Биологический каталог




Жизнь, ее природа, происхождение и развитие

Автор А.И.Опарин

фичен для соответствующего звена цепи. Еще в большей степени значение этой специфичности выступает при разветвлении цепей. В этом случае уже приходится принимать во внимание не только обязательность наличия всех катализаторов (ферментов), специфических для каждого звена цепи, но и соотношение их каталитической активности. Любое промежуточное соединение, находящееся в пункте разветвления цепи, практически следует не по одному, а по крайней мере, по двум различным путям, из которых каждый определяется своим специфическим ферментом, относительной величиной его каталитической активности.

Когда число звеньев в цепи обмена было невелико, порядок его мог регулироваться такими относительно мало совершенными катализаторами, как коферменты. Усложнение системы обмена стало возможным только при возникновении очень мощных и строго специфичных катализаторов — ферментов.

Вместе с тем формирование самих коферментов могло осуществляться на чисто кинетических основах в результате согласования скоростей относительно небольшого числа реакций. Напротив, синтез ферментов потребовал гораздо более сложных механизмов, определяющих не только формирование молекулярных группировок, входящих в активный центр, но и строго закономерного построения всей белковой молекулы (или, по крайней мере, ее значительной части) как в отношении точной последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, так и пространственной упаковки этой цепи в белковой глобуле. Хотя большое число современных данных и говорит о том, что каталитическая активность и специфичность действия ферментов в первую очередь определяются активным центром, представляющим собой только очень небольшую часть белковой молекулы, мы все же знаем, что и остальной структуре полипептидной цепи также принадлежит очень важная роль. Ее нужно рассматривать как некий каркас, назначение которого сводится к созданию соответствующего расположения в пространстве группировок, определяющих каталитическую активность и специфичность.

В противоположность этому расположение аминокислотных остатков в первично возникших белковоподобных полимерах могло иметь только случайный, беспорядочный характер. Эти полимеры вполне могли служить материалом для образования коацерватных капель и входить в состав разраставшихся протобионтов, но они или совсем были лишены каталитической активности, или являлись очень плохими катализаторами.

Конечно, в процессе непрерывно совершавшейся в динамически устойчивых каплях или протобионтах полимеризации поступавших в них из внешней среды аминокислот могли образовываться и такие отдельные сочетания аминокислотных остатков, которым в некоторой степени была присуща полезная для системы каталитическая активность. Однако это возникновение более совершенного в указанном отношении полипептида создавало преимущество для породившего его протобионта только в том случае, если и при дальнейшем разрастании этого протобионта синтез в нем полипептидов все время приводил к неизменному выгодному в каталитическом отношении сочетанию аминокислотных остатков. При обычной «беспорядочности» полимеризации поступавших в протобионт из внешней среды аминокислот указанное преимущество быстро терялось, нивелировалось в разраставшемся протобионте.

Таким образом, для дальнейшей прогрессивной эволюции протобионтов очень важным являлось создание такой организации, которая позволяла бы осуществлять синтез полипептидов, уже наделенных некоторым более или монее постоянным расположением аминокислотных остатков, и закрепляла бы постоянство внутримолекулярной структуры во вновь синтезировавпгихся полипептидах. Такая организация уже не могла целиком базироваться только на кинетических основаниях, на постоянстве последовательности реакций в цепи обмена и потребовала возникновения принципиально новых пространственных («матричных») механизмов. Исключительно важная роль в этом отношении выпала на долю полинуклеотидов.

Как указывалось выше, в первичном «питательном бульоне» Земли был возможен только «беспорядочный» синтез полинуклео-

3,ЬА

Рис. 12. Структурная модель молекулы ДНК (по Уотеону и Крику)

тидов, наделенных случайным расположением мононуклеотидных остатков в их молекулярной цепи. Но как только эта цепь достигала известной величины, так сейчас же даже «беспорядочно» построенные полинуклеотиды, обладавшие известной степенью полимеризации, вступали во взаимодействие с полипептидами и другими полимерами «питательного бульона» и совместно с ними выделялись из общего раствора в форме коацерватных капель, как это было продемонстрировано нами выше на модельных опытах.

