Химическая эволюция

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — это история возникновения и развития тех молекул, которые имеют значение в историческом развитии живых существ. При этом органические, пребиотические молекулы возникли из неорганических молекул под влиянием энергетических процессов.

Содержание 1 Вступление 2 Обзор 3 Предварительные рассуждения 3.1 Биомолекулы 3.2 Развитие древней атмосферы 3.3 Роль воды для эволюции жизни 4 Эксперименты 4.1 Эксперимент Миллера-Юри 4.2 Дальнейшие реакции 4.3 Участие минералов и горных пород 4.4 Теория Вехтерхойзер 4.5 Образование макромолекул 4.6 Образование пребиотических структур (предшественников клеток) 4.6.1 Коацерваты 4.6.2 Микросферы 4.7 Мир РНК 5 Источники

[править] Вступление

Реконструкция появления органических молекул трудна, так как ископаемые и точные знания геохимических условий земли древнее 3,8 млрд. лет отсутствуют.

Поэтому существуют различные гипотезы о ходе химической эволюции. В основном они опираются на эксперименты, основанные на предположениях о тогдашнем химическом составе атмосферы, гидросферы и литосферы, а также климатических условиях.

Основанные на гипотезах, эксперименты на данный момент недостаточны для создания теории возникновения жизни на земле. Однако уже наблюдались процессы создания комплексных молекул, которые необходимы для органических процессов, но образование сложных систем из них пока еще не было достигнуто. Эти наблюдения считаются уже большим успехом и достаточны для разработки гипотез.

[править] Обзор

Гипотезы химической эволюции должны объяснять различные аспекты:

1. Небиологическое начало биомолекул, то есть их развитие из неживущих и, соответственно, неорганических предшественников.
2. Появление способных к само-репликации и само-изменению химических информационных систем, то есть возникновение клетки.
3. Появление взаимной зависимости функции (ферментов) и информации (РНК, ДНК).
4. Условия среды Земли в период от 4,5 до 3,5 млрд. лет назад.

В прояснение этих вопросов внесли большой взнос между прочими следующие ученые:

• Александр Опарин: Коацерваты.
• Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере.
• Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов.
• Томас Кеч (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова.
• Вальтер Жильбер (Гарвард, университет Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК.
• Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую само-реплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста само-реплицирующихся систем
• Манфред Айген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл.
• Юлий Ребек (Кембридж) создает искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая само-реплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны с образцом, так что эволюция для этих молекул не возможна.
• Джон Корлис (Goddard центр космических полетов — НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными абсолютно независимую от столкновений с метеоритами химическую эволюцию. Еще сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многих признаках археобактерий (Archaea).
• Гюнтер Вэхтерсхойзер (Мюнхен): Первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора).
• А. Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universität New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, само-реплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, при чем объем информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся все более сложными, до тех пор пока они не могут размножаться без помощи глиняных минералов.
• Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

Унифицированная модель химической эволюции ещё не разработана, возможно потому, что основные принципы ещё не открыты.

[править] Предварительные рассуждения

[править] Биомолекулы

Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делится на три последовательных этапа:

1. Возникновение простых органических соединений (спиртов, кислот, гетероциклических соединений: пуринов, пиримидинов и пирролов) из неорганических материалов.
2. Синтез более сложных органических соединений-«биомолекул» - представителей наиболее распостранённых классов метаболитов, в том числе и мономеров - структурных единиц биополимеров (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотиды) из простых органических соединений.
3. Возникновение сложных биополимеров (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты) из основных структурных единиц - мономеров.

Биомолекулы — возникновение и функция

Одним из вопросов является химический состав среды в которой осуществлялся пребиологический синтез, в т.ч. какие неорганические компоненты являлись источниками различных элементов, входящих в состав различных органических соединений.

