CC BY
89
Каценберг Марк Миронович, г. Ростов-на-Дону
Как зарождалась жизнь? Четыре этапа абиогенеза
3,5 миллиарда лет назад атмосфера Земли не содержала кислород и пропускала УФ-излучение. В водоемах находились органические соединения, появившиеся благодаря электрическим разрядам, нагреванию или облучению [2, с.224. 3, с.211]. Под воздействием УФ-излучения началась селекция биологически значимых молекул, которые отбирались в качестве компонентов многослойных пленок, преобразующих УФ-энергию в химическую энергию. Когда их каталитическая активность изменила состав водной среды, в ней появились изолированные участки, благоприятные для матричного синтеза макромолекул. Так зародились живые организмы с генетической информацией и стабильным метаболизмом.
1
Мы предположили, что первый этап абиогенной селекции был обусловлен триплет -экситонными переносами энергии в нуклеиновых кислотах [4, с.462. 6, с.270. 7, с 207]. Такой процесс начинается, когда одно из азотистых оснований, включенных в РНК или ДНК, поглощает УФ-свет (254 нм). Оно переходит в возбужденное триплетное состояние, после чего передает энергию соседнему основанию, а само возвращается в невозбужденное состояние. Перенос энергии по полинуклеотидной цепи идет при совпадении квантовых свойств соседних азотистых оснований и оптимальных расстояниях между ними. Эти условия выполняются в биологической РНК или ДНК, состоящей из стандартного набора четырех азотистых оснований - А, Г, Ц, У (Т), соединенных 3'-5'-связями.
Экспериментально доказано, что в нуклеиновых кислотах с неоднородной первичной структурой, триплет-экситонный перенос ведет к деструктуризации, происходящей не в точках УФ-поглощения, а в участках с внутренней предрасположенностью. В древних водоемах те участки поли-НК, в которых шел триплет-экситонный перенос энергии, оставались неизменными, так как обладали устойчивостью к действию УФ-света. Другие подвергались репарациям, конформационным изменениям и могли образовывать новые устойчивые цепочки. В результате росло число однотипных полинуклеотидов.
Важно учитывать, что устойчивость УФ-облученных поли-НК зависит не только от упорядоченного внутримолекулярного переноса энергии, но и от ее оттока вовне. У органических молекул, находящихся в водной среде, отток энергии реализуется при индуктивно-резонансных взаимодействиях, для которых требуется, чтобы расстояние между донором и акцептором энергии не превышало некую пороговую величину (около 100А), а спектральная полоса флюоресценции донора перекрывалась с полосой поглощения акцептора. Многие соединения первичного бульона имели подходящие спектральные полосы поглощения, но их участию в индуктивно-резонансных переносах в качестве акцепторов энергии мешала дистанция между ними и УФ-активированной РНК. В живых клетках при индуктивно-резонансных переносах сближение молекул-доноров с молекулами-акцепторами обеспечивают ферменты. Они формируются из полипептидов, синтезируемых матричным путем, которые имеют заданную первичную, вторичную и третичную структуру. Без массированного матричного синтеза однотипных полипептидов ферментативные процессы невозможны.
В древних водоемах не было полноценных ферментов, но там имелись разнородные «дикие» полипептиды. При контактах с УФ-активированной РНК, они подвергались энергетическим воздействиям, меняющим их первичную, а с ней и третичную структуру. В ходе таких переструктурирований, у некоторых полипептидов появлялись активные центры, которые позволяли им присоединять подходящие молекулы-субстраты и удерживать их в зонах индуктивно-резонансных переносов в качестве акцепторов энергии. Взаимодействуя с цепочками РНК, поглощавшими УФ-кванты и служившими донорами энергии, эти полипептиды осуществляли фотокаталитические преобразования молекул-субстратов. (Рис. 1).
Отбор функционально схожих полипептидов, пригодных для фотокатализа, шел под давлением УФ-света. Реализуя фотокатализ в составе устойчивых нуклеопротеидных комплексов, они получали защиту от новых переструктурирований. Если теряли субстратную специфичность, необходимую для фотокатализа, то возвращались к роли акцепторов энергии. В этом случае полипептиды вновь подвергались структурным изменениям, благодаря чему могли вернуть себе субстратную специфичность.
Рис. 1. Фотокаталитический комплекс
Устойчивость фотокаталитических комплексов первичного бульона зависела от их расположения в водной среде и от ориентации к потоку УФ-света. Селективное преимущество получали плавающие пленки, которые состояли не только из УФ-поглощающих и субстратсвязующих, но и из соединительных элементов. Роль последних выполняли липиды, способные спонтанно образовывать пленочные конструкции. Если РНК, входившие в состав фотокаталитических комплексов, имели кольцеобразную вторичную структуру, в них шла циркуляция триплет-экситонов. Благодаря этому энергия УФ-света передавалась молекулам-акцепторам равными импульсами по принципу автоколебаний. Кольца РНК доминировали при сборке устойчивых комплексов и пленок, а прочие полинуклеотиды, оставаясь вне комплексов, сами подвергались УФ-индуцированным деструкциям.
