 、声 寸、日 厅 秒 入 f 、多扣 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 地球的寿命是4 5 亿年多一点，在最初的一半的时间内或者说在它形成之后 的一段时间内，太阳蒸发着地球表面的海洋使地球成为一个不毛之地【1 。2 】。至今 保存比较好的微生物的化石显示它拥有与现今的蓝绿色藻类生物有着相似的结 构【3 】。这块化石的年龄有3 5 亿年了间接而且有说服力的证明了生命的出现距 今有3 8 亿年 4 1 。生命，在地球上起源亦或是从外星球传到地球上，在某种程度 上从最初的几亿年增加到4 0 亿年。 生物体中的生物化学的一致性强有力的证明了所有的现代的生物起源于一 个共同祖先。对蛋白质序列的详细的分析表明这个共同的祖先拥有可以与距今 3 2 - 3 8 亿年的最简单的细菌相比较的复杂性【5 】。如果我们能知道这个人类共同的 祖先如何从存在于原始地球上的非生命物质进化的步骤，我们可以完全的解释生 命的起源。 1 1 关于生命起源的三种学说 1 1 1 化学起源说 化学起源说是被广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说认为，地球上 的生命是在地球温度逐步下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极 其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。 晰大学毕n 论支 雹1 1m i l l e t 昀窭赣装置 化学起_ 碌说将生命的起耀分为四个阶段 第一个阶段，从无机小分子生成有机小分子的阶段，需要指出的是 m i l l e r 的模拟实验。m i l le r 在他的实验中假设在生命起探之初大气层中只 有氰气，氨气和水蒸气等物，其中并没有氧气等在这个实验中，一个盛有 水溶液的烧瓶代表原始的海洋，其上部球型空问里含有氢气、氨气、甲烷和 水蒸汽等“还原性大气”m i l l e f 先给烧瓶加热，使永蒸汽在管中循环， 接着他通过两个电极放电产生电火花，模拟原始天空的闪电，以澈发密封装 置中的不同气体发生化学反应，而球型空问下部连通的冷凝管让反应后的产 物和水蒸汽冷却彤戒j 盘体，叉流回底部的烧瓶，即模拟降雨的过程经过一 周持续不断的实验和循环之后。m i l l e r 分斩其化学成分时发现，其中含有包 括5 种氨基酸和不同有机酸在内的各种新的有机化台物，阿时还形成了氰氢 酸，而氟氢酸可以合成腺嘌呤，腺嘌吟是组成核苷酸的基本单位 但m 1 1 1e r 的实验也有很多的疑点，饲如所使用的能量大小，不同气体 的配合等，虽然实验产生7 氨基酸、醣类等物质，但仍不能证明这就是生命 的起源这是因为他所假设的大气层不能证明是愿始的大气层，m i l l e t 本身 也承认他的实验与自然界生命起豫相距仍很遥远。但是m j l l er 的实验试图 向人们证实，生命起源的第一步，从无机小分子物质形成有机小分子物质， 在原始地球的条件下是完全可能实现的 2 新 学毕t i 第二个阶段从有机小分子物质生成生物大分子物质这一过程是在 原始海洋中发生的，却氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累 相互作用，在适当条件下通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分 子和核酸分子 第三个阶段，从生物大分子物质组成多分子体系这一过程是怎样形 成的呢? 前苏联学者奥巴林提出了团聚体假说，他通过实验发现，将蛋白质、 多肤、棱酸和多糖等放在合适的溶液中，它们能自动地旅缩聚集为分散的球 状小滴，这些小滴就是团聚体臭巴林等人认为，团聚体可以表现出合成 分解、生长、生殖等生帝现象例如，团聚体具有类似于膜那样的边界，其 内部的化学特征显著地区别于外部的溶液环境团聚体能从外部溶液中吸入 某些分子作为反应物，还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应，反应的 产物也能从团聚体中释放出击另外，有的学者还提出了馓球体和脂球体等 其他的一些假说，以解释有机高分子物质形成多分子体系的过程 第四个阶段，有机多分子体系演变为厍始生命。