Элементный состав биомолекул:	C H O N S P Углеводы X X X       Жиры X X X X     Фосфолипиды X X X X   X Белки X X X X X   Нуклеотиды X X X X   X Порфирины X X X X
Возможные неорганические источники элементов:	Восстановленная форма Окислённая форма Углерод (C) Метан (CH4), Монооксид углерода (угарный газ)]] (CO) Углекислый газ (CO2) Водород (H) Водород (H2) Вода (H2O) Кислород (O) H2O Кислород (O2) Азот (N) Аммиак (NH3) Нитрат (NO3-) Сера (S) Сероводород (H2S) Сульфаты (SO42-) Фосфор (P)   Фосфаты (PO43-)

Все гипотезы исходят из того, что помимо воды и фосфата в начале в достаточной массе находились в достаточном количестве только упрощённые формы привычных сегодня химических соединений, так как древняя атмосфера едва ли содержала молекулярный кислород.

В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать Ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов, ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды. Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могут служить окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например пиритом (FeS₂)

[править] Развитие древней атмосферы

Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня ее разделяют на четыре важные ступени развития.

В начале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них земли — приблизительно 4,56 милиардов лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H₂) и гелия (He), которая была однако снова потеряна в космическое пространство. Астрономы исходят так же из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на земле и других близлежащих солнцу планетах могло остаться только мало легких химических элементов (включая углерод, азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены, по этой теории, ударами комет из более внешних участков солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды на длительное время хотя бы в самых глубоких местах моря.

С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Скорее всего она состояла из водяного пара (H₂O до 80 %), углекислого газа (CO₂; до 20 %), сероводорода (до 7 %), аммиака и метана. Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент еще слишком горяча для образования морей. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее так же органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере.

После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный дождь, который и образовал океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Высокое ультрофиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Легкие газы — водород и гелий — уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, окисляя воду. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N₂ накапливался со временем и образовывал около 3,4 милиардов лет назад основную составляющую атмосферы.

Выпадение в осадок, прореагировавшего с ионами металлов, растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO₂-концентрации и поднятию значения pH в водоемах.

Кислород O₂ игает важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зеленых водорослей) или им подобных прокариотов. Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, насыщенность атмосферы кислородом оставалась все-таки довольно низкой. Причина этого — незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере.

Очень реактивный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода жизненные пространства, другая часть вырабатала ферменты (например, каталазы), которые делают кислород не опасным. В некоторых микроорганизмах из подобных энзимов развились комплексные мембранные энзимы — конечные оксидазы, которые метаболически использовали присутствующий кислород для накопления энергии необходимой для роста собственной клетки — конечная стадия окисления в аэробной цепи дыхания. В зависимости от организма имеются различные формы конечных оксидаз, например хинол-оксидаза или цитохром C — оксидаза, которые различаются активными центрами, содержащими ионы меди и гемины. Это дает основание полагать, что они произошли различными параллельными путями развития. Во многих случаях в одном организме встречаются различные типы конечных оксидаз. Эти энзимы являются последними в цепи последовательно задействованных комплеков энзимов, которые энергию окислительно-восстановителных процессов сохраняют переносом протонов или ионов натрия в форме трансмембранного электрического потенциала. Последний другим комплексом энзимов преобразовывается снова в химическую энергию в форме АТФ. Синтез АТФ и прочих компонент цепи дыхания в эволюционном свете значительно старше конечных оксидаз, так как они играли важную роль уже во многих аэробных процессах обмена веществ (аэробное дыхание, многие процессы брожения, метаногенез) а так же при аноксигенном и оксигенном фотосинтезе.

Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой. Сегодняшнее содержание кислорода в 12 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным.

[править] Роль воды для эволюции жизни

Для жизни, как мы ее знаем (или определяем), нужна вода как универсальный растворитель. Она имеет качества, которые, принятом естественнонаучном понимании, делают возможными начало жизни. Возможно, жизнь может независимо от воды возникать и существовать, тем не менее считается доказанным, что присутствие жидкой воды (в определенной области или на определенной планете, например, Марс) не только делает возможным наш вид жизни, но и делает очень вероятным ее возникновение.

