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吸附在矿物质上的氨基酸的命运

Jean-Franc-ois Lambert, Lorenzo Stievano, Ire`ne Lopes, Marwen Gharsallah, Lingyu Piao

摘要：我们在这里介绍了在评估伯纳尔关于矿物表面生物聚合物起源的假设的总体框架中，最近获得的关于氧化物矿物上氨基酸吸附的分子表征和通过热活化进一步聚合的选择结果。吸附机理可以通过振动光谱，固态¹³C核磁共振和分子模拟的联合来鉴定。根据特定的氨基酸，研究的氧化物表面和吸附期间的水活度（即，是从气相还是从水溶液中进行），静电吸附，外球和内球的贡献配位体络合物可能会被观察到。这些机制导致来自不同氨基酸的等摩尔混合物的显著吸附选择性。在中等温度（150-160℃）下热激活时，发生清洁的聚合事件，并且可以通过热重分析方便地观察到。在这一步也有一些选择性的提示。热处理过程中的水分活度对聚合的热力学起着重要的作用。

关键词：氨基酸; 氧化物矿物; 吸附机理; 聚合; 选择性

1.介绍

自从米勒和瑞雷的实验以来，在理解氨基酸的益生元合成途径方面取得了很多进展。增加复杂性的下一个合乎逻辑的步骤将是从先前形成的氨基酸中通过肽（酰胺）键缩合形成功能生物聚合物，即蛋白质。请注意，如果提出“RNA优先”情景，则从先前形成的核苷酸中缩合RNA产生非常相似的问题，主要区别在于核苷酸本身已经是比氨基酸更复杂的分子。

事实上，在最近的讨论中，关于来自各个单体的长杂多肽或杂核苷酸形成的问题已被列入关于生命起源的九个基本疑问中（Stano和Luisi，2007）。

出现这个问题的原因是肽键形成是在标准条件下在水溶液中的热力学上坡过程。每个肽缩合事件以 10至 15kJmol^minus;1（Shock，1992；Martin，1998）消除，并且即使在高度浓缩合的氨基酸溶液中，也很容易计算，五聚体以外的寡肽的平衡浓度也可忽略不计，甚至忽略序列选择性问题（Brack，2007；Lambert，2008）。因此，替代scenarii必须提出，其中任一聚合事件没有在“原始汤”，但在一个不同热力学相（Rode，1999；Imai等人，1999；Lyons and Vasavada，1999）发生，或者它被加上了热力学有利的过程，例如多磷酸盐水解（Yamagata和Inomata，1998）。

在“吸附相”中发生氨基酸聚合的早期建议（Bernal，1951年），即它实际上意味着吸附在氧化物矿物表面上的单体在20世纪70年代引起了第一系列的实验研究（例如，拉哈夫和White，1980）。 在随后科学调查这一领域的下降之后，由于表征技术和分子模拟的进展，20世纪90年代重新开始了兴趣。 最近的文献已经在其他地方进行了审查（Zaia，2004; Lambert，2008）。

我们最近也进行了系统的研究，简单的生物分子吸附在几个良好表征的氧化物表面，使用以前在表面官能团的分子鉴定上获得的知识来更好地表征它们与氨基酸的相互作用。通过组合的实验和理论方法，我们可以从水相和气相（Lomenech等人，2005）中推断甘氨酸（最简单的氨基酸）在二氧化硅（Meng等人，2004；Costa等人，2007; Stievano等人，2007）上的吸附机理。一旦了解了吸附的位置和机理，我们尝试利用这一理解来研究分子水平上肽键形成的活化。

在这个沟通中，我们想举几个例子来确定这种方法的潜在利益；特别地，我们将强调吸附机理不仅取决于所考虑的氨基酸及其初始形态，而且取决于表面的性质（不是所有的氧化物相等），和进行吸附的介质（从水溶液吸附不同于从气相吸附）。

我们还将认为，在分子水平上的这种吸附机理的知识通过在随后的热激活时在矿物表面上聚合氨基酸而释放出肽键形成的新亮点。

对实验结果更完整的解说感兴趣的读者参考我们以前引用的出版物以及即将出版的报告。

2.材料和方法

2.1样品制备

已经使用氨基酸在固体氧化物上的两个沉积程序：化学气相沉积（CVD）和从水溶液中的选择性吸附。它们在Lomenech等人（2005）和Meng等人（2004）的文献中有详细描述。在从水溶液吸附的情况下，使氧化物粉末平衡4小时，然后通过离心从上清液中分离出来。由于在该步骤中湿粉末物理上保留了大量的水溶液，所以至少在二氧化硅的情况下，施加快速洗涤步骤以仅保留特异性吸附的氨基酸分子。然后将氧化物粉末在真空下干燥过夜，然后进行表征。