这一阶段是在原始的海 洋中形成的，是生命起琢过程中最复杂和最有头定意义的阶展目前，人们 还不能在实验室里验证这一过程 强1 2 币融曲棱认为是地球上生夸曲进忧步骤脯彤区蛾表示代诲理论对整个示意圆 曲贡崴 浙江大学硕士毕业论文 1 1 2 宇生说 这一假说认为，宇宙太空中的“生命胚种”可以随着陨石或其他途径跌 落在地球表面，即成为最初的生命起点现代科学研究表明，在已发现的星 球上，自然状况下是没有保存生命的条件的，因为没有氧气，温度接近绝对 零度，又充满具有强大杀伤力的紫外线、x 射线和宇宙射线等，因此任何“生 命胚体”是不可能保存的。 以美国航天太空总署( n a s a ) 科学家为代表的一批科学家在m ill e r 实验的 基础上掀起了太空生命的探索热潮。欧盟科学家则对慧星，陨石6 1 等天体物质进 行了深入探测，并发现氨基酸在以上各天体中存在的证据；而法国等国则对木卫 六1 ( t it a n ) 专门发射了探测器并发现了甲烷，h c n 等1 5 0 余种分子，对生命起源 研究具有极大的推进作用。前人的文献哺1 中或许已经证明了生命起源于陨石。 这个假说实际上把生命起源的问题推到了无边无际的宇宙中去了，同时 这个假说对于“宇宙中的生命又是怎样起源”的问题，仍是无法解释的。 1 1 3 热泉生态系统 生命的起源可能与热泉生态系统有关，此学说的代表人物是 w a c h t e r s h a u s e f n 。1 们针对生命的起源提出一个可能跟这里的环境相适应的故事 情节，他假设铁硫化物与硫化氢之间的反应可以提供二氧化碳还原成支持生命 起源的分子所需的自由能。他断言生命起源于铁硫化物的表面基于这个化学反 应的结果。这个理论最主要的部分就是基于复杂的新陈代谢循环是在表面自我 组织起来的以及这些最重要的产物根本没有从表面逃走过的假设 w a c h t e r s h a u s e r 认为根本就没有原始汤。 这是2o 世纪7o 年代以来，部分学者提出的观点。2 0 世纪70 年代末， 科学家在东太平洋的加拉帕戈斯群岛附近发现了几处深海热泉，在这些热泉 里生活着众多的生物，包括管栖蠕虫、蛤类和细菌等兴旺发达的生物群落引 这些生物群落生活在一个高温( 热泉喷口附近的温度达到3 0 0 以上) 、 高压、缺氧、偏酸和无光的环境中。首先是这些化能自养型细菌利用热泉喷 出的硫化物( 如h ：s ) 所得到的能量去还原c 0 ：而制造有机物，然后其他动物 4 淅江大学硕士毕业论文 以这些细菌为食物而维持生活n 迄今科学家已发现数十个这样的深海热泉 生态系统，它们一般位于地球两个板块结合处形成的水下洋嵴附近 1 4 o 热泉生态系统之所以与生命的起源相联系，主要基于以下的事实： ( 1 ) 现今所发现的古细菌，大多都生活在高温、缺氧、含硫和偏酸的 环境中，这种环境与热泉喷口附近的环境极其相似n 5 叫 ； ( 2 ) 热泉喷口附近不仅温度非常高，而且又有大量的硫化物、c h 、h ： 和c 0 ：等，与地球形成时的早期环境相似删 1 2 氨基酸聚合 关于单分子的聚合怎么会导致一个功能化的聚合物或者功能化的系 统，h o y l e 和w i c k r a m a s i n g h e 2 ”提出一个具有2 0 0 个氨基酸的蛋白质，等同于一 个细菌的复杂性的蛋白质，它的随机的聚集形成蛋白质的几率是1 0 一饥仰。即使算 上结构的变异性他们b 匕较了原始海洋中的随机的实验，得出的结果是2 5 1 05 1 ，他们认为这是有可能的。 然而，这些猜测仅仅考虑到氨基酸的聚合选择性，他们认为每两个氨基酸中 的偶遇就会导致肽键形成，这样得到的序列才是正确的。 