Від молекули до клітки

ВІД МОЛЕКУЛ До КЛІТЦІ

З давніх пір людей цікавило походження живої матерії. Сьогодні багато вчених вважають проблему зародження життя майже вирішеною. Їм не зрозуміло лише, що зіграло роль "першої скрипки" нуклеїнові кислоти або білки. Існує чимало гіпотез, які акцентують увагу, або на відборі матриць (ДНК, РНК) у бесферментних умовах, або на безматрічном удосконаленні древніх ферментів. На наш погляд, головний їхній недолік - виключення тих етапів еволюції, які передували появі і матриць, і ферментів. У даній роботі побудована повна модель еволюційного переходу від хаосу різнорідних органічних молекул до феноменальної складності і впорядкованості клітини.

Близько чотирьох мільярдів років тому на Землі з'явилися водойми, в яких утворився так званий первинний бульйон. У ньому були присутні багато органічні сполуки: амінокислоти, азотисті основи, нуклеотиди, нуклеїнові кислоти, поліпептиди і ін Можливість їх синтезу під дією УФ-світла, електричних розрядів та інших енергетичних факторів молодої Землі доведена багатьма експериментами. Стародавня атмосфера не містила кисень, і пропускала УФ-випромінювання в області 260 нм. У таких умовах головним критерієм відбору молекул первинного бульйону була їхня стійкість до ультрафіолету, здатність не руйнуватися при опроміненні, а зберігати свою структуру і властивості. Найважливіше значення мали внутрішньомолекулярні і міжмолекулярні переноси енергії.

У 60-х роках був відкритий так званий триплет-екситонних перенесення енергії в нуклеїнових кислотах (ДНК або РНК) під дією УФ-світла. Цей процес починається, коли одне з азотистих основ полинуклеотидной ланцюга поглинає УФ-квант. Воно переходить у збуджений триплетное стан, після чого передає енергію сусіднього підстави, а саме повертається в збудженому стані. Перенесення енергії по ланцюгу йде при суворій відповідності квантових властивостей сусідніх підстав і оптимальних відстанях між ними. Він триває до будь-якого порушення однорідної первинної структури макромолекули (модифікованого підстави, перегину ланцюги та ін), де енергія може вивільнитися. Експериментально доведено, що деструкції РНК відбуваються не в точках поглинання УФ-квантів, а в ділянках з внутрішньої схильністю.

Для нас важливо, що триплет-екситонних перенесення успішно йде в біологічній РНК, що складається із стандартного набору 4-х азотистих основ, з'єднаних 3'-5'-зв'язками. У древніх водоймах були різнорідні нуклеїнові кислоти, спочатку не володіли упорядкованою структурою. При УФ-поглинання ті фрагменти, в яких йшов триплет-екситонних перенесення, зберігалися, інші змінювалися. Відбувалася селекція макромолекул, подібних біологічним.

Ясно, що при інтенсивному УФ-опроміненні стійкість РНК залежала не тільки від внутрішньомолекулярних переносів, але і від передачі енергії зовні. Тут були потрібні індуктивно-резонансні спільно з будь-яких молекулами-акцепторами. Для них важливо, щоб дистанція донора енергії та акцептора не перевищувала якусь порогову величину (близько 100А), а спектральна смуга флуоресценції донора перекривалася зі смугою поглинання акцептора. Відповідні спектральні смуги мали багато органічні сполуки первинного бульйону. Але їх використання в якості акцепторів індуктивно-резонансного переносу заважала віддаленість від УФ-активованих РНК.

У живих клітинах контакти молекул-донорів з молекулами-акцепторами забезпечують спеціальні біокаталізатори - ферменти. Вони складаються з синтезованих матричним шляхом поліпептидів, пов'язаних з деякими іншими хімічними угрупованнями. Ферменти дуже недовговічні. Їх поліпептидні компоненти повинні постійне оновлюватися.

