Как зародилась жизнь?
КАК ЗАРОДИЛАСЬ ЖИЗНЬ?
Резюме:
Построена новенькая теория зарождения жизни на Свету, сообразно тот или иной переход от разнородных органических молекул к основным живым организмам включал четыре взаимосвязанных эволюционных шага. На основном шаге формировались молекулярные налаженности, преобразующие энергию УФ-излучения в хим энергию, на втором и 3-ем усложнялась структурно-многофункциональная организация этих порядков, шла селекция их компонентов, вырастал энергетический потенциал, а на четвертом образовались живые клеточки.КАК ЗАРОДИЛАСЬ ЖИЗНЬ?
Резюме:
Построена новенькая теория зарождения жизни на Свету, сообразно тот или иной переход от разнородных органических молекул к основным живым организмам включал четыре взаимосвязанных эволюционных шага. На основном шаге формировались молекулярные налаженности, преобразующие энергию УФ-излучения в хим энергию, на втором и 3-ем усложнялась структурно-многофункциональная организация этих порядков, шла селекция их компонентов, рос энергетический потенциал, а на четвертом образовались живые клеточки. Для каждого шага определены обстановки и движущие массы действий саморазвития, структурно-многофункциональная организация и механизмы стойкости объектов эволюции. Принесенная теория придает целостность и завершенность научным представлениям о абиогенезе. Она содействует углублению познаний о строении живой материи, расширяет горизонты практической биологии и медицины.
ЧЕТЫРЕ ЭТАПА АБИОГЕНЕЗА
Введение.
Почти все ученые утратили энтузиазм к дилемме зарождения жизни, т.к. считают, что она практически решена, и осталось едва лишь узнать, что первично: отбор нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), веющих генетическую информацию, либо спонтанная концентрация ферментов, способных извлечь информацию из ДНК? На самом деле, это обыкновенная проблема — Курица либо яйцо. Ни то, ни второе не поясняет происхождение живой материи, так как чтение инфы, закодированной в ДНК, невыносимо без постоянного воспроизводства схожих ферментов, тот или другой, в близкую очередь, невыносимо без чтения генетической инфы в ходе матричного синтеза белковых молекул.
Основываясь на идущих в ногу со временем познаниях о хим сочиняющих и физических свойствах водоемов и атмосферы старой Света, мы выстроили теоретическую модель зарождения жизни, акцентирующую заинтересованность на предыстории молекулярных порядков энергоснабжения. Сообразно предоставленной модели, на биологическом уровне важные цепочки поли-НК и глобулы полипептидов вначале отбирались в качестве компонентов молекулярных мембран, кушающих энергию УФ-излучения. Позднее из этих мембран сформировалась мультислойная структура, тот или другой устремляла УФ-энергию на синтез АТФ и иных молекул-макроэргов. Ее каталитическая активность подрастала, что привело к возникновению в ее внутренней среде изолированных участков, распознававшихся по хим составу. После чего сформировались обстановки для начала матричного синтеза РНК и полипептидов. Так зародились главные живые клеточки, с генетической информацией и круглосуточным метаболизмом.
Шаг 1
Около 4 млрд годов назад на Свету явились водоемы, в тот или другой образовался так-называемый первичный бульон. В нем водились почти все органические соединения: аминокислоты, азотистые основания, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты Вероятность их синтеза при нагревании, электрических разрядах, облучении доказана экспериментально [2, 3]. Старая атмосфера не держала кислород и пропускала УФ-излучение в спектре 240 — 260 nm, лопаемое почти всеми органическими соединениями. Под действием УФ-света в неких из этих молекул происходили многообразные структурные преображенья, нрав тот или другой зависел от внутримолекулярных и межмолекулярных переносов энергии. Нужно определить, какие переносы энергии содействовали селекции органических молекул первичного бульона.