对于我们需要催化剂的问题，通常每一个化学问题都有一个动力学或者是热 力学的维度，肽键的形成和水解是很慢的，催化剂可能需要，但不是必须的，因 为这有可能是一个双刃剑，因为催化剂不仅加快聚合反应，也可能加快聚合物的 降解心引，我们最需要的是找到如何使这个反应更加适宜。 如果我们认为单分子的吸附可以降低聚合的热力学使正向反应更加容易进 行，我们需要考虑一个问题，是否真的有一个吸附相，在这个吸附相里面的反应 跟体相的反应不一样? ( 已经有实验数据证明与水溶液接触的氧化表面与体相不 一样幢”) 。 d ei ) u v e 和m ill e r 2 钔已经指出二聚反应在吸附相中变成热力学适宜的反应， 二聚的吸附自由能必须更加的负至少有2 0 k j m 0 1 最终，我们可以将反应式l 写成 l 涵棚+ 如l l l | i 眺拳x 一如l t n i 鳓 5 浙江大学硕士毕业论文 它在吸附相中的反应2 是 捌+ 娥d 互x 一b e d 他们假定反应2 可以使适宜的，即使反应1 是不适宜的，能量图1 3 在下面： 1 1 3x - x - x “ g 。s c a i e x “ 霭1 。3 氨基酸x 聚合有关的热力学自由焓。溶液中的以及假设的吸附相中的自由焓 由图1 3 中可以看出，d u v e 和m i i l e r 瞳 认为在溶液中的成肽过程不是一个 自发形成的过程，但是在吸附态下，这个反应时可以进行的，许多二肽有稍微正 到稍微负的吸附能( 山g 是- i 到+ 1 ，4k jm o l l u 卜2 们) 这样看来，吸附本身可以 使得聚合的过程更加容易进行，虽然没有d u v e 和m i li o r 说的那么乐观。另外一 个相关的工作是k ai r a 等人n 对于( g l y ) ：，( g 1 y ) ，和( g 1 y ) 。在蒙脱石表面的吸附 能的研究，他们发现，( g l y ) ：( + o 9 到+ 1 - 1k jm o i l ) ，( g l y ) ，是接近零，( g l y ) ( - o 6 到一0 8k jm o l l ) 。b a si u k 给我们提供了更多的数据，至少证明了在二氧 化硅表面吸附的结果是这样的趋势。对于带电的氨基酸的情况就会更加复杂点， 因为氨基酸相互之间的排斥力使其变成一种非理想化的情况，但是，氨基酸与矿 物表面的吸附会使这种效应有一部分的抵消。从图中我们同样看出，当链的长度 逐渐增长，能量会更加降低n 9 1 。 o r g e l 非常赞同这个主意们，但是多肽吸附的结果表明带来下来的问题，由 于链的增长使得吸附能更加降低，如果真是在表面发生的话，那么生命是怎么从 表面上逃脱出来的2 9 1 7 一些作者b 卜3 2 1 就认为可能这些生命最初出现在一些矿物桥 浙江大学硕士毕业论文 的表面比如说是有可能是在硅酸盐的空隙，反应有可能是在干燥之后掉下来的而 不是在直接吸附后就发生的。 在前面的反应式中，我们可以看到省略了水分子，这是由于在水溶液中，水 的活度基本上是不变的，以d u v e 和m ii l e r 的推论作为基础乜钔，如果水的活度是 可变的，减小它会自动增加二聚物与单体的比例，当水的活度变成零，聚合反应 将接近完全，因此，聚合反应在通过物理过程的去水的过程使反应能够变成热力 学自发的反应。这就容易解释s i p f 环境中离子强度效应，当然最简单的去水的 办法就是外部的加热使整个系统干燥，在原始条件下，这可以通过暴露在太阳下 实现引。 1 3 矿物的作用 1 3 1 吸附的作用 氨基酸的吸附机制分为非特异性的( 通过电荷吸附) 或是特异性的( 通过共 价键或者超分子) 。静电吸附就是带电的氨基酸会存在带有通过静电吸引的相反 电荷矿物表面附近。我们把依赖于静电吸引的叫做非特异性的，是与特异性的相 对而言的，一些物理学家也叫做非静电吸引。不同的相互作用的可能性理所当然 取决于氨基酸的酸碱性质1 2 9 j 。 _ ! 