У первинному бульйоні без матричного синтезу не могло бути справжніх ферментів, але були "дикі" поліпептиди, які за певних умов виконували ту ж роль. Розглянемо два варіанти їх взаємодій з РНК, що поглинає УФ-кванти. 1. Поліпептид сам служить акцептором індуктивно-резонансних переносів енергії. При цьому його структура змінюється. 2. Поліпептид пов'язує певну молекулу (субстрат) і утримує її в зоні індуктивно-резонансного переносу в якості акцептора енергії. У цьому випадку він стає аналогом ферменту (проферментів) і разом з РНК утворює нуклеопротєїдний комплекс, що здійснює фотокаталіз (Мал. 1). Особливу конформацію, що дозволяє пов'язувати конкретний субстрат, профермент набував стихійно в ході взаємодій першого типу. Разом з субстратної специфічністю він отримував важливе селективну перевагу - стійкість при взаємодіях другого типу. Втративши її, він повертався до ролі акцептора енергії і знову зазнавав змін.

Одним з найважливіших властивостей живої матерії є динамічність. У клітинах постійно йде розпад і самосборка багатьох функціональних компонентів цитоплазми. Тут важливу роль грають метастабільні міжмолекулярні зв'язки, що виникають при дисипації енергії в ході біокаталізу. Стародавні молекулярних комплекси також мали метастабільні зв'язку. Вночі у відсутності УФ-випромінювання вони розпадалися, вдень повторювали зборку. Така циклічність, підпорядкована добовому ритму, посилювала мінливість РНК і поліпептидів, прискорювала відбір, що було необхідною умовою еволюції. Збірка комплексів залежала від розташування їх компонентів у водному середовищі, від орієнтації до потоку УФ-світла. Ми припустили, що велика селективну перевагу давало їх з'єднання в плівку, що складається з багатьох УФ-поглинаючих, субстратсвязующіх і з'єднувальних елементів. Роль останніх могли виконувати фосфоліпіди, що відрізняються стабільністю і здатністю спонтанно утворювати плівкову структуру.

Успішність самосборок метастабільних комплексів в плівку у великій мірі залежала від властивостей їх УФ-поглинаючих компонентів. Ми припустили, що пріоритет мали РНК з кільцеподібною вторинною структурою. Справа в тому, що в кільці РНК при інтенсивному УФ-опроміненні йде циркуляція екситонних переносів, що подовжує час взаємодії з акцептором. Енергія декількох УФ-квантів може підсумовуватися і передаватися акцептору імпульсами, залежними від розміру кільця. У цьому випадку кільце РНК відіграє роль накопичувальної антени, а індуктивно-резонансний перенос набуває характеру автоколивань. Рівні кільця мають рівну енергоозброєність. На зорі абіогенез циркуляція енергії в однотипних РНК давала їм перевагу при складанні фотокаталітичних комплексів. Інші полінуклеотіди залишалися поза комплексів. Поглинаючи УФ-випромінювання, вони піддавалися деструкції.

Отже, на першому етапі абіогенез під тиском УФ-світла йшла селекція макромолекул і формувалися плівки, які здійснювали фотокаталіз. Для них він став не руйнівником, а необхідним джерелом стійкості. Щоб перевірити цю гіпотезу потрібні спеціальні експериментальні дослідження, які дозволять, по-перше, конкретизувати умови відбору нуклеїнових кислот та пептидів за критерієм УФ-стійкості, по-друге, уточнити склад первинного бульйону.

2

Молекулярні плівки розселялися в древніх водоймах. Якщо вони розташовувалися в декілька шарів, тільки верхні поглинали ультрафіолет і зберігали стійкість. Нижні були закриті від УФ-світла, відчували дефіцит енергії і розпадалися. Для їх стійкості були потрібні інші механізми перетворення і перенесення енергії.

У всіх автотрофних організмів є системи фотофосфорілірованія, що перетворюють енергію видимого світла в хімічну енергію молекул-макроергів: АТФ, ГТФ та ін Відомі два варіанти таких систем. В одному з них у якості первинного поглинача світла використовується хлорофіл, в іншому - бактеріородопсин. При всіх своїх відмінностях, і той, і інший мають настільки складну організацію, що не можуть обходиться без ферментів, синтезованих матричним шляхом. На зорі абіогенез матричний синтез не існував. Але, оскільки замість видимого світла використовувався більш багатий енергією ультрафіолет, фосфорилювання було організовано значно простіше сучасного. Ми припустили, що його здійснювали фотокаталітичні комплекси, що з'явилися ще на першому етапі. Їх субстратсвязующіе компоненти придбали спорідненість з АДФ, ГДФ і т.п. Для синтезу АТФ і ГТФ шляхом приєднання неорганічного фосфату вони використовували енергію УФ-квантів, поглинених РНК.