В половине 60-х годов был обнаружен триплет-экситонный перенос энергии в нуклеиновых кислотах [4, 6, 7]. Экий процесс начинается, иной раз одно из азотистых оснований в составе полинуклеотидной цепи РНК либо ДНК кушает УФ-свет (254нм). Оно перебегает в возбужденное триплетное состояние, после этого передает энергию примыкающему основанию, а само ворачивается в невозбужденное состояние. Перенос энергии по цепи следует при совпадении квантовых параметров примыкающих азотистых оснований и хороших расстояниях меж ими. Этакие обстановки выполняются в био РНК либо ДНК, состоящей из обыкновенного комплекта 4 азотистых оснований — А, Грам, Ц, У (Т), соединенных 3'-5'-отношениями. Экспериментально подтверждено [6, 7] что в тех нуклеиновых кислотах, у тот или другой водятся неоднородности первичной структуры, триплет-экситонный перенос ведет к деструктуризации, происходящей не в точках УФ-поглощения, а в участках с внутренней расположенностью.
В старых водоемах водились поли-НК с многообразной первичной структурой. При поглощении УФ-света те их фрагменты, в тот или другой свободно шел триплет-экситонный перенос энергии, оставались постоянными, т.е. имелись устойчивы к деянию УФ-света. Остальные подвергались репарациям и конформационным изменениям. Из их могли образовываться новейшие устойчивые цепочки. Этаким методом росло число молекул РНК, сходных по аспекту эффективности энергопереносов.
Главно учесть, что устойчивость УФ-облученных поли-НК зависит не только лишь от упорядоченного внутримолекулярного переноса, да и от оттока энергии вовне. У органических молекул, находящихся в аква среде, отток энергии реализуется при индуктивно-резонансных взаимодействиях, для тот или другой требуется, чтоб расстояние меж донором энергии и акцептором не превышало некоторую пороговую величину (около 100А), а спектральная полоса флюоресценции донора перекрывалась с полосой поглощения акцептора. Почти все органические соединения первичного бульона обладали пригодные спектральные полосы поглощения, но их роли в индуктивно-резонансных переносах в качестве акцепторов энергии мешала дистанция меж ими и УФ-активированной РНК. В живых клеточках сближение молекул-доноров с молекулами-акцепторами при индуктивно-резонансных переносах обеспечивают ферменты. Они формируются из полипептидов, синтезируемых матричным методом, тот или иной обладают заданную первичную, вторичную и третичную структуру. Без массированного матричного синтеза таковых полипептидов ферментативные процессы невыносимы.
В первичном бульоне не имелось всеполноценных ферментов, но там водились разнородные дикие полипептиды. При контактах с УФ-активированной РНК, они сами выполняли роль акцепторов индуктивно-резонансных переносов и подвергались энергетическим действиям, меняющим их первичную, а с ней и третичную структуру. Мы представили, что, невзирая на хаотичность таковых переструктурирований, у неких из полипептидов появлялись идентичные конструктивные центры, тот или иной дозволяли им присоединять пригодные молекулы-субстраты и удерживать их в зонах индуктивно-резонансных переносов в качестве акцепторов энергии. Совместно с цепочками РНК, евшими УФ-кванты и служившими донорами энергии, эти полипептиды сочиняли устойчивые нуклеопротеидные комплексы, тот или иной передавали энергию сродственным молекулам-субстратам, и, тем, инициировали фотокаталитические преображенья их структур. (Рис. 1).
Рис. 1. Фотокаталитический комплекс.
Реализуя фотокатализ в составе устойчивых нуклеопротеидных комплексов, полипептиды зарабатывали охрану от новейших переструктурирований. Отбор функционально похожих полипептидов, подходящих для фотокатализа, шел под давлением УФ-света. Ежели по какой-или причине полипептиды утрачивали субстратную специфика, нужную для фотокатализа, они ворачивались к роли акцепторов энергии. Сейчас они опять подвергались структурным изменениям, по этому могли возвращать близкую субстратную специфика.