堡：- _ 匹匿蚕亘圈_ 互口 d 念三笆三岛d ! 念三t 二二 匦二二= 王巫臼 p k + ui ) s i l l +f i k rp k ， 巫互 i 亟区_ ：2 乱d p h 霭1 。4 一些氨基酸和氧化物表面的酸碱物种的比较图。黑色表示带正电明影的表示电中性 白色代表带负电 7 浙江大学硕士毕业论文 图1 4 列出氨基酸和几种矿物在不同p h 值条件下的带电性，带有不同电荷 的氨基酸和矿物可以通过静电作用吸附。静电吸引对于脆c h t e r s h a u s e r n 模型 来说是非常重要的，他强调这个模型中许多重要的代谢物是阴离子，则就很容易 以静电吸附形式吸附在黄铁矿表面，但是有学者n 卜拍1 却认为这个模型过于简化， 而在很多情况下黄铁矿表面的电荷是负的。 除了静电吸附之外的就是通过共价键和超分子作用的特异性吸附，特异性吸 附等同于点吸附。在图1 5 中甘氨酸在硅表面的从溶液的生物化学中调动过来， 带有一个取代了碳原子的表面硅。 n h 2 c h 2 i 【 匦_ l s 甘氨酸在二氧化硅表面通过共价键形成的特异性吸附 图1 6 在二氧化钛的表面，基本上对于形成共价键已经毫无疑问，然而，过 渡金属离子的特殊的反应活性必须考虑进去，其中一个就是配合物化学，最好的 例子是一个氨基酸以共价键吸附在表面的例子( 甘氨酸从气相吸附在二氧化钛的 表面) ，通过未饱和的四价钛金属离子以二齿配合键结合n 引。 8 浙江大学硕士毕业论文 n h ， 1 c h 2 i 雷、6 甘氨酸在二氧化钛表面通过配位键形成的特异性吸附 那些未饱和的四价钛离子包含特殊的吸附点，只有一半可以吸附甘氨酸，这 可能是唯一的一个表面覆盖度明显的被特殊吸附位点占据的合理的一个例子 【，8 2 9 1 蛾 o 彳 c ui c 心 h 2 n 殴、1 甘氨酸在氢氧化铝表面通过三齿配位形成络合物的特异性吸附 更加复杂的机制包括金属离子，氨基酸，图1 7 中，在早期的文献中，e p r 光谱b 町的使用证明了在甘氨酸，二价铜离子与铝的氢氧化物三元的复合物的更加 复杂的机制。 另外，我们还有通过氢键的特异性吸附，图1 8 中，在天冬氨酸吸附高岭土 的例子中，i k h s a n 等人0 1 依据p h 值推断出两个外层复合物，s o i + ：( h a s p ) o 浙江大学硕士毕业论文 一( 图1 8 ) 和s - o h + ：- ( a s p ) k 4 套 o ：o eb ： 霭、毽天冬氨酸盐在高岭土表面通过形成氢键加合物形成的特异性吸附s 代表a 1 精确的 氢键的结构是不如道的 另一个例子就是碱性的氨基酸吸附在硅的表面，宏观数据显示了非常符合 s 卜0 一( h ：x ) + 这样一种形式，x 是氨基酸的去质子化的形式。 最近的研究中，结合了分子模拟和光谱数据独立的证实了稳定的氢键加合物 确实在硅表面存在( 如图1 9 ) 。 h c n |： 9 i ： t ，二 o 图1 9 铲氯霞在二氧化磋表面通过形成鱼慰加舍物的特异烂及膨 r i m o l a 4 2 - 4 3 在他的工作中提到，不管具体的氢键的形式如何，它肯定是非常 明确的或者是特异性的，因为在红外和1 3 c 的核磁中显示非常鲜明的光谱特征。 1 0 浙江大学硕士毕业论文 需要指出的是多种吸附机制有可能多重出现在同一个氨基酸与同一个氧化 物的吸附中，在b e t a 沸石和八面沸石中，p h e 以h p h e + 形式和两性离子的吸附形式 存在叫钉。 1 3 2 保护和稳定作用【拍】 矿物在化学起源中的作用，一方面，它能通过吸附防止形成的多聚物发生水 解，另一方面，通过把一些多肽安排在矿物表面指定的位置上，相互发生反应形 成新的多肽，这样，矿物在多肽进化中的作用可以被认为非常的重要，虽然不是 在从氨基酸形成多肽中起作用，而是在小的多肽形成大的单元并有助于进行从大 的生物分子到蛋白质的后来的蛋白质的步骤。