У багатошарових пробіотичних структурах УФ-залежне фосфорилювання могло йти тільки у верхніх шарах. Нижнім потрібна хімічна енергія АТФ і подібних молекул. Енергопостачання, засноване на дифузії макроергів з верхніх шарів у нижні, створило передумови для бурхливого зростання пробіотичних плівок. (Мал. 2) Але черговою перешкодою стало низький вміст у водному середовищі будівельних матеріалів, особливо поліпептидів. Отже, подальші перспективи абіогенез залежали від здатності самих пробіонтов їх синтезувати.

Живі клітини синтезують поліпептиди з амінокислот матричним шляхом з використанням багатьох ферментів, а джерелом енергії служить АТФ. На другому етапі абіогенез ще не було ферментів, і пробіонти не могли освоїти матричний синтез. Але в них вже проводилися макроергів типу АТФ, і це дозволило почати безматрічную полімеризацію амінокислот. У живих клітин до складу молекулярних комплексів, що зв'язують амінокислоти (рибосом і тРНК), входять ланцюжка РНК типу "лист конюшини", що мають кільцеподібні та спіралеподібні ділянки вторинної структури. В епоху багатошарових плівок полінуклеотіди з таким складним будовою руйнувалися у верхніх УФ-поглинаючих шарах, але могли з'являтися в нижніх, захищених від ультрафіолету. Там вони стали частиною нових нуклеопротеїдних комплексів - предків тРНК, які пов'язували амінокислоти, використовуючи енергію від гідролізу АТФ. Походив безматрічний синтез поліпептидів, що дав пробіонтам важливе селективну перевагу - постійне постачання макромолекулярних сировиною. На цьому етапі черговість амінокислот у поліпептиду не мала вирішального значення.

Другий етап абіогенез привів до появи у пробіонтов функціональної диференціювання субструктур. Виникло автономне енергопостачання і безматрічний синтезу макромолекул. Затінення нижніх шарів з перешкоди перетворилося на обов'язкову умову стійкості.

3

Якщо на першому етапі абіогенез відбір нуклеїнових кислот був підпорядкований селективного тиску УФ-світла, то вже на другому знадобилися молекули РНК зі складною вторинною структурою, які вимагають захисту від УФ-світла. Їх масове відтворення було неможливо без матричного синтезу.

У всіх живих клітинах молекули РНК синтезуються на матрицях ДНК за участю багатьох ферментів. Цей процес називається - транскрипція. Вона починається з розділення двох ланцюгів спіралі ДНК. Після чого одна з них служить матрицею для синтезу РНК, а на іншій відтворюється парна (комплементарна) ДНК. Це дозволяє повторно копіювати її інформацію. Відомо, що синтез РНК і ДНК йде при різних значеннях pH водного середовища. Крім того зменшення pH ініціює розділення двох ланцюгів ДНК.

Передумовами для появи транскрипції у пробіонтов було те, що в них вже проводилися молекули АТФ та інших макроергів, з яких синтезуються ДНК і РНК. Цілком могли з'явитися дволанцюжкові фрагменти ДНК - майбутній матричний матеріал. Але оскільки ще не було ферментів, потрібні інші фактори, що управляють поділом двох ланцюгів ДНК, синтезом РНК і відновленням спареної ДНК.

Ми припустили, що вирішальним фактором стало розходження pH в сусідніх ділянках внутрішнього середовища пробіонтам - так звана компартменталізація. Причиною параметричного відмінності середовищ був перенесення протонів через каталітично активні плівки. (Аналогічні процеси в живих клітинах - трансмембранні протонні переноси відкрив англійський учений П. Мітчел.) В одному з компартментов пробіонтам створювалися умови, сприятливі для синтезу РНК, а в іншому - ДНК. Транскрипція починалася з роз'єднання подвійної спіралі ДНК і перенесення однієї з її ланцюгів через мембрану, що розділяє два середовища. Цей ланцюг ставала матрицею для синтезу РНК, а інша залишалася в колишньому компартменте і служила матрицею для відновлення парної ДНК (Мал. 3). Можна припустити, що й у живих клітин важливою умовою транскрипції служить компартменталізація при переносі протонів через мембрану, яка містить рибосоми.