Полинуклеотиды отличаются, однако, от других полимеров следующей замечательной особенностью. Уже более 10 лет тому назад Дж. Уотсон и Ф. Крик, исходя из ряда стерических и химических соображений, показали, что две полинуклеотидные цепочки могут сочетаться между собой в двойную спираль только комплементарно (рис. 12), т. е. так, что то или иное пуриновое или пири-мидиновое основание одной цепочки соединяется водородными связями только с иным, с определенным, но не идентичным ему основанием другой цепочки (например, аденин соединяется с ти-мином или уридином, а гуанин всегда с цитозином) (рис. 13). Это положение было подтверждено экспериментально вначале на простых синтетических полинуклеотидах, целиком составленных только из одинаковых мононуклеотидных остатков. Так, например, было показано, что полиуридиловая кислота комплементарна Полину клеотидной цепочке, не содержащей в себе никаких других оснований кроме аденина (полиадениловой кислоте). В дальнейшем на примере как естественных нуклеиновых кислот (ДНК), так и искусственных полинуклеотидов, построенных из всех четырех оснований, была выяснена та роль, которую комплементар-ность полинуклеотидных цепей играет в их синтезе, когда последовательность оснований в одной такой цепи определяет собой их последовательность и в другой.

Согласно Г. Шрамму, это явление имеет место и при абиогенном, неферментативном синтезе полинуклеотидов. Так, например, в его опытах при поликонденсации уридинмонофосфата синтез

уридиловой кислоты шел во много раз скорее в присутствии комплементарной ей полиадениловой кислоты и, наоборот, образование уридиловой кислоты ускоряло синтез полиадениловой цепочки.

В простом водном растворе «первичного бульона» такого рода ускоренное образование одного какого-либо определенного полимера могло вызвать только его постоянное накопление в виде своеобразных органических залежей. Даже в том случае, если при этих синтезах происходили какие-либо случайные изменения, например, включения в первоначально однородную цепочку других мо-нонуклеотидов, эти, так сказать, «мутации» не могли играть какую-либо роль в дальнейшей эволюции органической материи. То обстоятельство, что в полиадениловой цепочке один или несколько остатков аденина заменились на другие основания, не давало этой цепочке никаких преимуществ по сравнению с прежними неизменными цепочками в их дальнейшем «размножении». Поэтому в условиях простого водного раствора не могло происходить никакого отбора отдельных полинуклеотидных молекул.

Совершенно иные отношения создавались при включении этих молекул в целостные системы, содержащие в себе другие полимеры, в частности белковоподобные полипептиды, как это имело место при образовании в «первичном бульоне» коацерватных капель.

В этом случае та или иная последовательность мононуклеоти-дов в полинуклеотидной цепи могла влиять на сочетание амино-

S-PHK

Амино-кис/ioma

кислотных активных групп в образовавшихся в системе полипептидах, а это сочетание оказывало свое действие на организацию примитивного обмена всей данной системы в целом. Если возникавшие таким путем изменения обмена были выгодны в смысле сохранения и роста целостной системы, они сохранялись естественным отбором и закреплялись в данной разрастающейся системе па основе репликаций образующихся полинуклеотидов. В противном случае они исключались из последующей эволюции протобионтов в результате гибели породившей эти изменения системы. Таким образом, собственно отбору подвергалась не сама полинуклеотнд-ная цепь как таковая, а целостная система, в которой она создала известное изменение обмена.

Благодаря тем успехам, которые достигнуты биохимией за последние годы, мы знаем, что в современных организмах синтез белков, наделенных определенной последовательностью аминокислотных остатков в их полипептидной цепи и, в частности, синтез ферментов, осуществляется чрезвычайно сложным и совершенным предсуществующим в любой клетке механизмом, упрощенную схему которого мы даем на рис. 14.

Этот механизм включает в себя около 20 различных специфических ферментов — активаторов аминокислот, приблизительно 20 различных специфических типов растворимой рибонуклеиновой кислоты с низким молекулярным весом (sPHK) (так называемую транспортную РНК) и известного рода матрицу, определяющую последовательность нанизывания аминокислот в белковой цепи. Этими матрицами, по-видимому, служат крупные молекулы информационной тРНК, осуществляющие свою функцию на специфических субклеточных частицах — рибосомах (рис. 15). Сами молекулы тРНК синтезируются в клеточных ядрах под контролем ДНК. Последняя выполняет две функции: во-первых, она обеспечивает воспроизведение самой себя путем репликации при делении клеток, сохраняя во вновь образующихся молекулах присущее исходной молекуле расположение мононуклеотидов в цепи; во-вторых, ДНК обладает способностью строить комплементарные цепи тРНК в соответствии со своей структурой и через нее определять порядок расположения аминокислот при синтезе белка. Кроме названных веществ и химических механизмов, вероятно, требуется еще определенный набор ферментов для синтеза пептидной связи, для снятия готовой молекулы белка с рибосомальной матрицы, а также для реактивации sPHK. Кроме того, на соответствующих этапах синтеза в систему должна поставляться энергия в форме аде-нозинтрифосфорной кислоты (АТФ), синтезируемой в митохондриях.