可以归结为矿物表面的稳定效应 1 4 氨基酸聚合的模拟体系1 4 s l 1 4 1 热泉生态系统 w g c h t e r s h a u s e r 和他的同事们n l 们1 提出多肽形成的热泉生态系统假说，由黄 铁矿催化和高温条件下的反应，同时这个反应需要十分高的二氧化碳的分压，同 时需要一个狭窄的空间来实现反应。这是一个十分特殊而非普遍的假说。海底深 海热源喷口是一个很好的模拟生命起源的过程，由于模拟生命起源的化学反应最 基本的条件是需要一个可以产物可以循环当反应物使用，模拟的系统或装置需要 能够完成这样的过程，文献h 町中提到的模拟海底深海热源喷口的装置图( 如图 1 1 0 ) ，同时这个装置还要满足能够在潮湿和干燥的条件下加热，能够模拟昼夜 循环和在泻湖里的干湿循环，在深海热源喷口这个系统中，在热的喷口的产物可 以经过周围水的冷却后重新进入系统中1 4 9 - $ 3 1 。在含有甘氨酸的溶液重复的通过反 应器中热和冷的区域交换的循环过程中，甘氨酸可以形成多聚物，当加入铜离子， 多聚物可以延长至六肽耵。 淅大学硬单业论文 1 4 2 干热 p r e s s u r i z a t i o nv e s s e i 置1 10 模瓤曝海热簿喷口反应嚣曲示意匿 矿物在加热条件下的对氪基酸聚合的催化反应，文献“”中提到了三氧化二铝 的催化作用和聚合试剂的作用“。 h h 。 p 。# 。j 。t 0 b ：一 1 。t i ；。p t u j：。一。 j 口， o 4 ：。：。o 。一一 。_ 。 “， 。 髓1 1 小艘在粘i 矿勃最面的吸咐曲示意函展乖j 链曲增长的告适瞬构象 矿物遭过把一些多肽安排在矿物表面指定的位置上，相互发生反应形成新的 多肤t 这样，矿物在多肽进化中的作用可以被认为非常的重要，虽然不是在从氨 基酸形成多肤中起作用，而是在小的多肤形成大的单元并有助于进行从大的生物 分子到蛋白质的后来的蛋白质的步骤。可以归结为矿物表面的稳定效应“，。 浙江大学硕士毕业论文 1 4 3 聚合试剂【舶】 前面提到了有机的聚合试剂，包括苯三唑，咪唑和其它的杂环化合物，被普 遍的认为是生命起源前的多肽合成反应中的反应“助手”c a r b o d i i m i d e ( e d c ) 和1 ，1 - c a r b o n y l d ii m i d a z o l e ( c d i ) 也是主要的聚合试剂。但是在原始地球上存 在过量的这些化学物质本身的假设已经很奇怪，虽然它们其中的一些可以很少量 的在m ill e r 实验产物中发现。 1 4 4s i p f s i p f 是在1 9 8 8 年 基于对电解质溶液和络合物的理论研究中发现的，这个 反应应用了无机材料作为催化剂和聚合试剂，这种无机材料并不是多相催化中的 固相，而是在液相中存在的均相催化剂。这个反应叫做盐诱发的肽键形成的反应 ( s a l t i n d u c e dp e p t i d ef o r m a t i o n ，简称s i p f ) ，是通过c u ( i i ) ，n a c l 和氨 基酸的混合液反应形成多肽的体系。此反应为我们研究原始地球环境下肽键的形 成提供了全新的视野。通过m o n t ec a r l o b 5 。们方法表明高浓度的n a c i 溶液中，n a 离子得不到足够的溶液分子填满包含六个水分子的水和作用层，基于n a 离子与 水合层强大的结合力，这就意味着n a 离子的低配位是一个强的去水系统可以催 化任何除水的反应，这就产生了n a 离子有可能是很好的氨基酸聚合过程中的聚 合试剂，同时金属络合物被认为是降低有机配体缩合反应动力学壁垒的理想的方 法b 。这两个发现导致了s i p f 反应的发现。通过电势测定和光谱光度测定滴定 法结合物种分析“射，我们得出对聚合反应最主要的物种是由一个氨基酸分子与铜 原子通过氨基酸的氮原子和氧原子以螯合形式形成的铜的络合物，c 1 离子的结 合是由于n a c i 的高浓度，另外一个氨基酸分子仅有羧酸基团阽卜删与其结合，另 外两个水分子因为姜泰勒效应松散的分散在铜离子的周围6 1 。