На устойчивость фотокаталитических комплексов, образовавшихся в первичном бульоне, влияло их размещение в аква среде, ориентация к сгустку УФ-света. Тут крупное селективное превосходство доставляло формирование плавающих мембран, тот или иной состояли не только лишь из УФ-кушающих и субстратсвязующих, да и из соединительных компонентов. Роль заключительных исполняли липиды, способные спонтанно образовывать пленочные агрегата.
Ежели РНК, входившие в состав фотокаталитических комплексов, обладали кольцеобразную вторичную структуру, то в их шла циркуляция триплет-экситонов. Это удлиняло пора взаимодействия с молекулами-акцепторами, и энергия УФ-света подавалась акцепторам импульсами по принципу автоколебаний. Кольца РНК доминировали при сборке устойчивых комплексов и мембран, а остальные полинуклеотиды, оставаясь вне комплексов, не обеспечивались акцепторами энергии и сами подвергались УФ-индуцированным деструкциям.
Нуклеопротеидные комплексы, сходственные зародившимся в первичном бульоне, играют ведомую роль в каталитических порядках целых живых клеток. Это кирпичики живой материи. Отметим, что один-одинехонек из наиглавнейших параметров живой материи приходит динамичность. В клеточках непрерывно следует распад и самосборка почти всех субструктур, располагающих метастабильные межмолекулярные взаимоотношения, сохраняющиеся за счет диссипации энергии. В старых фотокаталитических комплексах также водились метастабильные взаимоотношения полипептидов с поли-НК, сохранявшиеся едва лишь в ходе конструктивной энергопередачи при фотокатализе. Оттого ночкой эти комплексы распадались, а деньком повторяли самосборку. Цикличность, подчиненная суточному ритму, увеличивала их изменчивость, ускоряла отбор.
Шаг 2
Для фотокаталитических макромолекулярных мембран, выросших в первичных водоемах, УФ-свет стал не повреждающим фактором, а нужным договором повседневной самосборки, источником восстановления их метастабильных межмолекулярных касательств. Иной раз эти диафрагмы размещались в немножко оболочек, лишь верхние ели ультрафиолет, а нижние, затененные испытывали недостаток энергии и распадались. Для их стойкости требовался перенос энергии из верхних оболочек.
Во целых живых клеточках переносчиками энергии служат молекулы-макроэрги: АТФ, ГТФ и др. Они производятся, либо окислительным фосфорилированием, употребляющим хим энергию разных органических соединений, либо фотофосфорилированием, иной раз органические фосфаты синтезируются за счет энергии видимого света. И 1-ый, и 2-ой метод непереносим без ферментов, приобретенных матричным методом.
Потому что на заре абиогенеза доминировал не видимый свет, а наиболее действенный ультрафиолет, фотофосфорилирование могло обходиться без настоящих ферментов. Мы представили, что его начали исполнять теснее знакомые нам фотокаталитические комплексы, иной раз их субстратсвязующие составляющие (полипептиды) заполучили сродство с водившимися в аква среде молекулами АДФ (либо ГДФ и др.). В итоге, эти молекулы в качестве субстратов удерживались в зоне индуктивно-резонансной энергопередачи, где энергия УФ-света, поглощенная и трансформированная в хим энергию кольцеобразной цепочкой РНК, направлялась на присоединение к ним неорганических фосфатов, т.е. на формирование макроэргов АТФ и др. Благодаря возникновению УФ-зависимого фотофосфорилирования, началась диффузия макроэргов из верхних оболочек в нижние. Она обеспечила их хим энергией и раскрыла перспективу предстоящего усложнения. (Рис. 2).
Рис. 2. Мультислойный пробионт.
