Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
2.1. Концепции биогенеза и проблема происхождения надмолекулярных биоструктур
В соответствии с данным нами выше определением, одной из принципиальных особенностей надмолекулярных биоструктур является их упорядоченность. Если вопрос о моделировании этапа возникновения неупорядоченных полимеров так или иначе поддается экспериментальной разработке [4, 6, 8, 20], то проблема возникновения упорядоченности в процессе предбиологи-ческой эволюции все еще остается открытой. Важное значение придавал этой проблеме А. И. Опарин [8}. Дж. Бернал полагал, «что вопрос о развитии упорядоченности структуры первых полимеров — нуклеиновых кислот и белков является одной из ключевых проблем биопоэза, а может быть и вообще главной проблемой» [2];. Этот процесс, по его мнению, мог осуществляться двумя путями: либо сначала образуются случайные последовательности, а затем среди них происходит отбор на ре-
гулярность каких-то участков, либо сложные последовательности возникают в результате соединения более простых, причем последние могут несколько видоизменяться. Первой точки зрения придерживался А. И. Опарин [8], сам Бернал считает более вероятным второй путь. Однако в целом в работах [2, 8J не дается четкого ответа на вопрос, на какой стадии эволюции и каким образом возникла эта упорядоченность. При этом, часто упоминая об отборе макромолекул, авторы ничего не говорят о тех механизмах и критериях, на основе которых он должен осуществляться.
В литературе имеются многочисленные попытки экспериментального моделирования предбиологической эволюции, которые прямо или косвенно могут ответить на интересующие нас вопросы. В частности, одним из развитых направлений такого моделирования является термальный синтез полимеров из смесей аминокислот [20, 24}. Образующиеся при этом структуры, протеиноиды, легко формируют микросферы, обладающие рядом свойств, имитирующих биосистемы. В частности, они характеризуются набором заметных каталитических активностей и имеют неслучайный характер распределения в них аминокислот. При этом авторы полагают, что именно белки, а не нуклеиновые кислоты, были первичными биомакромолекулами, поскольку для синтеза последних требуются катализаторы белковой природы. Отметим, что в связи с открытием РНК, обладающей каталитическими свойствами [25], высказываются гипотезы о возможной роли такой РНК в возникновении самореплицирую-щихся предбиологических систем [26, 29]. Однако, как показывают опыты по моделированию абиотического синтеза нуклеиновых кислот, вероятность их спонтанного возникновения значительно меньше, чем белков [4, 6, 20].
Другой группой подходов, суммированных в монографии [6],. является использование методов дегидратационной конденсации мономеров для обоснования идеи биохимического предопределения биологической упорядоченности. Согласно Кеньону и Стейнману [6], самим молекулам, вступающим во взаимодействие между собой, присуши свойства, предопределяющие окончательную природу образующегося полимера. В частности, при синтезе дипептидов из пар аминокислот авторы получили распределение выходов дипептидов, пропорциональное встречаемости этих пар в реальных белках, что указывает на влияние структуры аминокислот на их реакционную способность. Близкие идеи высказываются в работе [4] на основе явления автокатализа.
Имеются также попытки вывести возникновение упорядоченности структур с использованием естественных матриц — органических (например, катализаторов меланинового и меланоиди-нового типа [19]) и неорганических, на основе кристаллических минералов [2, 7, 23, 27, 28].
В работе [18] дается критика упомянутых выше подходов. В частности, для термального синтеза необходимо сделать предположение о высоких локальных концентрациях аминокислот и узком температурном интервале, благоприятном для •синтеза, но не разложения, протеиноидов. Реагенты, обеспечивающие процесс дегидратационной конденсации, не могут обусловить образование лишь ограниченного числа специфичных полимеров, а сами синтезы, как правило, должны проводиться в неводной среде, существование которой в предбиологических условиях маловероятно. Для синтеза полипептидов на неорганических матрицах необходима предварительная активация аминокислот. Абиогенное образование таких активированных соединений не было показано. Все вновь синтезированные полимеры будут находиться в равновесии с мономерами в процессе их гидролиза в водной среде. К этому можно добавить, что во всех рассмотренных подходах нет четких критериев, по которым мог «осуществляться отбор сформировавшихся полимеров, обеспечивающий повышение их упорядоченности в процессе эволюции.
Довольно привлекательной в настоящее время является низкотемпературная концепция происхождения жизни [18]. Во всех экспериментах, основанных на этой модели, из метана, аммиака и воды, минуя стадию мономеров, образовывались соединения полипептидного типа с высоким выходом аминокислот при последующем их гидролизе (более 30%), а также свободные и связанные порфирины, полисахариды и вещества липидной природы. Характерно, что в этих условиях могли образовываться лишь азотистые основания, но не нуклеиновые кислоты. Важная роль в происхождении упорядоченности, как и в работах других авторов [2, 4, 8], придается в этой модели процессам самосборки и возникновению структур типа мембран. Однако и данная модель не дает ответа на вопрос о критериях отбора макромолекул, обеспечивающих их совершенствование п возрастание упорядоченности.