Нуклеопротеидные комплексы, подобные зародившимся в первичном бульоне, играют ведущую роль в каталитических системах всех живых клеток. Это «кирпичики» живой материи. Отметим, что одним из важнейших свойств живой материи является динамичность. В клетках постоянно идет распад и самосборка многих субструктур, имеющих метастабильные межмолекулярные связи, сохраняющиеся за счет диссипации энергии. В древних фотокаталитических комплексах метастабильные связи полипептидов с поли-НК, возникали в ходе энергопередачи при фотокатализе. Поэтому ночью эти комплексы распадались, а днем повторяли самосборку. Цикличность, подчиненная суточному ритму, повышала их изменчивость, ускоряла отбор.
2
Для фотокаталитических макромолекулярных пленок, выросших в водоемах Земли, УФ-свет был необходимым условием ежедневной самосборки, источником метастабильных межмолекулярных связей. Когда эти пленки располагались в несколько слоев, верхние поглощали ультрафиолет, а нижние испытывали дефицит энергии и распадались. Для их устойчивости требовался перенос энергии из верхних слоев.
Во всех живых клетках переносчиками энергии служат молекулы-макроэрги: АТФ, ГТФ и др. Они производятся фотофосфорилированием, при котором органические фосфаты синтезируются за счет энергии видимого света, или окислительным фосфорилированием, использующим химическую энергию органических соединений. В современных условиях, и первый, и второй способ невозможен без ферментов, полученных матричным путем.
Так как на заре абиогенеза доминировал не видимый свет, а ультрафиолет, фотофосфорилирование могло обходиться без подлинных ферментов. Мы предположили, что его осуществляли те нуклеопротеидных комплексы верхних слоев, у которых субстратсвязующие компоненты (полипептиды) приобрели сродство с имевшимися в
водной среде молекулами АДФ. Направляя энергию УФ-света, поглощенного кольцеобразной цепочкой РНК, на присоединение неорганических фосфатов к молекулам АДФ, они формировали макроэрги АТФ. Таким образом, УФ-энергия трансформировалась в химическую энергию. Благодаря УФ-зависимому фотофосфорилированию, началась диффузия макроэргов от верхних слоев к нижним. Это обеспечило их химической энергией и открыло перспективу дальнейшего усложнения. (Рис. 2).
Устойчивость молекулярных комплексов нижнего уровня, лишенных УФ-света, зависела не только от притока химической энергии из верхних слоев, но и от ее эффективного расходования. Эти комплексы должны были сохранять свои метастабильные связи, направляя поступающую энергию на определенные химические процессы. Мы предположили, что для выполнения такой работы нуклеопротеидным комплексам нижнего уровня потребовалась структурная модернизация. Они стали устойчивыми, когда в их состав вошли, во-первых, АТФ-специфичные полипептиды, связывающие малекулы-макроэрги, а во-вторых, поли-НК с усложнившейся вторичной структурой, ответственные за переносы химической энергии от АТФ к активным центрам.
УФ-и злученэе
Рис. 2. Многослойный пробионт
На втором этапе абиогенеза самоорганизация сложных нуклеопротеидных комплексов нижнего уровня сдерживалась лимитом строительных материалов, особенно полипептидов. В живых клетках полипептиды синтезируются матричным путем при участии рибосом, иРНК, тРНК, в состав которых, наряду с ферментами, входят цепочки РНК, имеющие несколько кольцеобразных участков вторичной структуры. Источником энергии служит АТФ. Пробионты не располагали ферментами, поэтому матричный синтез был невозможен. Но в них могла идти безматричная полимеризация полипептидов из аминокислот. Дело в том, что в их верхних слоях уже производились носители энергии: АТФ и др., а в нижних, защищенных от ультрафиолета, спонтанно появлялись различные РНК с вторичной структурой типа «Клеверный лист». Такие РНК включались в нуклеопротеидные комплексы, содержавшие полипептидные компоненты, субстратспецифичные к АТФ и к различным аминокислотам, присутствовавшим в водной среде. Эти комплексы направляли энергию, полученную от гидролиза АТФ, на формирование пептидных связей между аминокислотами. В результате происходил безматричный синтез полипептидов.