Для возникновения жизни важны следующие качества воды:

• Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы.
• Вода особенно подходит как полярное средство для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, имея высокую теплоемкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов.
• Вода обнаруживает незначительные глобальные колебания в температуре и осмотических значениях (локально могут возникать большие различия), что ведет к глобально уравновешенному климату.
• Вода поглощает вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение. Однако, оно проникает через замерзшую воду (лед) до определенной глубины.
• Вода, в которой растворены вещества, например, морская вода, образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда (смотри гипотезу морского льда). Ограничение от внешней среды и повышенная концентрация веществ считаются необходимыми для образования биологически активных молекул.
• Особенность воды (при нагревании от 0 до 4 (3,98 — точно) °С вода сжимается) предотвращает замерзание водоемов со дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

[править] Эксперименты

[править] Эксперимент Миллера-Юри

Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы 20. столетия русским исследователем А. И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдан. Теория утверждала, что условия на земле того времени благоприятствовали химическим реакциям. Из неорганических соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней O₂ и O₃. В 1953 эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллер и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с первичным бульоном. Опытом они доказывают, что в похожей на предположительные пребиотические условия среды, посредством притока энергии (молнии), из неорганических соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоксиловые и жирные кислоты — одни из важнейших строительных элементов более комплексных биомолекул. В более поздних, в большинстве случаев более сложно построенных опытах с первичным бульоном смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ: аминокислоты, жиры, пурины (основа нуклеотидов) и сахар,- так и сложные органические соединения порфины и изопрены.

Хотя этим показана возможность естественного образования органических молекул, сегодня рассматриваются эти результаты для настоящего происхождения жизни на земле довольно критично. В эсперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос еще не окончательно решен и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экпериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путем, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся происхождение органики в космосе и занесение ее на землю метеоритами или происхождение в окресностях Гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.

Дальнейшим аргументом против происхождения органических молекул из первичного бульона приводят то, что во время опыта получается рацемат, то есть смесь из аминокислот L и D-форм. Соответственно должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определенному вращению хиральных молекул. Космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как фотохимические процессы с циркулярно-поляризированым излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определенного вращения. И действительно у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающиеся. Однако в 2001 году Alan Saghatelian et al.^[1] показал, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно усиливать молекулы определенного вращения в рацематной смеси, что по мнению этого ученого поддерживает земное происхождение вращения биологических молекул.

[править] Дальнейшие реакции

Из появляющихся при эксперименте Миллера-Юри промежуточных продуктов альдегидов и синильной кислоты HCN можно получить при симулируемых условиях земли 4,5 млрд. лет назад дальнейшие биомолекулы. Таким образом Хуан Оро удалось в 1961 синтез аденина:

Эдукты			Продукты
2 Формальдегид	HCN	H2O	Серин
5 Формальдегид			Рибоза
	5 HCN		Аденин

Из рибозы, аденина и трифосфата возникает аденозинтрифосфат (АТФ), который используется в организмах в качестве универсального энергоносителя и строительного элемента (как монофосфат) рибонуклеиновых кислот (РНК).

[править] Участие минералов и горных пород

• В крохотных пустотах горных пород органические молекулы защищены от ультрафиолетового облучения.
• Кристаллические поверхности могут служить матрицей для растущих макромолекул. При этом кристаллические поверхности могут предпочитать определенные формы молекулы. L-и D аминокислоты присоединяются к разным местам кристалла кальцита.
• Аарон Качальсский (Вайцманн-институт, Израиль) смог произвести в водяном растворе с помощью глиняного минерала монтмориллонит белки с длиной цепи в больше чем 50 аминокислот с почти 100%-ным выходом.
• Металлические ионы могут быть задействованы в качестве катализаторов, доноров электронов или же включаться в биомолекулы.
• Глиняные минералы часто имеют электрический заряженность и могут таким образом притягивать и удерживать противоположно заряженные органические молекулы.

