Биологический каталог




Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Автор М.Эйген

(включая некооперативные пары). Вероятность того, что в фиксированной структуре с п возможными парами окажется k и только k пар, можно рассчитать по формуле биномиального распределения

Среди всех фиксированных структур шпилька (имеющая только одну петлю) содероюит максимальное число оснований, которые могут спариваться. Однако клеверный лист — структура более гибкая в том смысле, что он дает возможность испытать гораздо больше комбинаций, чем шпилька; это обусловлено тем, что отдельные листки можно сдвигать независимо от других, и мы с самого начала располагаем гораздо большим числом комбинаций. Это обстоятельство оказывается решающим. Вместе с тем при этом не может

Продолжение табл. 4

получиться слишком большое число листков, поскольку существует правило кооперативности. Для 80 нуклеотидов оптимум составляют 3—4 листка (+1 стебель). Для более длинных цепей он сдвигается к большим значениям.

Природа, видимо, играет в эту игру с давних времен.' Необходимо отметить, что данное выше правило кооперативности соответствует константам стабильности, которые мы нашли для различных комбинаций оснований- в олигонуклеотидах (см. гл. IV): для ГЦ-пары свободная энергия взаимодействия примерно вдвое больше, чем для АУ-пары.

Детали этой игры были разработаны Р. Винклером [51]. Количественные расчеты наиболее выгодных вторичных структур поли-нуклеотидных цепей были опубликованы ранее Дж. Фреско, Б. Ол-бертсом и П. Доти [52].

Главная цель этой работы — ввести в молекулярную динамику понятие «отбора» и связать его с уже известными нам молекулярными параметрами. Я сделал упор на относительно тривиальных примерах игр для того, чтобы показать, что правила отбора могут быть основаны на химических свойствах. Остается еще выяснить, как система могла бы использовать такие структурные преимущества и как из динамического поведения системы может следовать механизм оценивания.

1.2.4. Отбор происходит при наличии особых веществ и некоторых особых условий. Какими свойствами должна обладать материя, чтобы могла начаться самоорганизация'?

Логически следует выделить несколько фаз эволюции, которые не вполне разделены во времени:

1) добиологическая «химическая» фаза;

2) фаза самоорганизации, приводящая к появлению реплицирующихся «индивидуумов»;

3) эволюция отдельных видов.

Долгое время биологи имели дело главным образом с третьей фазой, которая сама по себе состоит из многих стадий: от дифференциации и возникновения пола через появление нервных клеток, автономного регулирования и способов связи до самосознания и способности к логическому мышлению, которые представляют собой уникальные свойства человеческого разума, Я не хотел бы, чтобы у читателя создалось впечатление, что переходы между всеми этими стадиями менее важны и менее ярко выражены, чем переходы между тремя стадиями, названными выше. Однако моя книга относится только ко второй фазе, к переходу от «неживого» к «живому». Как указывает Ф. Крик [32] в своем прекрасно написанном эссе «О молекулах и людях»: «общеизвестно, как трудно определить понятие живого», потому что переход между живым и неживым не резкий. Таким образом, обращаясь к этому «этапу», мы должны начать с систем, которые за-ведомо не являются «живыми» (например, минералы), а кончить такими, из которых по крайней мере в результате развития может получиться то, что мы определенно называем «живым»: бактериальные клетки, растения, животные.

Самоорганизация зависит от определенных химических предпосылок, а также от специальных условий среды. Это не «просто» свойство материи. Предбиоло-гическая фаза—это химия и. как таковая «в принципе» описывается квантовой механикой. Необходимо, конечно, показать, что условия на первобытной Земле благоприятствовали образованию нужных веществ. Другая проблема состоит в том, что в отсутствие какой бы то ни было функциональной упорядоченности возникнет гораздо большее разнообразие, чем требуется в действительности. Сложность того, чему химия может дать объяснение, огромна, загляните только в «Бейльштей-на»! Все, что может возникнуть в определенных условиях, непременно возникнет; первая фаза эволюции — это фаза дивергенции, и только посредством функциональной организации она может превратиться в фазу конвергентного воспроизведения и «оцененной» эволюции.