Устойчивые молекулярные комплексы, ответственные за фотофосфорилирование размещались в верхних нуклеопротеидных мембранах, кушавших УФ-свет. Они снабжали водную среду хим энергией в облике малекул-макроэргов. Но устойчивость молекулярных комплексов нижнего ватерпаса, лишенных притока УФ-света, зависела не только лишь от притока энергии, да и от ее действенного расходования. Чтоб долгое пора беречь метастабильные взаимоотношения собственных макромолекулярных компонентов, эти комплексы соответственны имелись расходовать поступающую энергию, обращать ее на определенные хим процессы. Для исполнения экий занятия им требовалась структурная модернизация. Мы представили, что нуклеопротеидные комплексы нижнего ватерпаса заполучили устойчивость, иной раз в их состав вошли, во-основных, АТФ-специфичные полипептиды, связывающие и удерживающие малекулы-макроэрги, а во-вторых, поли-НК с усложнившейся вторичной структурой, ответственные за перенос хим энергии к новеньким конструктивным центрам.
Но на предоставленном шаге абиогенеза настолько масштабной модернизации макромолекулярных структур препятствовал предел строй веществ, неподражаемо полипептидов. В живых клеточках полипептиды синтезируются матричным методом при участии рибосом, иРНК, тРНК, в состав тот или другой, вместе с ферментами, входят цепочки РНК разновидности Клеверный лист, располагающие немножко кольцеобразных участков вторичной структуры. Источником энергии служит АТФ. Пробионты не располагали ферментами, оттого матричный синтез был непереносим. Но в их могла идти безматричная полимеризация полипептидов из аминокислот. Тяжба в том, что в их верхних оболочках теснее производились носители энергии: АТФ и др., а в нижних, защищенных от ультрафиолета, спонтанно появлялись многообразные РНК с вторичной структурой разновидности Клеверный лист. Этакие РНК врубались в нуклеопротеидные комплексы, хранящие немножко полипептидных компонентов, субстратспецифичных, как к АТФ, так и к многообразным аминокислотам, присутствовавшим в аква среде. Эти комплексы применяли энергию, приобретенную от гидролиза АТФ, для соединение аминокислот пептидными отношениями. В итоге исполнялся безматричный синтез новейших полипептидов.
Возникновения безматричного синтеза полипептидов отдало мультислойным макромолекулярным структурам перспективу роста, за счет самообеспечения полипептидным сырьем. Отметим, что очередность аминокислот в синтезированных полипептидах не обладала решающего значения. Ведь из их не формировались готовые ферменты с данными качествами. Близкую субстратную специфика они получали за счет переструктурирований, выступая в роли акцепторов энергии индуктивно-резонансных переносов.
На этом шаге затенение нижних оболочек из помехи перевоплотился в неизбежное соглашение стойкости мультислойных макромолекулярных структур. У их возникло автономное энергоснабжение и квалификация верхних и нижних каталитических комплексов. Идентичные мультислойные образования, реализующие переносы хим энергии, прибывают необходимыми компонентами целых живых клеток.
Шаг 3
Как теснее отмечалось, для роста нижних, защищенных от УФ-света, участков пробиотических мембран требовались РНК со трудной вторичной структурой разновидности Клеверный лист, тот или иной, в отличие от азбучных колец поли-НК, не формировались в процессе УФ-поглощения и триплет-эксмтонного переноса, а образовывались спонтанно. Их недостаток в старых водоемах лимитировал сборку нуклеопротеидных комплексов, способных продуктивно употреблять энергию молекул-макроэргов. В таковых соглашениях приток АТФ к нижним покровам из созидательной массы мог встать возможным источником разрушения.
В живых клеточках цепочки РНК с данной структурой синтезируются на матрицах ДНК при участии почти всех ферментов. Этот процесс именуется Транскрипция. Он начинается сечением 2-ух цепей спирали ДНК. После этого одна цепь служит матрицей для синтеза РНК, а на иной воспроизводится парная (комплиментарная) ДНК, что дозволяет второй раз копировать ее информацию.
К третьему шагу генезиса пробионтов теснее водился ряд предпосылок происхожденья молекулярных порядков транскрипции. Исполнялось фотофосфорилирование, обеспечившие приток АТФ, ГТФ и иных макроэргов, представляющих из себя стройматериал для конструкции новейших цепочек РНК и ДНК. В мультислойных пробионтах спонтанно появлялись фрагменты двухцепочечных спиралей ДНК — имеющиеся матрицы. Но так как еще не имелось ферментов, требовались остальные причины, правившие сечением 2-ух цепей ДНК, синтезом РНК и воспроизводством спаренной ДНК.
