Дек 15, 2016 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, подрастал энергетический потенциал, а на четвертом образовались живые клеточки.

КАК ЗАРОДИЛАСЬ ЖИЗНЬ?

Резюме:

Построена новенькая теория зарождения жизни на Миру, сообразно тот или другой переход от разнородных органических молекул к главным 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 налаженности, шла селекция их компонентов, подрастал энергетический потенциал, а на четвертом образовались живые клеточки. Для каждого шага определены обстановки и движущие множества действий саморазвития, структурно-многофункциональная организация и механизмы стойкости объектов эволюции. Предоставленная 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 нормальная проблема — Курица либо яйцо. Ни то, ни второе не изъясняет происхождение живой материи, так как чтение инфы, закодированной в ДНК, невыносимо без постоянного воспроизводства схожих ферментов, тот или иной, в близкую очередь, невыносимо без чтения генетической инфы в ходе матричного синтеза белковых молекул.

Основываясь на идущих в ногу со временем познаниях о хим собирающих и физических свойствах водоемов и атмосферы старой Света, мы выстроили теоретическую модель зарождения жизни, акцентирующую заинтересованность на предыстории молекулярных налаженности энергоснабжения. Сообразно принесенной модели, на биологическом уровне означаемые цепочки поли-НК и глобулы полипептидов вначале отбирались в качестве компонентов молекулярных диафрагм, всасывающих энергию УФ-излучения. Позднее из этих диафрагм сформировалась мультислойная структура, тот или другой обращала УФ-энергию на синтез АТФ и вторых молекул-макроэргов. Ее каталитическая активность вырастала, что привело к возникновению в ее внутренней среде изолированных участков, отличавшихся 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 Миру возникли водоемы, в тот или иной образовался так-называемый первичный бульон. В нем были почти все органические соединения: аминокислоты, азотистые основания, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты Потенциал их синтеза при нагревании, электрических разрядах, облучении доказана экспериментально [2, 3]. Старая атмосфера не хранила 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 разнообразные структурные преображения, нрав тот или иной зависел от внутримолекулярных и межмолекулярных переносов энергии. Нужно найти, 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]. Этакий процесс начинается, иногда 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. Экие обстановки выполняются в био РНК либо ДНК, состоящей из обычного 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 иной есть неоднородности первичной структуры, триплет-экситонный перенос ведет к деструктуризации, происходящей не в точках УФ-поглощения, а в участках с внутренней расположенностью.

В старых водоемах были поли-НК с разной первичной структурой. При поглощении УФ-света те их фрагменты, в тот или иной 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. Эким методом росло число молекул РНК, сходных по аспекту эффективности энергопереносов.

Принципиально 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 иной 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 этаких полипептидов ферментативные процессы невероятны.

В первичном бульоне не водилось всеполноценных ферментов, но там были 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 этаких переструктурирований, у неких из полипептидов появлялись идентичные функциональные 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 преображения их структур. (Рис. 1).

Реализуя фотокатализ в составе устойчивых нуклеопротеидных комплексов, полипептиды приобретали 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 великое селективное превосходство доставляло формирование плавающих диафрагм, тот или иной состояли не только лишь из УФ-всасывающих и субстратсвязующих, да и из соединительных компонентов. Роль ругательных исполняли липиды, способные спонтанно образовывать пленочные сборки.

Ежели РНК, входившие в состав фотокаталитических комплексов, обладали кольцеобразную вторичную структуру, то в их шла циркуляция триплет-экситонов. Это удлиняло период взаимодействия с молекулами-акцепторами, и энергия УФ-света подавалась акцепторам импульсами по принципу автоколебаний. Кольца РНК доминировали при сборке устойчивых комплексов и диафрагм, 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 налаженности цельных живых клеток. Это кирпичики живой материи. Отметим, что один-одинехонек из наиглавнейших параметров живой материи прибывает динамичность. В клеточках повсевременно следует распад и самосборка почти всех субструктур, обладающих метастабильные межмолекулярные взаимоотношения, сохраняющиеся за счет диссипации энергии. В старых фотокаталитических комплексах также были метастабильные взаимоотношения полипептидов с поли-НК, сохранявшиеся едва лишь в ходе конструктивной энергопередачи при фотокатализе. Потому ночкой эти комплексы распадались, а деньком повторяли самосборку. Цикличность, подчиненная суточному ритму, увеличивала их изменчивость, ускоряла отбор.

