Miller-Ureyev eksperiment

Miller-Ureyev eksperiment^[1] (ili Urey-Millerov eksperiment)^[2] bio je eksperiment koji je simulirao hipotetičke uvjete za koje se smatralo da su postojali na Zemlji u prvim fazama nastanka i provjeravali su mogućnost kemijskih početaka života. Ovaj eksperiment dokazao je hipotezu Aleksandra Oparina i J. B. S. Haldanea da su uvjeti na ranoj Zemlji omogućavali kemijske reakcije koje su sintetizirale organske spojeve od anorganskih. Ovaj su eksperiment 1952. godine izveli Stanley Miller i Harold Urey sa Sveučilišta u Chicagu,^[3] a njegove rezultate objavili su 1953. godine.^[4][5][6]

Stanley Miller

Eksperiment

Skica eksperimenta

U svom su eksperimentu Miller i Urey koristili vodu (H₂O), metan (CH₄), amonijak (NH₃) i vodik (H₂) u zatvorenom i steriliziranom sklopu, koji se sastojao od dvije zatvorene staklene posude povezane sustavom staklenih cijevi. U prvoj se posudi nalazila tekuća voda koja je grijanjem služila kao izvor vodene pare, dok se u drugoj nalazila navedena smjesa plinova i dvije elektrode. Električni luk stvoren od elektroda je simulirao munje u prvobitnoj atmosferi. Smjesa se potom hladila i voda se ponovo kondenzirala u prvoj posudi kako bi ponovo započela ciklus.

Nakon tjedan dana neprekidnog protoka vodene pare i plinova u nepromijenjenim uvjetima, Miller i Urey primijetili su da je 15%-20% ugljika iz metana formiralo organske spojeve, među njima i pojedine aminokiseline, osnovne sastavne dijelove bjelančevina. (vidi tablicu niže)

Ipak, mora se naglasiti, da su stvorene aminokiseline bile L ("lijevi") i D ("desni") optički izomeri u jednakim količinama. Takva distribucija nije karakteristična za makromolekule u živim bićima kakve danas poznajemo. Bjelančevine su u svim živim bićima danas sastavljene samo od L-aminokiselina. Sama proizvodnja oba optička izomera dala je sigurnost znanstvenicima da su spojevi posljedica same kemijske reakcije, a ne proizvod kontaminacije vanjskih živih organizama.^[4]

Rezultati

Od 59.000 mikromola (µmol = 1/1.000.000 mola) CH₄ koji su ušli u reakciju, dobiveno je:^[7]

Molekula	Kemijska formula	Proizvedeno  (N° µmol)	Atomi C	Atomi C  u µmol
Mravlja kiselina	${\displaystyle H-COOH}$	2330	1	2330
Glicin *	${\displaystyle H_{2}N-CH_{2}-COOH}$	630	2	1260
Glikolna kiselina	${\displaystyle HO-CH_{2}-COOH}$	560	2	1120
Alanin *	${\displaystyle H_{3}C-CH(NH_{2})-COOH}$	340	3	1020
Mliječna kiselina	${\displaystyle H_{3}C-CH(OH)-COOH}$	310	3	930
ß-Alanin	${\displaystyle H_{2}N-CH_{2}-CH_{2}-COOH}$	150	3	450
Octena kiselina	${\displaystyle H_{3}C-COOH}$	150	2	300
Propionska kiselina	${\displaystyle H_{3}C-CH_{2}-COOH}$	130	3	390
Iminodioctena kiselina	${\displaystyle HOOC-CH_{2}-NH-CH_{2}-COOH}$	55	4	220
Diaminooctena kiselina	${\displaystyle H_{3}C-NH-CH_{2}-COOH}$	50	3	150
a-amino-n-maslačna kiselina	${\displaystyle H_{3}C-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH}$	50	4	200
a-hidroksi-n-maslačna kiselina	${\displaystyle H_{3}C-CH_{2}-CH(OH)-COOH}$	50	4	200
Sukcinska kiselina (jantarna)	${\displaystyle HOOC-CH_{2}-CH_{2}-COOH}$	40	4	160
Urea	${\displaystyle H_{2}N-CO-NH_{2}}$	20	1	20
N-Metilurea	${\displaystyle H_{2}N-CO-NH-CH_{3}}$	15	2	30
N-Metilalanin	${\displaystyle H_{3}C-CH(NH-CH_{3})-COOH}$	10	4	40
Glutaminska kiselina *	${\displaystyle HOOC-CH_{2}-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH}$	6	5	30
Asparaginska kiselina *	${\displaystyle HOOC-CH_{2}-CH(NH_{2})-COOH}$	4	4	16
a-aminoizomaslačna kiselina	${\displaystyle H_{3}C-C(CH_{3})(NH_{2})-COOH}$	1	4	4
		Ukupno: 4916		Ukupno: 8944