2.2表征技术

在TG / DTA 220热分析仪（Seiko Instruments公司）上，在干燥空气或二氮（120ml / min）流速下以5℃/ min的升温速率进行差示热重分析实验。

¹³C MAS NMR光谱是在以omega;_L= 400MHz（¹H）和100.62MHz（¹³C）工作的Bruker Avance 400光谱仪上获得的。质子交叉极化（¹H CP-MAS）用于¹³C NMR光谱，接触时间在5 mu;s时优化。以10-12kHz的频率以魔角旋转样品。¹³C脉冲长度为5mu;s。回收延迟为10-20秒。在RT-干燥的样品上和在Ar通量下通过加热至中等温度而活化的样品上进行NMR研究；气相中的水分活度可以通过在含有受控温度的饱和器中鼓泡气体来改变。

通过HPLC分析测定吸附选择性，在水性吸附的情况下在吸附过程中获取的等分试样，或通过从干燥的固体样品中解吸获得的溶液；解吸程序用10ml 0.1M CaCl₂溶液进行，用于100mg固体。

3.氧化物粉末的氨基酸吸附机理

氨基酸的吸附机制的表征非常重要，因为它允许进行一般的预测。例如，它可以允许人们从给定表面上的不同分子的混合物预测吸附的选择性。

从理论的角度来看，可以推进几种不同的机制，具有不同的后果。“位点吸附”是定义选择性的，因为它意味着在表面原子的整体与氨基酸分子之间形成明确界定的键合图案。然而，不同类型的键可能负责现场吸附。

首先，可以形成共价键，特别是在表面羟基（S-OH）和羧酸部分之间形成。关于二氧化硅和硅酸盐上的氨基酸吸附的第一个猜测确实提出了称为“表面酯”或“表面酸酐”的S-O-CO-CH（R）NH ₂的形成（Collins等人，1988），假定表面硅烷醇（Si-OH）在有机化学中以与醇（C-OH）基团相似的方式表现。吸附反应将是：

这种缩合确实已经在后面得到证实，尽管不是在二氧化硅上，而是在二氧化钛（TiO ₂）单晶表面上（邱和巴特奥，2007）。

然而，位点吸附也可以通过另外的机理发生，其包括在氨基酸和一个或几个表面基团之间形成特定的氢键合图案。 这个想法是相当新鲜但有吸引力的，因为它提出了生物化学中相互作用互补的分子识别的类比。 我们稍后会回来这个可能性；这足以说明它符合经典（宏观）胶体化学方法对氧化物上氨基酸吸附的结论（Vlasova和Golovkova，2004；OConnor等，2006）。

虽然现场吸附几乎肯定地是来自气相的氨基酸吸附，但是在从水溶液中吸附的情况下，也可以考虑非特异性机理，即电化学双层理论所述的静电吸附。事实上，在液态水存在下，大多数氧化物由于同构取代（粘土矿物和沸石的晶格带负电，而层状双氢氧化物的晶格为正），或者由于同位素取代表面羟基的酸碱反应：在后一种情况下，表面电荷是pH依赖性的，在“零电荷pH”或PZC处改变标志。当存在净表面电荷时，必须用相反的由于电解质离子的差异积聚，在溶液附近的溶液的区域中充电。由于氨基酸的净电荷也是pH依赖性的，所以可能存在表面具有例如正电荷且溶液中的氨基酸为负的pH范围；然后将它们以非特异性方式保留为补偿阳离子。

我们最近回顾了文献中有关各种AA /氧化物系统的数据（Lambert，2008）；根据氨基酸，表面位点的性质和吸附条件的性质，可以观察到广泛的行为多样性变得越来越明显。 因此，所有的一般性都必然是误导性的。

3.1.来自气相的吸附和在相同表面上的水溶液的比较

我们在其他地方报道了与来自气相的吸附相比，水溶液中二氧化硅上甘氨酸的吸附量（Stievano等人，2007），我们将在此简要总结相关结果。用于表征甘氨酸吸附机理的主要分子探针是透射模式下的IR。与分离的甘氨酸分子相比，用于吸附甘氨酸的C=O和-NH_X部分的主要振动模式的位置显示出显着的变化，并且使用DFT分子模拟来比较针对各种模型计算的带位置与实验观察的带位置。我们得出结论：

当从气相吸附时，甘氨酸保持其中性形式（未质子化的胺，-NH₂和质子化的羧酸-COOH），而当从水溶液中吸附时，其为两性离子形式；换句话说，吸附的氨基酸保留其存在于吸附介质中的原始形态。