На третьому етапі абіогенез завдяки матричному синтезу відбулося нарощування генетичного матеріалу ДНК, кількісне і якісне вдосконалення РНК. Виникла узгодженість багатьох каталітичних процесів і відкрилися нові перспективи ускладнення пробіонтов.

4

Так як УФ-енергія надходила лише вдень, вночі пробіонти втрачали активність і розпадалися, а кожен ранок народжувалися заново. Це стало черговим еволюційним перешкодою, для подолання якого на останньому етапі абіогенез потрібні були принципово нові "нічні" системи енергопостачання. Як відомо, у багатьох бактерій основою енергетики є гліколіз. Енергія, що вивільняється від часткового окислення деяких органічних сполук, направляється на фосфорилювання, тобто на синтез АТФ та інших макроергів. Різні варіанти такого окисного фосфорилювання служать важливою частиною енергопостачання всіх живих клітин.

Для переходу від щоденних циклів асиміляції і розпаду у пробіонтов до цілодобової життя клітини був потрібний процес, подібний гліколізу, спрямовує хімічну енергію органічних молекул на синтез АТФ. Відомо, що без ферментів він неможливий, тому що домінує зворотний процес - гідроліз АТФ. Ферменти утворюються тільки з поліпептидів, синтезованих матричним шляхом. Отже, зародженню перших клітин повинен був передувати матричний синтез поліпептидів.

У пробіонтам вже існували молекулярні системи безматрічного синтезу поліпептидів і матричного синтезу РНК. Були нуклеопротеїдні комплекси, що володіють спорідненістю з амінокислотами - попередники тРНК. Залишалося подолати черговий еволюційний бар'єр - створити генетичний код. Спочатку він міг бути значно простіше сучасного. Навіть грубе кодування основних типів амінокислот позначалося на властивостях синтезованих макромолекул і, тим самим, давало пробіонтам величезні селективні переваги. Перші аналоги рибосом могли являти собою відносно прості нуклеопротеїдні комплекси, в яких контроль кодон-антікодонового відповідності іРНК і тРНК йшов за рахунок переносів енергії при їх контактах. Можливо, сліди цих мікропроцесів проявляються в праці рибосом всіх живих клітин і можуть бути виявлені експериментально.

Спроби матричного синтезу поліпептидів тривали довгий час, не надаючи істотного впливу на еволюцію пробіонтов. Але як тільки були синтезовані перші молекули, здатні зв'язати якусь окисну реакцію з фосфорилюванням, матричні процеси набули величезну селективну цінність. Пробіонти перейшли в режим цілодобової активності. Головним критерієм відбору стала якість синтезованих ферментів, їх вплив на виробництво АТФ. Можна припустити, що перші ферменти каталізували окислення цукрового альдегіду в фосфогліцеринову кислоту, поєднане з перенесенням неорганічного фосфату на АДФ. Пізніше у міру виснаження запасів органіки в первинному бульйоні, ланцюжки ферментативного окисного фосфорилювання подовжувалися.

На цьому етапі могли виникнути так звані гіперцікліческіе мережі каталітичних реакцій, значно прискорили еволюцію. Їх описав німецький вчений М. Ейген. Гіперциклу стали можливі завдяки цілодобовому енергопостачання. Вони забезпечили швидке збільшення генетичного матеріалу, удосконалення матричних процесів, зростання арсеналу ферментів. Сформувалися системи ферментативного біосинтезу амінокислот, пігментів, полісахаридів; утворилися клітинні оболонки, цитоплазматичні мембрани, рибосоми і т.д. Пробіонти перетворилися на живі клітини.

Таблиця. Етапи абіогенез.

Отже, шлях від молекулярного хаосу первинного бульйону до перших живих клітин включав чотири еволюційних етапи. На кожному діяли нові деструктуруючих чинники, котрі творили селективне тиск. Поетапна зміна джерел селекції викликала перехід пробіонтов від одного рівня стійкості до наступного. Фінал передбіологічній еволюції став початком ери розвитку життя на Землі.

Автор М. Каценберг