Появления безматричного синтеза полипептидов дало многослойным макромолекулярным структурам перспективу роста, за счет самообеспечения полипептидным сырьем. Отметим, что очередность аминокислот в синтезированных полипептидах не имела решающего значения. Ведь из них не формировались готовые ферменты с заданными свойствами. Свою субстратную специфичность они приобретали за счет переструктурирований, выступая в роли акцепторов энергии индуктивно-резонансных переносов.
На этом этапе затенение нижних слоев из помехи превратилось в обязательное условие устойчивости. У многослойных структур появилась специализация верхних и нижних каталитических комплексов. Схожие многослойные образования, реализующие переносы химической энергии, являются необходимыми компонентами всех живых клеток.
Как уже отмечалось, для роста нижних, защищенных от УФ-света участков пробиотических пленок, требовались РНК со сложной вторичной структурой типа «Клеверный лист», которые, в отличие от одиночных колец поли-НК, не могли формироваться при УФ-поглощениях и триплет-экситонных переносах. На третьем этапе абиогенеза их дефицит лимитировал сборку нуклеопротеидных комплексов, использующих энергию молекул-макроэргов. В таких условиях приток АТФ к нижним слоям становился не созидательной силой, а потенциальным источником разрушения.
В живых клетках цепочки РНК с заданной структурой синтезируются на матрицах ДНК при участии многих ферментов. Этот процесс называется «Транскрипция». Он начинается разделением двух цепей спирали ДНК. После чего одна цепь служит матрицей для синтеза РНК, а на другой воспроизводится комплиментарная ДНК, что позволяет повторно копировать ее информацию.
На этом этапе у пробионтов уже были предпосылки возникновения молекулярных систем транскрипции. Так, в многослойных структурах осуществлялось фотофосфорилирование, обеспечившие приток АТФ, ГТФ и других макроэргов, представляющих собой строительный материал для сборки новых цепочек РНК и ДНК. Спонтанно появлялись фрагменты двухцепочечных спиралей ДНК - будущие матрицы. Но поскольку не было ферментов, требовались другие факторы, управлявшие разделением двух цепей ДНК, синтезом РНК и воспроизводством спаренной ДНК.
Известно, что в живых клетках разделение двойной спирали ДНК, инициирующее транскрипцию, происходит при изменении основности (pH) водной среды. А молекулы ДНК и РНК образуются в средах с разным значением pH. Мы предположили, что и пробионтам для транскрипции требовался перепад pH в соседних участках их внутренней водной среды - так называемая компартментализация. Ее причиной был перенос протонов через каталитически активные пленки - протомембраны. Транскрипция начиналась при разделении двойной цепи ДНК в том компартменте пробионта, где повышалась pH. Одна одинарная цепь ДНК, проникая через протомембрану, попадала в соседний компартмент с низкой основностью, благоприятной для синтеза РНК. Она использовалась в качестве матрицы транскрипции. Вторая одинарная ДНК оставалась в компартменте с высокой основностью и служила матрицей для репликации ДНК, восстанавливающей двойную спираль ДНК, пригодную для повторных транскрипций (Рис. 3). Со временем, благодаря селекции двойных спиралей ДНК, совершенствовалось качество и количество цепочек РНК, синтезируемых в пробионтах. Возрастала согласованность всех каталитических процессов. Тот факт, что компартментализация внутренней среды возможна лишь при очень малых объемах компартментов, указывает на микроскопические размеры пробионтов третьего этапа абиогенеза. Интересно, что в клетках прокариотических организмов (бактерий), как и в пробионтах, имеются небольшие кольцевые молекулы ДНК, названные плазмидами, которые могут прикрепляться изнутри к клеточной мембране.
Репликация
ДНК
Рис. 3. Бесферментная транскрипция
Протомембраны, переносившие протоны в абиотических условиях, были устроены проще современных биомембран. Их детальное моделирование или искусственный синтез позволит уточнить строение так называемых протонных насосов, обеспечивающих трансмембранный перенос ионов.
Так как УФ-энергия поступала только днем, ночью метаустойчивые пробионты распадались, а каждое утро рождались заново. После третьего этапа их структурно -функциональная организация настолько усложнилась, что они не успевали полноценно восстанавливаться в течение светового дня. Это стало очередным эволюционным препятствием, преодолеть которое могли организмы, живущие круглосуточно, а значит обладающие ночным энергоснабжением.
У живых клеток есть ферментативные системы окислительного фосфорилирования, не зависящие от освещения. Они производят молекулы-макроэрги (АТФ и др.), используя химическую энергию, получаемую при частичном окислении различных органических соединений. Известно, что без ферментов, синтезированных матричным путем, они не работают и окислительное фосфорилирование невозможно. Следовательно, переход пробионтов к круглосуточной жизни зависел от появления матричного синтеза полипептидов, необходимого для формирования ферментов.