[править] Теория Вехтерхойзер

Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу органических молекул должна протекать на поверхности минералов сульфида железа. Теория Миллера-Юри имеет существенные ограничения, особенно учитывая ошибочное объяснение полимеризации мономерных составляющих биомолекулы.

Альтернативный сценарий был с начала 80-х разработан Гюнтером Вехтерхойзер. По этой теории жизнь на земле возникла на поверхности железно-серных минералов, то есть сульфидов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой земле должны были встречаться гораздо чаще. Большое преимущество этого концепта перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надежным источником энергии. Энергия поступает из восстановления частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (FeS₂), водородом (уравнение реакции: FeS₂ + H₂ FeS + H₂S) и поставляет достаточно энергии для эндотермического синтеза мономерных структурных элементов биомолекул и их полимеризации:

Fe²⁺ + FeS₂ + H₂ 2 FeS + 2 H⁺       ΔG°' = — 44.2 kJ/mol

Другие тяжелые металлы так же как и ионы железа тоже образуют нерастворимые сульфиды. В дополнение к этому пирит и другие железно-серные минералы имеют положительно заряженную поверхность, на которой могут распологаться, концентрироваться и реагировать между собой преимущественно отрицательно заряженные биомолекулы (органические кислоты, фосфорные эфиры, тиолы). Необходимые для этого вещества (сероводород, моноксид углерода и соли двухвалентного железа) попадают из раствора на поверхность этого «железо-серного мира». Вехтерхойзер привлекает для своей теории и сегодня существующие основопологающие механизмы обмена веществ и выводит из них замкнутый в себе сценарий синтеза комплексных органических молекул (органические кислоты, аминокислоты, сахар, азотистые основания, жиры) из простых неорганических соединений, находящихся в вулканических газах (NH₃, H₂, CO, CO₂, CH₄, H₂S).

В противоположность к эксперименту Миллер-Юри не привлекаются источники энергии из вне, в форме молнии или ультрафиолетового излучения, кроме того первые ступени синтеза при высоких температурах протекают гораздо быстрее (например катализированные энзимами химические реакции). При температурах подводных вулканов до 350 °C возникновение жизни является вполне представимым. Только позднее при возникновении чувствительных к высоким температурах катализаторам (витамины, белки) эволюция должна была происходить при более низких температурах.

Сценарий Вехтерхойзера хорошо подходит к условиям глубоководныхгидротермальных источников, так как имеющийся там переход температур из глубины к поверхности, позволяет подобное распределение реакций. Древнейшие из сегодня живущих микроорганизмов самые жароустойчивые, предельный известный температурный максимум для их роста составляет +113 °C. Кроме того железо-серные активные центры и сегодня задействованы в биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-минералов в развитии жизни.

[править] Образование макромолекул

Биомакромолекулы — это белки и нуклеиновые кислоты. Увеличение молекулярных цепей (полимеризация) нуждается в энергии и происходит с выделением воды (конденсация). При расщеплении макромолекул (гидролиз) энергия выделяется. Так как химическое равновесие настолько сильно смещено в сторону мономеров, что реакция протекает термодинамически необратимо в сторону гидролиза полимеров, синтез полимеров невозможен без постоянного поступления энергии. Даже с помощью теоретической поддержки испарением воды, добавлением солей (связывают воду) или распадом продуктов, равновесие смещается лишь незначительно. В итоге возникновение жизни очень вероятно связано с надежным источником энергии, который использовался бы для полимеризации.

[Мономеры]_n + (n-1) H_2O n Мономеры + Тепло,

но

Энергия + n Мономеры [Мономеры]_n + (n-1) H_2O.