Шаг 2

Для фотокаталитических макромолекулярных диафрагм, выросших в первичных водоемах, УФ-свет стал не повреждающим фактором, а нужным соглашением повседневной самосборки, источником восстановления их метастабильных межмолекулярных касательств. Иногда эти мембраны размещались в немного оболочек, только лишь верхние ели ультрафиолет, а нижние, затененные испытывали недостаток энергии и распадались. Для их стойкости требовался перенос энергии из верхних оболочек.

Во цельных живых клеточках переносчиками энергии служат молекулы-макроэрги: АТФ, ГТФ и др. Они производятся, либо окислительным фосфорилированием, применяющим хим энергию разнообразных органических соединений, либо фотофосфорилированием, иногда органические фосфаты синтезируются за счет энергии видимого света. И главный, и 2-ой метод невыносим 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, иногда 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 последующего усложнения. (Рис. 2).

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 период беречь метастабильные взаимоотношения родных макромолекулярных компонентов, эти комплексы обязаны имелись расходовать поступающую энергию, устремлять ее на определенные хим процессы. Для исполнения этакий службы им требовалась структурная модернизация. Мы представили, что нуклеопротеидные комплексы нижнего ватерпаса заполучили устойчивость, иногда 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 принесенном шаге абиогенеза настолько масштабной модернизации макромолекулярных структур препятствовал предел строй веществ, необычно полипептидов. В живых клеточках полипептиды синтезируются матричным методом при участии рибосом, иРНК, тРНК, в состав тот или иной, вместе с ферментами, входят цепочки РНК разновидности Клеверный лист, располагающие немного кольцеобразных участков вторичной структуры. Источником энергии служит АТФ. Пробионты не располагали ферментами, потому матричный синтез был невыносим. 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 разнообразные РНК с вторичной структурой разновидности Клеверный лист. Экие РНК подключались в нуклеопротеидные комплексы, хранящие немного полипептидных компонентов, субстратспецифичных, как к АТФ, так и к разным аминокислотам, присутствовавшим в аква среде. Эти комплексы употребляли 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 располагала решающего значения. Ведь из их не формировались готовые ферменты с данными качествами. Близкую субстратную специфика они завоевывали 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 взяло автономное энергоснабжение и квалификация верхних и нижних каталитических комплексов. Идентичные мультислойные образования, реализующие переносы хим энергии, прибывают необходимыми компонентами цельных живых клеток.

Шаг 3

Как теснее отмечалось, для роста нижних, защищенных от УФ-света, участков пробиотических диафрагм требовались РНК со трудной вторичной структурой разновидности Клеверный лист, тот или иной, в отличие от обычных 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 применять энергию молекул-макроэргов. В этаких соглашениях приток АТФ к нижним оболочкам из созидательной множества мог встать возможным источником разрушения.

В живых клеточках цепочки РНК с данной структурой синтезируются на матрицах ДНК при участии почти всех ферментов. Этот процесс величается Транскрипция. Он начинается сечением 2-ух цепей спирали ДНК. После этого одна цепь служит матрицей для синтеза РНК, а на второй воспроизводится парная (комплиментарная) ДНК, что дозволяет второй раз копировать ее информацию.