Знаменито, что в живых клеточках разрез двойной спирали ДНК, инициирующее транскрипцию, происходит при изменении основности (pH) аква среды. А молекулы ДНК и РНК образуются в средах с различным значением pH. Мы представили, что и пробионтам для транскрипции требовался перепад pH в примыкающих участках их внутренней аква среды, так именуемая компартментализация. Ее предпосылкой был перенос протонов сквозь каталитически конструктивные надмолекулярной диафрагмы — протомембраны. Транскрипция начиналась с увеличения pH в один-одинешенек из компартментов пробионта и сечения двойной цепи ДНК. Одна одинарная цепь ДНК, проникая сквозь протомембрану, попадала в примыкающий компартмент с густой основностью, содействующей синтезу РНК. Она применялась в качестве матрицы транскрипции. 2-ая одинарная ДНК оставалась в минувшем компартменте и служила матрицей для репликации ДНК и конструкции двойной спирали, подходящей для повторных транскрипций. (Рис. 3).
Рис. 3. Бесферментная транскрипция.
Благодаря селекции равномерно изменялся состав двойных цепочек ДНК в пробионтах, совершенствовалось качество и число синтезируемых РНК. Подрастала согласованность целых каталитических действий. Тот факт, что компартментализация внутренней среды вероятна едва лишь при чрезвычайно маленьких размерах компартментов, показывает на микроскопические размахи пробионтов третьего шага абиогенеза.
Протомембраны, обеспечившие перенос протонов в абиотических соглашениях, имелись устроены важно примитивнее, сейчас будущих биомембран. Их детализированное моделирование либо искусственный синтез мог бы содействовать углублению научных представлений о трансмембранных переносах ионов и так именуемых протонных насосах. Любопытно, что в клеточках прокариотических организмов (микробов), как и в пробионтах, кольцевая молекула ДНК, так-называемый нуклеоид, прикреплена снутри к клеточной мембране. У их встречаются также незначительные автономные кольцевые молекулы ДНК, именуемые плазмидами.
Шаг 4
Потому что УФ-энергия поступала лишь деньком, ночкой метаустойчивые пробионты распадались, а каждое утро рождались поновой. Опосля третьего шага их структурно-многофункциональная организация так усложнилась, что они не успевали всеполноценно восстанавливаться в процесс светового дня. Это стало еще одним эволюционным препятствием, преодолеть тот или другой могли организмы, живущие круглые сутки, а означает владеющие ночным энергоснабжением.
У живых клеток глодать ферментативные налаженности окислительного фосфорилирования, не зависяшие от освещения. Они создают молекулы-макроэрги (АТФ и др.), употребляя хим энергию, зарабатываемую при частичном окислении разных органических соединений. Знаменито, что без ферментов, синтезированных матричным методом, они не действуют и окислительное фосфорилирование невыносимо. Следовательно, переход пробионтов к круглосуточной жизни зависел от возникновения матричного синтеза полипептидов, источника ферментов.
На 3-ем шаге абиогенеза у пробионтов теснее сформировались молекулярные налаженности безматричного синтеза полипептидов, состоящие из нуклеопротеидных комплексов, субстратспецифичных сравнительно аминокислот и макроэргов. Водились налаженности транскрипции — синтеза РНК на матрицах ДНК. Для начала матричного синтеза полипептидов не доставало главенствующего — генетического кода. На самом деле, для его возникновения требовалась незначительная, но принципиально принципиальная инновация — перевоплощение теснее водящихся нуклеопротеидных комплексов, владевших неспецифичным сродством с аминокислотами, в спец тРНК, наделенные функциональными центрами с избирательным сродством сравнительно разных видов аминокислот.