В качестве источника энергии в биохимии используется чаще всего АТФ, для образования которого необходимы уже существующие энзимы. В условиях молодой земли возможно снабжение энергией синтеза полимеров гидролитическим расщеплением полифосфатов, что используется некоторыми энзимами вместо ращепления АТФ и сегодня. Но маловероятно, что полифосфаты были в необходимом количестве, так как они могли спонтанно образовываться, при испарении фосфатосодержащих растворах, но также относительно быстро гидролизироваться, растворяясь в воде. Подобные процессы могли происходить на побережье при регулярном приливе и отливе. Но в этом случае все зависимые от воды процессы постоянно прерывались бы, что слишком замедлило бы синтез комплексных соединений. Поэтому обратимся к совсем другой системе, в которой происходит как синтез мономерных состовляющих так и зависимое от постоянного источника энергии образование полимеров, — к анаэробным окислительно-восстановительным реакциям с сульфидами металлов.

Равновесие синтеза полимеров смещается в сторону образования полимеров повышением концетрации мономеров и обезвоживанием продуктов реакции. Условием для этого является ограничение среды реакции, которая имеет лишь ограниченный обмен веществ с внешней средой. Традиционно считалось, что подобные процессы протекают в маленьких прудах с высоким испарением, что основной идеей опирается еще на труды Ч. Дарвина. Сегодня рассматриваются вулканические регионы океонов с осевшими от гидротермальных источников сульфидами металлов как вполне подходящее место для развития подобного сценария.

Другие варианты решения проблемы имеют сильные ограничения и сложносопоставимы с условиями ранней земли. Преимущественно требуется для одного или нескольких этапов исключение воды, что очень легко осуществить в лаборатории, но не в рассматриваемое время на земле. Одна из подобных систем — это полимеризация карбомидов (R-N=C=N-R) или дициана (N≡C-C≡N) в безводной средстве. При этом конденсация исходных составляющих протекает параллельно реакции карбомида, при которой выделяется необходимая энергия:

Энергия + [H-X-OH] + [H-X-OH] [X-X] + H_2O (H-X-OH = мономер, например аминокислота или рибоза)

[R-N ≡ C ≡ N-R] + H_2O [R-NH-CO-NH-R] + Энергия (если R = H возникает мочевина)

При ультра-фиолетовом излучении из синильной кислоты и образуется дициан, однако, в высыхающей трясине летучая молекула быстро испарилась бы. Если сухая смесь аминокислот нагревается до 130 °C несколько часов, то образуются похожие на белок макромолекулы. При наличии полифосфатов достаточно 60 °C. Эти условия могут образоваться, если вода с растворенными аминокислотами вступает в контакт с горячим, вулканическим пеплом.

Если нагреть смесь нуклеотида в присутствии полифосфатов до 55 °C, то хотя и возникают полинуклеотиды, но все же соединение происходит вероятнее за счет 5’-и 2’-C-атомов рибозы, так как оно протекает легче, чем во всех организмах имеющиеся 5’-3’-связи. Из обоих типов полинуклеотидов образуются двойные цепи (сравни со стороением ДНК). Разумеется 5’-3’-двойные цепи стабильнее чем 5’-2’.

Если на 2’ атоме углерода рибозы отсутствует гидроксильная группа, получается дезоксорибоза. Теперь могут образовываться типичные для ДНК 5’-3’ связи.

[править] Образование пребиотических структур (предшественников клеток)

Клетки поддерживают свои функции тем, что у они образуют ограниченные среды для реакций, чтобы разделять друг от друга процессы обмена веществ и исключать нежелательные реакции. Одновременно могут создаваться различия концентраций.

[править] Коацерваты

Известно, что с повышением концентрации многие органические соединения, молекулы которых содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки, способны в водных растворах к мицеллообразованию, т.е. выделению микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование наблюдается также при высаливании, т.е. при увеличении концентрации солей в коллоидных растворах биополимеров-полиэлектролитов, при этом выделяются микрокапли диаметром 1 - 500 мкм, содержащие биополимеры в высокой концентрации.

Александр Иванович Опарин (1894—1980) главным образом изучал возможности обмена веществ в коацерватах (от латинского coacervatio — сгусток или куча) - модельных мицеллах. Им было показано, что ограниченные среды с простым обменом веществ могут возникнуть исключительно самоорганизацией, при условии присутствия катализаторов со специфическими свойствами. Так как использованные субстанции входят в состав живущих сегодня организмов, Опаринские коацерваты нужно видеть не как предшественники клеток, а как модель-аналог для возникновения предшественников клеток.