b i a c l 无所不在， 因此理论上根本不需要对它的存在有特别的解释，不仅如此，在前寒武记的形成 中的绿色地带中大部分都是由孔雀石和蓝铜矿组成的，表明了在s i p f 反应中铜 离子有充分的量作为催化角色，即使铜离子是否是二价的答案都是肯定的1 4 6 1 女 学r 毕* 女 9 蹈1 us i 的带砖两十甘氧酸配体曲复杂l f f g , _ 倒甘氟酸由曲i m i o 酐讨尊方法优 化辔裁由p c m 优化 145 矿物+ w d 循环 w d 循环是模拟厚始地球上湖水和浅滩上的过程，在这个过程中，白天的热量 导致水的蒸发，而降木或者潮汐会重新稀释整个系统“。使结合的多肽脱附，形 成多肽的亚稳溶液。这个波动的环境起源于l a h a v 等人在1 9 78 年的研究成果“”， 它的意思是在实验室条件下模拟早期地球自然界的周期变化，像温度的波动和季 节性的湿度的波动，在地球化学中，常用来模仿最初的矿物的风化作用，“w d t f ” 循环( 湿澜一干燥过程，啦及温度的被动，或者简化为“w d ”。) 包括通过加热到 8 0 一9 5 。c 一天使矿物氨基酸) 昆合物的干燥，再将干燥的粉末重新分散在水中，这 个循环重复n 次后，分析有机物的生成”。 台情合理的在原始地球表面形成多肽的方式就是氪基酸与无机固体在表面 的相互作用“，水被矿物层剥去，事实上，在高岭土，蒙脱土，锂蒙脱土和其它 的矿物表面氨基酸通过加热一干燥一湿润的循环，一些特定的氨基酸已经彤成了二 聚和一些三聚物，这个反应在简单的氪基酸的系统中运行的十分顺利，尤其是在 所知道的最容易聚合的氨基酸“”甘氨酸的反应中，但在丙氨醺的体系中，即使经 过很长的反应周期，产量相对还是比较小 浙江大学硕士毕业论文 1 4 6 有聚合试剂及矿物表面的共同作用下的聚合 o r g e l 和他的同事们同样也做了在矿物和聚合试剂碳化二亚胺同时存在下 的关于氨基酸聚合的研究2 刮，矿物的存在诱使多聚物的链长增加到了5 5 个单体 的长度，这主要是通过不断的供养单体，聚合在矿物表面形成，这个过程类似于 生物聚合物中的固相合成 6 4 - 6 5 1 。 而更加有趣的例子是关于黄铁矿催化的例子，在这个例子中，f e s 和h ：s 形 成f e s 。的反应为羧基和氨基的聚合提供了驱动力“钔 1 4 7s i p f + w d 循环+ 矿物 s i p f 与矿物表面的相互作用以及其简单的反应形式使这个研究方法被认为 在原始地球表面占有最大部分的反应条件哺6 1 。r m o d e 7 1 等做了s i p f 在矿物共 同作用下的反应，在所有的这些情况中，他们发现，在矿物的作用下，尤其大的 多聚物的产量比较大。 1 5 实验中遇到的技术问题 1 5 1 表面研究 在氧化物粉末表面的光谱数据，现在只局限于红外i r 中的表面漫反射红外 a t r 。卯1 。c 的固体核磁有潜能 们，如果含有同位素的氨基酸在使用的话，同样 可以使用”n 核磁。紫外可见光谱，荧光方法，拉曼和x 光吸收光谱x a s 光谱也可以 非常有效。不管是宏观的还是光谱的方法，都需要吸附的面积足够的大比9 1 。在氧 化物单晶表面的吸附的研究只是在最近才开始出现，只限于二氧化钛，或者是三 氧化二铝的在传导晶体的薄膜。这个特殊的结构可以通过扫描隧道显微镜s t m 检 测到，也可以从紫外光电能谱u p s ，x 射线光电能谱x p s ，程序升温脱附t p d 中得 到n 2 1 。 对氨基酸吸附的深入的分子模拟也是最近才出现的在矿物表面吸附的6 1 y 或者硅表面的丙氨酸的吸附，最近模拟已经更加的进步位 。 浙江大学硕士毕业论文 1 5 2 脱附的程序 我们在实验过程中主要是通过高效液相色谱h p l c 测试溶液中的含量。通常 是通过c a c l ：溶液引脱附这个灵感是通过矿物化学激发的，像是移除表面通过 静电吸附的大多数的例子，但是如果是共价吸附的话就没用，通过i r 和热重分 析t g a 可以检测固体部分。