Происхождение предбиологических систем - Опарин А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Совсем другая ситуация возникает в популяции размножающихся молекул или организмов. Если один из членов популяции претерпевает какое-либо изменение, вероятность которого мала, но которое ведет к.более высокой скорости воспроизведения, то такая форма выживает и в конце концов вся популяция замещается быстроразмножающимися формами. В большом количестве этих более приспособленных систем какое-либо другое изменение может обусловить еще более высокую скорость размножения. 1 моль вещества содержит 6-1023 молекул в объеме, не превышающем нескольких литров. В такой популяции размножающихся молекул вероятность мутаций составляет уже Ю-20, так что за какой-то период произойдет замена всей медленно размножающейся популяции. Если этот период не очень велик, то 100 замен такого рода приведут к возникновению структуры, вероятность которой по сравнению с исходной составит 10“2000.
Таким образом, модель предбиологической системы обязательно должна обладать способностью к самовоспроизведению и эволюции. Иными словами, мы должны описать систему, которая не только содержала бы информацию для самовоспроизведения, но и могла бы перенести ее на другую систему, где информация хранилась бы, изменялась и где производился бы отбор наиболее благоприятных признаков.
Человеческое воображение слишком бедно, чтобы представить себе такой сложный процесс, но, к счастью, изучение нуклеиновых кислот в живых организмах подсказывает нам, как это может происходить. Молекулы нуклеиновых кислот содержат генетическую информацию и могут передавать ее от одного поколения к другому. В клетках перенос информации связан с системой обмена веществ, обеспечивающей этот процесс энергией и пластическим материалом. Вирусы можно рассматривать как единицы переноса информации, лишенные обмена веществ. По-видимому, легче создать модель вирусной частицы, другими словами, модель
системы, способной к самовоспроизведению за счет энергии окружающей среды.
Информация для образования вируса хранится в ДНК (или РНК). Воспроизведение генетического материала осуществляется посредством матричного механизма, в котором матрица, состоящая из нуклеотидов, контролирует образование комплементарной цепочки нуклеотидов; новая цепочка в свою очередь служит матрицей для цепочки исходного строения. Простейшим условием для биологического размножения является наличие матрицы, способной направлять сборку нуклеотидов. Далее, необходим еще механизм разделения двух матриц, чтобы они могли начать вновь процесс воспроизведения. Но способна ли такая система функционировать без ферментов? Для того чтобы ответить на этот вопрос, следует прежде обсудить возможность неферментативного образования нуклеотидов из углеводов, азотистых оснований и фосфата и конденсации этих нуклеотидов в длинные цепи полинуклеотидов.
II. ОБРАЗОВАНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Биосинтез полинуклеотидов и многих других биологически важных макромолекул основан на серии реакций конденсации, осуществляющихся путем отрыва ОН-группы от одной молекулы и атома Н —-от другой. В общем виде такие процессы изображены в табл. 1.
Таблица 1
Конденсация Продукт
?!®*L ПоливликозиВ; R = С
щ 1 -1 Полинуклеотид; R = Р
1 0 н !
_ j Аминоацил-РНК ---*-
--- :0 Полипептиды
®OR-«- --- :NH Нуклеозиды
©OR-*- --- :SH Ацетил-КоА ---»- Жирные
кислоты
©OR --- :СН Полиизопрен
R"=Изопентенил
-фосфат, троарат или эфир пироарата
Гидроксильная группа одного компонента, таким образом, замещается фосфатом, пирофосфатом или пирофосфорным эфиром; при этом вокруг центрального атома понижается электронная плотность, что создает возможность нуклеофильной атаки. Затем активирующая группа отщепляется вместе с протоном атакующей молекулы. Первое фосфорилирование осуществляется производными полифосфата, главным образом аденозинтрифосфатом. Активирующая группа не должна иметь отрицательного заряда вблизи центрального атома, иначе она будет отталкивать электроны. В клетках отрицательный заряд фосфорильной или пирофосфориль ной групп, вероятно, нейтрализуется конденсирующими ферментами.
В нашей лаборатории было обнаружено, что многие биологические процессы конденсации могут быть воспроизведены при использовании обычного метафосфорного эфира (МФЭ). С помощью этого соединения нам удалось синтезировать полипептиды из пептидов и аминокислот [10], полигликозиды из простых сахаров, нуклеозиды из сахаров и оснований и, наконец, получить полинуклеотиды из нуклеотидов [11].
Процесс образования нуклеиновых кислот из углеводов и гетероциклических оснований идет в три этапа: 1) конденсация сахаров и оснований с образованием нуклеозидов; 2) присоединение к нуклеозидам фосфорной кислоты и образование нуклеотидов; 3) полимеризация нуклеотидов и возникновение длинноцепочечных структур. Все три этапа синтеза можно осуществить с помощью МФЭ.