* = aminokiseline koje ulaze u sastav bjelančevina

Miller je tim eksperimentom dokazao da električna pražnjenja koja simuliraju ona atmosferska, u prisutnosti vode i plinova za koje se pretpostavljalo da su bili prisutni u prvobitoj atmosferi mogu proizvesti organske molekule, među njima i aminokiseline.

Neki su dokazi nagovijestili da je Zemljina prvobitna atmosfera mogla imati drugačiji sastav plinova od onih korištenih u Miller-Ureyevom eksperimentu. Postoje dokazi o velikim vulkanskim erupcijama prije četiri milijarde godina, koje bi mogle ispustiti ugljikov(IV) oksid, dušik, sumporovodik (H₂S) i sumporov dioksid (SO₂) u atmosferu. Miller je ponovio svoj eksperiment 1958. godine, ovaj put u izmijenjenim uvjetima dodavši sumporovodik (H₂S), plin koji se oslobađa kod vulkanskih reakcija.^[5]

Poslije Milerove smrti 2007. godine, Jeffrey Bada i suradnici koji su pronašli i ispitali konzervirane uzorke eksperimenta iz 1958. godine uspjeli su dokazati da su nastale 23 različite aminokiseline u odnosu na Millerov prvobitni eksperiment. Ovo je značajno više nego što je Miller prvobitno objavio i više od 20 koji se javljaju u živim bićima. U ponovljenom eksperimentu je dokazana i sinteza 7 organskih spojeva koji sadrže sumpor (S), među kojima je i metionin, koji ulazi u sastav bjelančevina.^[8]

Tijek kemijskih reakcija

Tijekom trajanja kemijske reakcije, Miller je sakupljao uzorke i otkrio da se koncentracija amonijaka i metana postupno smanjuje i da dolazi do nastanka cijanovodične kiseline, cijanogena i formaldehida:

${\displaystyle \mathrm {CO_{2}\longrightarrow CO+[O]} }$

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2[O]\longrightarrow CH_{2}O+H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {CO+NH_{3}\longrightarrow HCN+H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+NH_{3}\longrightarrow HCN+3H_{2}} }$ (Proces BMA)

Do sinteze aminokiselina dolazilo je kasnije uz postupno smanjivanje koncentracije aldehida i cijanovodične kiseline. Time je dokazano da su aminokiseline nastale kemijskom reakcijom poznatom kao Streckerova sinteza.

${\displaystyle \mathrm {R{-}CHO+HCN+H_{2}O\longrightarrow H_{2}N{-}CHR{-}COOH} }$

Aldehid, cijanovodična kiselina i voda reagiraju i nastaje aminokiselina.

${\displaystyle \mathrm {R{-}CHO+HCN+2\ H_{2}O\longrightarrow HO{-}CHR{-}COOH+NH_{3}} }$

Aldehid, cijanovodična kiselina i voda reagiraju i nastaje a-hidroksi-aminokiselina.