Процесс синтеза белков, вероятно, протекает следующим образом. Сначала аминокислота, активируясь посредством реакции с АТФ, образует аминоациладенилат. Для осуществления этой стадии необходимо присутствие фермента и, по-видимому, для разных аминокислот требуются различные ферменты. Аминоациладенилат, который, очевидно, остается прикрепленным к активирующему ферменту, затем переносится на sPHK. Далее каждая частица, педставляющая собой комплекс sPHK и активированной аминокислоты, связывается со специфическим местом на матричной тРНК рибосомы. Таким образом, аминокислоты собираются в полипептидную цепь в определенном порядке, зависящем от расположения мононуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи тРНК. При этом, в принципе, той или иной аминокислоте (или точнее ее комплексу с sPHK) соответствует определенный моно-нуклеотидный триплет в цепи тРНК, так, например, аспарагино-вой кислоте — гуанин, урацил, аденин (ГУА), аланину — цитозин цитозин, гуанин (ЦЦГ), фенилаланину — урацил, урацил, урацил (УУУ) и т. д.

Совершенно ясно, что такого рода исключительно сложный и совершенный белоксинтезирующий аппарат современных организмов мог сформироваться только в результате очень длительной эволюции предшествовавших систем, устойчивость которых первоначально носила в основном динамический характер и зависела от согласованности совершавшихся в них реакций обмена и взаимодействия с внешней средой. Возникновение пространственных «молекулярно-матричных» аппаратов явилось дополнительной надстройкой, поднявшей эту более древнюю форму организации на новую небывалую высоту совершенства согласованности химических процессов и точности самовоспроизведения системы, но в принципе сохранившей прежний динамический характер устойчивости формирующихся таким образом живых существ.

Б. Коммопер справедливо предостерегает от слишком большого увлечения матричной концепцией самовоспроизводящейся ДНК, указывая, что в отношении биологических систем это неизбежно ведет к преформизму. Даже для современных организмов нельзя всю специфику белкового синтеза целиком сводить только к пространственной организации макромолекул, к матричному копированию. Важную роль в этом процессе играют и кинетические свойства реагирующих систем, а не только структура исходных молекул. Тем более это справедливо для предшествовавших появлению жизни систем. Поэтому возникновение строго упорядоченных по-линуклеотидных цепей, пространственных матриц для белкового синтеза являлось отнюдь не начальной исходной точкой предбио-логической эволюции, а ее завершающим высшим этапом.

Очень интересный эскиз такого рода эволюции дал в недавнее время А. Рич в своей посвященной этому вопросу сводной статье. Однако Рич мыслит себе эту эволюцию происходившей целиком лишь на молекулярном уровне, как процесс постепенного усложнения и упорядочивания внутримолекулярной структуры полинуклеотидов и полипептидов на основе их естественного отбора просто в растворе вне каких-либо целостных систем.

Нам в противоположность этому представляется, что, во-первых, взаимодействие даже неупорядоченных по своей структуре полипептидов и полинуклеотидов «первичного бульона» прежде всего должно было обязательно привести к формированию многомолекулярных индивидуальных систем (коацерватов и протобионтов), и, во-вторых, естественному отбору подвергались не отдельные молекулярные структуры, а именно эти индивидуальные динамические системы по признаку соответствия их примитивного метаболизма задаче сохранения и разрастания системы в данных условиях внешней среды.

Исходя из всего изложенного можно было бы (конечно, пока еще очень гипотетически) наметить некоторые последовательные этапы предбиологической эволюции белоксинтезирующего аппарата. На первом этапе этой эволюции растворенные в «первичном бульоне» нуклеотидные мономеры собирались в беспорядочно построенные цепи полинуклеотидов вне зависимости от какого-либо каталитического действия белковоподобных веществ чисто абиогенным путем. Рич, используя результаты опытов А. Корнберга по синтезу АТ-сополимеров в отсутствие затравки и данные по выделению такого рода полимеров из некоторых организмов, высказывает очень интересное предположение, что строение первичных полинуклеотидов могло бы быть гораздо более монотонным, чем в современных нуклеиновых кислотах. Так, например, первичные полинуклеотиды могли бы содержать лишь 2 комплементарных основания — аденин и тимин, которые сравнительно легко получаются в абиогенных условиях. Аналогично этому также более монотонными могли бы быть и беспорядочно построенные полипептиды, которые синтезировались в «первичном бульоне» абиогенным путём одновременно с полинуклеотидами, но совершенно независимо от них. Это, в частности, могло быть обусловлено и тем, что не все 20 аминокислот современной белковой молекулы обязательно должны были образоваться абиогенным путем под влиянием ультрафиолетового света или электрических разрядов атмосферы.