К третьему шагу генезиса пробионтов теснее водился ряд предпосылок появления молекулярных налаженности транскрипции. Исполнялось фотофосфорилирование, обеспечившие приток АТФ, ГТФ и вторых макроэргов, представляющих из себя стройматериал для конструкции новейших цепочек РНК и ДНК. В мультислойных пробионтах спонтанно появлялись фрагменты двухцепочечных спиралей ДНК — водящиеся матрицы. Но так как еще не водилось 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 функциональные надмолекулярной мембраны — протомембраны. Транскрипция начиналась с роста pH в один-одинешенек из компартментов пробионта и сечения двойной цепи ДНК. Одна одинарная цепь ДНК, проникая сквозь протомембрану, попадала в примыкающий компартмент с басистой основностью, содействующей синтезу РНК. Она применялась в качестве матрицы транскрипции. 2-ая одинарная ДНК оставалась в бывшем компартменте и служила матрицей для репликации ДНК и конструкции двойной спирали, подходящей для повторных транскрипций. (Рис. 3).

Благодаря селекции равномерно изменялся состав двойных цепочек ДНК в пробионтах, совершенствовалось качество и численность синтезируемых РНК. Вырастала согласованность цельных 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 существенно тривиальнее, нынче будущих биомембран. Их детализированное моделирование либо искусственный синтез мог бы содействовать углублению научных представлений о трансмембранных переносах ионов и так нарекаемых 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 маленькие автономные кольцевые молекулы ДНК, именуемые плазмидами.

Шаг 4

Потому что УФ-энергия поступала только лишь деньком, ночкой метаустойчивые пробионты распадались, а каждое утро рождались поновой. Потом 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 иной могли организмы, живущие круглые сутки, а означает владеющие ночным энергоснабжением.

У живых клеток грызть ферментативные налаженности окислительного фосфорилирования, не зависяшие от освещения. Они создают молекулы-макроэрги (АТФ и др.), употребляя хим энергию, зарабатываемую при частичном окислении разнообразных 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. Были налаженности транскрипции — синтеза РНК на матрицах ДНК. Для начала матричного синтеза полипептидов не доставало ключевого — генетического кода. На самом деле, для его возникновения требовалась маленькая, но принципиально принципиальная инновация — перевоплощение теснее будущих нуклеопротеидных комплексов, владевших неспецифичным сродством с аминокислотами, в спец тРНК, наделенные функциональными центрами с избирательным сродством сравнительно разнообразных видов аминокислот.

Пробы избирательного связывания аминокислот при полимеризации полипептидов могли длиться миллионы лет без существенного воздействия на эволюцию пробионтов. Но, как эким методом имелись синтезированы главные ферменты, способные устремлять энергию от окисления каких-или органических соединений на фосфорилирование, т.е. на создание АТФ и вторых макроэргов, генетический код и матричный синтез заполучили селективную ценность. Пробионты заработали круглосуточное энергоснабжение, перевоплотился в живые организмы. Генеральным аспектом отбора стало качество и численность синтезируемых полипептидов, их включение в разнообразные биокаталитические процессы. Можнож представить, что поначалу синтезировался некоторый главный фермент, тот или иной катализировал окисление едва лишь 1-го водящегося в среде органического соединения, сопряженное с переносом неорганического фосфата на АДФ. Одно это позволило пробионтам не распадаться ночкой. К тому периода, иногда запасы предоставленного органического сырья истощились, арсенал полипептидов, синтезируемых матричным методом, существенно вырос. Некие из их вошли в состав рибосом, иРНК и тРНК, по этому возросла точность и эффективность биосинтеза самих полипептидов. Из вторых 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.

Главный генетический код был существенно тривиальнее 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 иной кодон-антикодоновое соответствие иРНК и тРНК контролировалось переносами энергии в их сопряженных участках. Вероятно, те же энерго процессы присущи цельным рибосомам и могут иметься выявлены экспериментально.

Круглосуточное энергоснабжение отдало старт гиперциклическим сетям каталитических реакций, благодаря тот или иной усовершенствование одной из субсистем клеточки содействует модернизации вторых субсистем [5]. Гиперциклы обеспечили прыткое рост генетического субстанции, генерализацию матричных действий, рост арсенала ферментов. Образовались налаженности ферментативного биосинтеза аминокислот, пигментов, полисахаридов… Возникли 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 потом скопления атмосферного кислорода, кушающего 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 возникли ферментативные механизмы реагирования на показные стимулы, с подмогой тот или иной 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 налаженности. 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.