На третьем этапе абиогенеза у пробионтов уже сформировались безматричные молекулярные системы, синтезирующие полипептиды из аминокислот. Имелись системы транскрипции, копирующие РНК на матрицах ДНК. Для начала матричного синтеза полипептидов, не доставало лишь генетического кода. По сути, требовалась небольшая, но принципиально важная инновация - превращение уже имеющихся нуклеопротеидных комплексов, обладавших неспецифичным сродством с аминокислотами, в специализированные тРНК, у которых активные центры, наделены избирательным сродством к различным типам аминокислот.
Пробы избирательного связывания аминокислот при полимеризации полипептидов могли продолжаться миллионы лет без существенного влияния на эволюцию пробионтов. Но, как только таким путем были синтезированы первые ферменты, способные направлять энергию от окисления каких-либо органических соединений на фосфорилирование, т.е. на производство макроэргов типа АТФ, генетический код и матричный синтез приобрели селективную ценность. Пробионты получили круглосуточное энергоснабжение, превратились в живые организмы. Главным критерием отбора стало качество и количество синтезируемых полипептидов, их включение в различные биокаталитические процессы.
Можно предположить, что сначала синтезировался некий первый фермент, катализировавший окисление распространенного органического соединения, сопряженное с переносом неорганического фосфата на АДФ. Одно это позволило пробионтам не распадаться ночью. К тому времени, когда запасы данного органического сырья истощились, арсенал полипептидов, синтезируемых матричным путем, значительно вырос. Некоторые из них вошли в состав рибосом, иРНК и тРНК, благодаря чему возросла точность и эффективность биосинтеза необходимых полипептидов. Сформировались новые ферменты для систем окислительного фосфорилирования, удлиняющие их каталитические цепи. Это позволило живым организмам получать химическую энергию из многих органических соединений.
Первый генетический код был значительно проще современного. Он обеспечивал лишь грубое кодирование некоторых аминокислот, но и это сказалось на свойствах синтезированных полипептидов. Вероятно первичные рибосомы, начавшие матричный синтез полипептидов, представляли собой глобулы из нуклеопротеидных комплексов, в которых кодон-антикодоновое соответствие иРНК и тРНК контролировалось переносами энергии в их сопряженных участках. Возможно, такие же энергетические процессы присущи всем рибосомам и могут быть выявлены экспериментально.
Круглосуточное энергоснабжение дало старт гиперциклическим сетям каталитических реакций, благодаря которым усовершенствование одной из субсистем живой материи способствует модернизации других субсистем [5, с.17]. Гиперциклы обеспечили быстрое увеличение генетического материала, генерализацию матричных процессов, рост арсенала ферментов. Образовались системы ферментативного биосинтеза аминокислот, пигментов, полисахаридов... Появились цитоплазматические мембраны, полноценные рибосомы и т.д. Со временем живые клетки перешли от УФ-зависимого фотофосфорилирования к фотосинтезу в видимом диапазоне и заселили глубины водоемов, лишенные УФ-света, а после накопления атмосферного кислорода, поглощающего ультрафиолет, и сушу.
Итак, процесс зарождения жизни включал четыре взаимосвязанных этапа. На первом формировались молекулярные системы, преобразующие энергию УФ-излучения в химическую энергию, на втором и третьем усложнялась их структурно-функциональная организация, шла селекция компонентов, возрастал энергетический потенциал, а на четвертом образовались живые клетки, способные приспосабливаться к разным средам. У клеток появились механизмы реагирования на внешние стимулы, с помощью которых они изменяют метаболизм и управляют движением своих подвижных элементов. Для каждого этапа абиогенеза мы определили условия и движущие силы саморазвития. Это придаст целостность научным представлениям о строении живой материи, расширит горизонты практической биологии и медицины.
Литература
1. КаценбергМ.М. От молекул к клетке. - М.: Природа, 1990. 11 с.
2. Понамперума С.В. «Происхождение предбиологических систем» / Под ред. А.И.Опарина. - М.: Мир, 1966. 224 с.
3. Саган К.В. «Происхождение предбиологических систем» / Под ред. А.И.Опарина. - М.: Мир, 1966. 211с.
4. Сверхкороткие световые импульсы. Под ред. С. Шапиро. - М.: Просвещение, 1981. 462 с.
5. Эйген, М. Шустер, П. Гиперцикл. М.: Мир, 1982.
6. DNA fluorescence at room temperature exited by means of tye laser. -Chem.Phys.Lett, 1971. 270 с.
7. Intramolecular triplet-triple energy transfer: delayed fluorescence in poly-L-tyrosine and polyadenylic acid. «Photochem. Photobiol.» 1970. 207 с.