Однако, как показали приведенные выше опыты нашей лаборатории, молекулы даже такого рода очень примитивных, монотонно и беспорядочно построенных полимеров аминокислот и мояо-нуклеогидов при их одновременном синтезе в общем растворе, достигнув определенной величины, обязательно объединялись в многомолекулярные рои и выделялись из раствора в форме коацерватных капель. Образование этих систем весьма способствовало ускорению полимеризации, но и внутри капель эта полимеризация примитивных пептидов и нуклеотидов могла идти совершенно независимо одна от другой. Вначале ей способствовали, а потом и целиком ее определяли возникавшие в каплях и протобионтах сопряженные энергетические реакции. Скорость всех происходивших в системе реакций зависела от поступления в нее примитивных катализаторов и коферментов, тогда как аминокислотные полимеры могли играть лишь незначительную и случайную роль. Также невелика была и роль явления репликации примитивных полинуклеотидов.

На втором этапе начало выявляться значение взаимодействия постепенно усложнявшихся молекул различных полимеров. Даже в современных организмах можно обнаружить синтез полипептидов и специализированных белков, имеющих сравнительно очень простую химическую структуру вне рибосомально-матричного аппарата, но с обязательным участием нуклеозидфосфатов.

Так, например, в некоторых микроорганизмах установлен синтез полипептидов, идущий по схеме: нуклеозидтрифосфат + аминокислоты-*- нуклеозиддифосфат + пептид + ортофосфат, при этом для каждого из 4 нуклеотидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ) существует определенная группа аминокислот, которые он может активировать. Таким образом, структура полипептида в известной мере определяется природой участвующего в реакции нук-леозидтрифосфата.

Если в системе, подобной нашему протобионту, участвующий в образовании полимера нуклеотид содержит в своем составе рибо-зу, то 3'- и б'-гидроксильные группы используются в процессе полимеризации, однако третья группа, находящаяся в положении 2', остается свободной, и она через эфирную связь может присоединить к себе соответствующую данному нуклеотиду аминокислоту. «Можно предположить,— пишет Рич,— что именно на этой стадии начинает создаваться система, в которой полимеризация молекулы нуклеиновой кислоты оказывается связанной со «сборкой» определенной последовательности аминокислот. После того как благодаря присоединению к соседним нуклеотидам аминокислоты оказались собранными в линейную последовательность, может произойти их полимеризация». Таким образом, легко понять, как последовательность мономеров в полинуклеотиде могла до известной степени определять собой некоторый порядок расположения аминокислотных остатков в синтезировавшемся полипептиде.

Однако именно здесь и начинаются основные трудности для гипотезы, рассматривающей все явление на молекулярном уровне. В этом случае необходимо, чтобы синтезировавшийся указанным путем полипептид в свою очередь влиял на синтез полинуклеотидов, был специфическим катализатором этого процесса. Только при этом он имел бы известные преимущества с точки зрения пред-биологического отбора. В современных организмах это действительно имеет место, но в условиях простого раствора «первичного бульона» такого рода соответствие крайне невероятно, представляет собой какой-то исключительный «счастливый случай». Совершенно иные отношения создаются, если мы будем рассматривать все явления в целостной динамической системе, в разраставшемся и размножавшемся протобионте. В этом случае возникавшая под влиянием полинуклеотида комбинация аминокислотных остатков могла непосредственно и не влиять на полимеризацию нуклеоти-дов, но она катализировала те или иные реакции, протекавшие в данном протобионте наподобие поступивших в него или синтезировавшихся в нем коферментов. Если ускорение данной реакции в сочетании с другими происходившими в протобионте процессами было выгодно для его существования, протобионт получал преимущество перед другими аналогичными системами в скорости своего роста и размножения. В противоположном случае, если возникавший аминокислотный порядок был лишен полезной для протобион-та каталитической активности или эта активность уменьшала динамическую устойчивость системы, данная комбинация аминокислот исчезала под действием естественного отбора вместе с породившей ее системой.