Детальное обсуждение проблем предбиологической «химической» эволюции выходит за рамки этой работы. Этим проблемам посвящена обширная литература, и существуют прекрасные обзоры, например монография А. И. Опарина [33] — одного из первых исследователей этой области, книга М. Кальвина [34], статьи С. Фокса [35], Поннамперумы [36] и других. Две недавние статьи Ф. Крика [38] и Л. Оргела [39] заслуживают особого упоминания, потому что в них дан критический обзор — в свете экспериментальных результатов — условий возникновения второй фазы, рассмотрение которой является главной целью этой книги. Все авторы приходят к одному выводу, что основные строительные блоки биологических макромолекул — аминокислоты и высокоэнергетические фосфаты нуклеозидов (АТФ и его гомологи), а также многие другие «биохимические» соединения— могли образоваться, где это необходимо, и полимеризоваться в абиогенных условиях, например в восстановительной атмосфере и при наличии различных источников энергии. Говоря это, я не хочу создать впечатление, что все проблемы, касающиеся этой фазы эволюции, уже решены. Остаются многие вопросы, например, как возникла упорядоченная полимеризация, ведущая к образованию З'.э'-полинуклеотидов (эксперименты Г. Шрамма [40] и Л. Оргела [41] показали преобладание связей другого типа, например 2',5'-), или при каких условиях активированные аминокислоты будут полимеризоваться с образованием длинных полипептидных цепей, а не коротких олнгомеров—эта проблема, вероятно, состоит в выборе подходящих каталитических условий (например, гетерогенного катализа), на что указывают недавние эксперименты А. Качальского и его группы [42]. Другая проблема — наличие достаточных количеств различных предшественников, необходимых для синтеза биологически активного материала. Решение этих проблем задаст работу еще целому поколению химиков, но это типично «химические» проблемы.

Сейчас для наших целей можно ограничиться предположением, . что вещества типа высокоэнергетических фосфатов, активированных аминокислот и т. д., имелись в наличии и могли объединяться в макромолекулы, обладающие простыми каталитическими функциями, либо вследствие кооперативного действия определенных кислотных и основных групп, локализованных на боковых цепях аминокислот, либо вследствие усиления простых электронодонорных и электроноакцепторных свойств кофакторов, таких, как ионы металлов в различных валентных состояниях, либо (в случае нуклеиновых кислот) вследствие того, что они вели себя как простые матрицы.

Мы покажем, что наличие каталитических функций в сочетании с различными механизмами обратной связи, придающее системе способность к автокаталитическому росту, является одной1 из решающих предпосылок самоорганизации (см. гл. II).

Согласно классическому определению, катализатор увеличивает скорость прихода к равновесию, не сдвигая самого равновесия. Правда, известно, что большинство катализаторов влияет также на равновесие субстратов вследствие того, что свободная энергия их взаимодействия с субстратами не равна нулю. Однако при наличии истинного каталитического эффекта скорости прямой и обратной реакций изменяются в совершенно равной степени. Вследствие этого «автокаталитический рост» не может происходить в системе, которая находится в равновесии или вблизи равновесия. Это приводит к нашему второму вопросу: в каких условиях среды может происходить самоорганизация?

Фундаментальный ответ был дан Э. Шредингером [26], который писал: «Живая материя избегает прихода к равновесию». Равновесие (в изолированной системе) — это состояние с максимальной энтропией. Если мы удерживаем систему вдали от равновесия, мы должны постоянно компенсировать рост энтропии, т. е. «питать» систему свободной энергией' или веществом, богатым энергией. Эта энергия используется для поддержания определенных реакций, которые не дают системе прийти в инертное или «мертвое» состояние равновесия. Справедливость этого утверждения очевидна, и заслуга Шредингера состоит в том, что он сформулировал его так ясно. Однако он понимал также недостаточность этого тезиса для объяснения того, «каким образом» упорядоченность поддерживается (другой) упорядоченностью и «каким образом» она сама возникла из неупорядоченности. Трудность возникает в связи с тем, что недостаточно разделить мир живого только на «упорядоченность» и «неупорядоченность».

Расширим еще немного рассмотрение термодинамического аспекта; так или иначе это понадобится для теории отбора, чтобы стоять с самого начала на твердой цочве. Термодинамическая теория необратимых процессов была развита И. Мейкснером [43], И. Пригожи-ным [44], С. де Гроотом [45] и другими. Она основана на соотношениях взаимности Онзагера [46], которые выражают микроскопическую обратимость, и, следовательно, применялись только вблизи от равновесия. Впоследствии П. Глансдорф и И. Пригожий [47] распространили эту теорию на системы, находящиеся вблизи стационарного состояния. Для нашего рассмотрения важна не столько сама энтропия, сколько ее производная по времени dS/dt, которая состоит из двух величин: потоков, направленных из внешней среды и во внеш> нюю среду, т. е. deS/dt, и производства энтропии внутри системы, т. е. diSjdt\ последнюю величину мы обозначим о. Для макроскопических систем (к которым применима формула Гиббса) о можно выразить в виде суммы членов, каждый из которых является произведением потока J г и обобщенной силы Х{ (для неоднородных систем а необходимо проинтегрировать по всему объему, но для простоты мы не будем здесь рассматривать такие системы). Сущность теории для систем, находящихся вблизи от равновесия (где выполняются линейные соотношения между потоками и силами), выражается тогда соотношением

= 2 / А > о,

(1.5)

т. е. энтропия всегд

страница 5
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Скачать книгу "Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул" (2.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Химический каталог

Copyright © 2009
(22.03.2016)