Опарин исследовал смеси из белков (гистон и альбумин), белков и углеводов (гистон и гуммиарабик) и белков и полинуклеотидов (гистон или клупеин и ДНК или РНК).

Если капельки из гистона и гуммиарабика содержат фермент фосфорилазу, то они могут поглотить из окружающей среды глюкозу-1-фосфат, создать из нее крахмал и сохранить. Освобожденный фосфат диффундирует наружу. Капелька увеличивается с накоплением крахмала, пока не распадается на мелкие капельки, которые тоже могут содержать фосфорилазу, разумеется, меньше чем исходная капелька. Вместе с тем замедляется обмен веществ. Таким образом становится очевидным, что для сохраниния качеств клетки необходима регенерация ферментов после ее деления.

Если к взвеси добавить разлагающий крахмал, фермент амилазу, получаются коацерваты с двухступенчатым обменом веществ: 1) поглощение глюкозы-1-фосфата → синтез крахмала; 2) вывод фосфата → расщепление крахмала и вывод мальтозы.

[править] Микросферы

В 1970 году Сидней Фокс смог подтвердить, что из подобных белку продуктов, которые возникают при нагревании сухих смесей аминокислоты, а также самосоединением могут возникнуть растущие капельки, так называемые микросферы. Они отграничиваются от окружающей среды мембраной обратного осмоса и поглощают другой протеиноподобный материал из среды. Вследствие чего они растут и разделяются снова на более мелкие капельки. На основании этого Фокс пришел к выводу, что эти системы имеют ферментные качества, разлагают глюкозу или ведут себя как эстераза или пероксидаза, без добавления ферментов из вне.

[править] Мир РНК

Основная статья: Гипотеза РНК мира

Впервые гипотеза мира-РНК была выдвинута в 1986 Уолтером Гильбертом и гласила, что молекулы РНК были предшественниками организмов.

Гипотеза отталкивается от способности РНК к хранению, передаче, и размножению генетической информации, а также от ее способности катализировать реакции в качестве рибозимов. В эволюционной среде молекулы РНК, которые множат преимущественно себя, встречались бы чаще других.

Исходным пунктом являются простые самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Некоторые из них имеют способность катализировать синтез белков, которые, в свою очередь, сами катализируют синтез РНК и свой собственный синтез (развитие трансляции). Некоторые молекулы РНК соединяются в двойную РНК-спираль, они развиваются в молекулы ДНК и носители наследственной информации (развитие транскрипции).

Основой служат определенные РНК-молекулы, которые могут копировать любые РНК-образцы включая себя самих. Дженнифер А. Doudna и Джек В. Szostak использовали как образец для развития этого типа РНК производящий разрезание и сплайсинг самой себя интрон прокариотного одноклеточного организма Tetrahymena thermophila. Это подтверждает то, что в рибосомах собственно rРНК являются каталитическими молекулами и таким образом РНК катализирует синтез белка. Однако, ограничения состоят в том, чтобы при само-реплицирующихся РНК не моно-, а олигонуклеотиды являются составляющими звеньями и необходимы вспомогательные вещества.

В 2001 было открыто, что важными каталитическими центрами рибосом являются РНК, а не, как раньше было принято, белки. Это показывает, что каталитическая функция РНК, как она предполагалась в гипотезе мира-РНК, используется сегодня живыми существами.

Так как рибосомы считаются очень первоначальными клеточными органоидами, это открытие считается важным взносом в обоснование гипотезы мира-РНК. Уже можно уверенно сказать, что молекулы РНК — по меньшей мере принципиально — являются в положении из аминокислот синтезировать белки.

В этой связи «ПНК» (Пептид — нуклеиновые кислоты) также представляют интерес как возможные предшественники РНК.

[править] Источники

1. ↑ A. Saghatelian et al. , 2001, A chiroselective peptide replicator, Nature, 409, 797—801