Пробы избирательного связывания аминокислот при полимеризации полипептидов могли длиться миллионы лет без существенного воздействия на эволюцию пробионтов. Но, как этаким методом имелись синтезированы главные ферменты, способные обращать энергию от окисления каких-или органических соединений на фосфорилирование, т.е. на создание АТФ и иных макроэргов, генетический код и матричный синтез заполучили селективную ценность. Пробионты приобрели круглосуточное энергоснабжение, перевоплотился в живые организмы. Ключевым аспектом отбора стало качество и число синтезируемых полипептидов, их включение в многообразные биокаталитические процессы. Можнож представить, что первоначально синтезировался некоторый 1-ый фермент, тот или иной катализировал окисление едва лишь 1-го будущего в среде органического соединения, сопряженное с переносом неорганического фосфата на АДФ. Одно это позволило пробионтам не распадаться ночкой. К тому поры, иной раз запасы принесенного органического сырья истощились, арсенал полипептидов, синтезируемых матричным методом, важно вырос. Некие из их вошли в состав рибосом, иРНК и тРНК, по этому возросла точность и эффективность биосинтеза самих полипептидов. Из иных полипептидов формировались новейшие ферменты для налаженности окислительного фосфорилирования, удлиняющие ее каталитические цепи. Это позволило живым организмам приобретать хим энергию из почти всех органических соединений аква среды.
1-ый генетический код был важно примитивнее современного. Он обеспечивал едва лишь грубое кодирование неких аминокислот, да и это сказалось на свойствах синтезированных полипептидов. Возможно первичные рибосомы, начавшие матричный синтез полипептидов, доставляли собой глобулы из нуклеопротеидных комплексов, в тот или другой кодон-антикодоновое соответствие иРНК и тРНК контролировалось переносами энергии в их сопряженных участках. Вероятно, те же энерго процессы присущи цельным рибосомам и могут водиться выявлены экспериментально.
Круглосуточное энергоснабжение отдало старт гиперциклическим сетям каталитических реакций, благодаря тот или иной усовершенствование одной из субсистем клеточки содействует модернизации иных субсистем [5]. Гиперциклы обеспечили скорое рост генетического субстанции, генерализацию матричных действий, рост арсенала ферментов. Образовались налаженности ферментативного биосинтеза аминокислот, пигментов, полисахаридов… Явились цитоплазматические мембраны, настоящие рибосомы и т.д. Живые клеточки перебежали от УФ-зависимого фотофосфорилирования к фотосинтезу в видимом спектре и заселили глубины водоемов, лишенные УФ-света, а опосля скопления атмосферного кислорода, всасывающего ультрафиолет, и сушу.
Процесс зарождения жизни включал четыре взаимосвязанных шага. На 3-х основных характеристики пробионтов требовательно детерминировались критериями среды, менявшимися под воздействием пробионтов. На четвертом образовались живые клеточки, способные адаптироваться к различным средам. У клеток явились ферментативные механизмы реагирования на наружные стимулы, с подмогою тот или другой они изменяют личный метаболизм и правят движением клеточных оболочек, жгутиков либо других подвижных компонентов. Клеточки различных организмов различаются спектрами реакций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каценберг Мтр.Мтр. От молекул к клеточке, Природа, Мтр, 1990, 11: 11 17.
2. Понамперума С.В. Происхождение предбиологических порядков. Под ред. А.И. Опарина. Мтр.: Мир.1966,. 224.
3. Саган К.В. Там же, 211.
4. Сверхкороткие световые импульсы. Под ред. С. Шапиро, Мтр., 1981, 462.
5. Эйген, Мтр. Шустер, П. Гиперцикл. Мтр., 1982.
6. DNA fluorescence at room temperature exited by means of tye laser. /Chem.Phys.Lett. 1971, 81(2): 270-272.
7. Intramolecular triplet-triple energy transfer: delayed fluorescence in poly-L-tyrosine and polyadenylic acid. /Photochem. Photobiol. 1970, 11: 207
Posted in ЭкоМедицина by admin with comments disabled.