后来他们发现在三氧化二铝体系中用蒸馏水会更好 n 射，尽管没有一个是定量的。l a h a v 哺用的是1mn h c i 溶液。b a s i u k 和 g r o m o v o y 用氯仿提取，与氯化钙脱附相对的是，这比离子可以移去中性吸附的 更加有效。 1 6 活化能的研究 1 6 1 水热 j e n n ys c o x 通过定制的可以在水热条件下原位检测的光谱测量反应皿得到 了水热条件下的反应动力学的数据，他们得出结论丙氨酸在1 1 9 0 - 1 7 1 3 0 c 和 2 m 压强的情况下的活化能是1 1 4 k j m o l l l 5 1 6 2 模拟 r i m o l a 在n 6 1 一文中通过分子模拟在不加任何情况下，甘氨酸形成二肽的活 化能是2 0 9k j m o l 。而在拥有l e w is 酸和b r o n s t e d 酸的矿物中，氨基酸在类似 于这样的位点上吸附的结果使得活化能从2 0 9k j m o l 降低到6 7k j m o l ，降低 了6 8 ，而在缺少l e w is 酸的二氧化硅的表面，活化能的降低只有1 0 ，而在 此过程中水的存在会使这个效应降低13 。 1 7 选题背景和依据 氨基酸的聚合在生命起源中蛋白质的形成过程中起着非常重要的作用，这个 过程在化学起源中形成生命前驱物中是不可取代的 ，然而，失去一个分子形成 多肽的反应是非热力学适宜反应1 7 8 - 7 9 o 就像上面提到的一样，大多数的研究学者 认为粘土在生命起源的互相学起源中起着至关重要的作用随们，矿物的存在使有机 1 6 浙江大学硕士毕业论文 分子的形成更加容易，除此之外，聚合试剂的使用，以及高温高压在模拟化学起 源中仍然使用的非常广泛j 盯，这些需要苛刻反应条件的反应模型不能很好的解 释生命起源过程中二肽的机理。同样需要指出的是磷酸钙矿物在地球上的分布十 分广泛，羟基磷灰石( h a p ，c a 。( p 0 4 ) 。( o h ) ：) 是自然界中热力学最稳定的磷酸盐 e 2 - 8 3 1 ，与其它无机矿物不同的是，h a p 同样是一个重要的生物矿物，它与氨基酸， 多肽和蛋白质之间有特异性的吸附力哺h 卯，因此，h a p 有可能在促进化学进化上 起着累计生物分子的作用，因此我们选择h a p 作为反应物，探讨它在加热条件下 的反应，以探讨它在生命起源的化学起源中是否有作用。 在前人做的关于化学起源的模型中，有的是使用聚合试剂，有的使用矿物与 冷热循环，有的模拟海水的水热环境，这些条件都很苛刻，使用了高温高压，我 们旨在找出一个条件更加温和的能够通过h a p 合成出更多的多肽的反应体系，并 通过分子模拟解释这种现象。 1 7 浙江大学硕士毕业论文 参考文献 【1 s l e e pnh ，z a h n l ekj ，k a s t i n gjf m o r o w i t zhj a n n i h i l a t i o no fe c o s y s t e m sb yl a r g ea s t e r o i d i m p a c t so nt h ee a r l ye a r t h n a t u r e ，1 9 8 9 ，3 4 2 ：1 3 9 1 4 2 【2 c h y b acet h ev i o l e n te n v i r o n m e n to f t h eo r i g i no fl i f e ：p r o g r e s sa n du n c e r t a i n t i e s g e o c h i m c o s m o c h i m a c t a 1 9 9 3 ，5 7 ：3 3 5 1 3 3 5 8 3 s c h o p fjw t h ee a r t h se a r l i e s tb i o s p h e r e ：i t so r