最佳拟合实验数据的吸附模型通过明确定义的环状H键模式进行特异性吸附，其中表面硅烷醇（Si-OH）既作为H-键受体和供体，硅烷醇化物（Si-O^-）甚至是H键接受者。事实上，通过建模可以产生大致相同的吸附能量的几种加合物，难以确定地挑出最稳定的。然而，所有可能的结构基本相似，并且可以被描述为由H键的复杂网络稳定的外部球体（Costa等人，2007）。该基本结构如图1所示。外层复合物或加合物的形成未被活化，或者至多具有至少一个小的活化屏障，使其迅速达到平衡。

图1.通过在不存在水的情况下从气相中二氧化硅上的甘氨酸的特异性吸附形成的通用氢键合的加合物（外界复合物）。实际的键合图案可能更复杂（Lomenech等人，2005）。

从气相和水相吸附的主要区别是在后一种情况下，一个H₂O分子与甘氨酸一起被吸附并参与了H键的特定模式。

可以注意到，通过形成共价键的吸附的“表面酯”模型（参见上文）没有得到证实，这与最近的分子模拟结果一致，表明该物质是热力学上不利的。Rimola等人（2006a，b）表明，“表面酯”的形成确实在热力学上不利于具有大的正自由形成焓（25.5至29.7kJmol^-1）。这些作者得出结论，这样的表面酯只能通过与特殊活化位点的反应形成，例如通过二氧化硅在高温下脱羟基化得到的应变硅氧烷循环。换句话说，只有热力学上有利的事件，例如应变的硅氧烷开环可以使表面酯自发形成。表面酯仅仅是氨基酸的活化形式，并且加入水导致其快速水解。

表面加合物如图1所示。之前已经假设碱性氨基酸（Arg，Lys，鸟氨酸）的吸附的宏观建模（Vlasova和Golovkova，2004; OConnor等，2006），但通常没有光谱或分子模拟确认。

3.2. 比较不同载体上的吸附机理

我们最近通过¹³C CP-MAS核磁共振研究了二氧化硅和氧化铝上的甘氨酸吸附。羧酸盐共振的区域对于氨基酸上的相互作用是特别有说服力的。在水溶液中吸附在二氧化硅上的甘氨酸的典型光谱示于图2的该区域。三个特征是明显的：分别对应于少量体积alpha;-和beta;-甘氨酸的 176.4和 175.5ppm的两个峰以及不对应于任何已知形式的体积甘氨酸的另一个窄峰；因此它被分配到分子吸附的甘氨酸的明确形式。与体积形式相比，化学位移的变化与H键效应相适应（Malkin等人，1995），因此与上面提出的模型相一致。少量的甘氨酸晶体的存在并没有被XRD等其他技术所揭示。这些阶段的性质本身是有趣的，因为似乎最初形成了热力学亚稳定的beta;-甘氨酸，然后缓慢地转变成alpha;-甘氨酸；相比之下，在不存在二氧化硅的情况下的沉淀仅产生甘氨酸。因此，即使当氨基酸看起来与二氧化硅分开沉淀时，这种现象也受二氧化硅表面的影响。

图2.13C洗涤和干燥的甘氨酸/SiO2的羧酸盐区域的CP-MAS NMR（由富含13C的甘氨酸的0.03M溶液制备）。 三个观察峰分别对应于体积alpha;-甘氨酸，体积beta;-甘氨酸和分子吸附的甘氨酸。

回到特别吸附在二氧化硅上的甘氨酸时，应该注意到相应的峰是相当尖锐的，这意味着实际的表面加合物必须通过明确定义和特异性H键连接图案来稳定，这表明一种“分子识别 通过特定表面位点的甘氨酸（Stievano等，2007）。基于通过振动光谱获得的尖锐特征，也得出了类似的结论（Meng等，2004）。最后但并非最不重要的是，必须强调，区分几种形式的甘氨酸的可能性仅在于它们之间的差异，只有通过配置其H型键才能使¹³C CP-MAS NMR可能是目前使用的最敏感的探针研究氨基酸的吸附。这些结果非常有希望，并且该技术与分子建模的结合可能是精确测定氨基酸在矿物表面上的吸附机理的最有效方法。

羧酸盐区域从水溶液和气相中吸附在氧化铝上的甘氨酸的¹³C NMR谱如图3所示。从水溶液吸附后，以177ppm为中心的大峰为主。该值类似于体积alpha;-甘氨酸（176.4ppm），意味着甘氨酸分子仅与表面弱相互作用；H键可能存在，但它们不如二氧化硅的情况那样明确，峰的大宽度表示几种稍微不同的形式共存，导致不均匀的变宽。在从气相中吸附的甘氨酸的情况下，信号更宽，并且具有延伸到170ppm的分量。这种化学位移的差异太大，不能归因于羧酸盐的氢键网络的变化，因此归因于与Al³ 不饱和位点的配位键的形成（图4）。Tzvetkov等人（2004）已经在真空系

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