i g i na n de v o l u t i o n ，p r i n c e t o nu n i v e r s i t y p r e s s 1 9 9 3 【4 m o j z s i ss je ta 1 e v i d e n c ef o rl i f eo ne a r t hb e f o r e3 8 0 0m i l l e ry e a r sa g on a t u r e ，1 9 9 6 ， 3 8 4 ：5 5 - 5 9 【5 d a - f e if ，g l e nc ，d o o l i t t l ered e t e r m i n i n gd i v e r g e n c et i m e sw i t hap r o t e i nc l o c k ：u p d a t e a n dr e e v a l u a t i o n p r o c n a t l a c a d s c i 1 9 9 7 ，9 4 ：1 3 0 2 8 - - 1 3 0 3 3 【6 b r a d l e yjp m c s w e e nh yj r ，h a r v e yrp e p i t a x i a lg r o w t ho fn a n o p h a s em a g n e t i t ei n m a r t i a nm e t e o r i t ea l l a nh i l l s8 4 0 0 1 ：i m p l i c a t i o nf o rb i o g e n i em i n e r a l i z a t i o n m e t e o r i t i c s p l a n e t a r ys c i e n c e ，1 9 9 8 ，3 3 ：7 6 5 7 7 3 【7 f r a n g o i sr a u l i n ，t o b i a so w e n o r g a n i cc h e m i s t r ya n de x o b i o l o g yo nt i t a n s p a c es c i e n c e r e v i e w s , 2 0 0 2 ，10 4 ：3 7 7 - 3 9 4 【8 b a r b e rdj ，s c o t terd o r i g i no fs u p p o s e d l yb i o g e n i cm a g n e t i t ei nt h em a r t i a nm e t e o r i t e a l l a nh i l l s8 4 0 01 p r o c n a t l a c a d s c i 2 0 0 2 ，9 9 ：6 5 5 6 6 5 61 【9 w l i c h t e r s h i i u s e rg b e f o r ee n z y m e sa n dt e m p l a t e s ：t h e o r yo fs u r f a c em e t a b o l i s m m i c r o b i 0 1 r e v 19 8 8 ，5 2 ：4 5 2 4 8 4 【10 w i i c h t e r s l 【l l i u s e rg g r o u n d w o r k sf o ra ne v o l u t i o n a r yb i o c h e m i s t r y ：t h ei r o n s u l p h u rw o r l d p r o g b i o p h y s m 0 1 b i 0 1 1 9 9 2 ，5 8 ：8 5 - 2 0 1 【11 】o r g e lle t h eo r i g i no fl i f e ar e v i e wo ff a c t sa n ds p e c u l a t i o n