Таким образом, отбору собственно подвергались не те или иные способные к репликации полинуклеотиды и даже не возникавшие под их влиянием уже наделенные некоторой последовательностью аминокислотных остатков полипептиды, а целостные системы — протобионты, с примитивным, но более или менее совершенным обменом веществ, соответствующим или не соответствующим данным условиям существования. Роль полинуклеотидов в этом случае состояла в том, что они пространственно закрепляли постоянство синтеза каталитически выгодных аминокислотных комбинаций в разраставшихся и размножавшихся протобионтах, служили стабилизирующим фактором в процессе их эволюции.

На этой основе происходило одновременно совершавшееся постепенное усложнение и усовершенствование как полинуклеотидов, так и полипептидов,— удлинение их цепей, увеличение разнообразия включенных в эти цепи звеньев и установление определенного строгого порядка расположения этих звеньев в полимерных цепях.

Молекулы белковоподобных полимеров, а также управляющих их синтезом полинуклеотидов становились все более упорядоченными, все более приспособленными к тем функциям, которые они несли в эволюционирующих предбиологических и биологических системах. Это положило начало возникновению ферментов, приспособленность которых к их каталитическим функциям все время совершенствовалась в процессе эволюции. Вместе с тем эволюционировали и полинуклеотиды, сложные функции которых в дальнейшем подверглись глубокой дифференциации в процессе, представлявшем собой уже третий завершающий этап совершенствования белоксинтезирующего аппарата.

В современных организмах мы имеем два вида нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, функции которых глубоко различны, несмотря на большое химическое сходство их молекул. ДНК функционально специализировалась на цикле молекулярной репликации. В связи с отсутствием гидроксильной группы у второго углеродного атома в дезоксирибозе ДНК не способна присоединить к себе аминокислоты и поэтому не участвует непосредственно в синтезе белка. Но, являясь метаболически сравнительно инертной, она обеспечивает относительно высокое постоянство воспроизведения самой себя и передачу путем репликации содержащейся в ее поли-нуклеотидной цепи генетической информации рибонуклеиновым кислотам. Функция последних непосредственно связана с синтезом белков, с установлением строго определенного порядка расположения аминокислотных остатков в их молекулах.

Однако нужно отметить, что эта функциональная специализация РНК не является абсолютной. В принципе и РНК может нести генетическую информацию, что имеет место, например, в случае РНК-содержащих вирусов.

Поэтому есть основание предполагать, что начальные формы нуклеиновых кислот представляли собой РНК-подобные полимеры, способные осуществлять как хранение и передачу наследственной информации, так и организацию последовательности аминокислот при синтезе белков. Однако разделение этих функций между двумя нуклеиновыми кислотами, из которых одна менее метаболити-чески активная специализировалась на самовоспроизведении, а другая — на непосредственном участии в синтезе белка, явилось весьма прогрессивным шагом в процессе эволюции и поэтому было закреплено естественным отбором.

Понятно, что современные белоксинтезирующие системы и возникающие в результате их действия ферментные белки являются уже конечным результатом сложной конкуренции между многими различными системами, начавшейся еще на очень ранней стадии возникновения жизни. Нужно, в частности, ясно себе представить, что между исходными мало каталитически активными полипептидами и исключительно совершенно построенными современными ферментами в процессе эволюции протобионтов было испробовано и отвергнуто не меньше, а может быть, значительно больше вариантов организации, чем, например, между плавниками акулы и человеческой рукой. Подавляющее число возникавших в процессе эволюции каталитических вариантов уничтожено естественным отбором. Поэтому из современных организмов мы сейчас извлекаем только очень совершенные по своему строению ферменты, хотя при более внимательном изучении вопроса и сейчас можно подметить некоторую эволюцию этих катализаторов.

Еще в большой мере это относится к эволюционному развитию сочетания отдельных ферментативных реакций в общей организации обмена и к постепенному формированию пространственной макроструктуры в современных живых существах, стоящих на различных ступенях эволюционного развития. Основные принципы этой организации в пространстве и во времени были заложены еще в процессе постепенного совершенствования протобионтов, и поэтому они являются общими для всех живых существ.

Однако в дальнейшем эволюционное развитие возникших на этой основе наиболее примитивных организмов пошло различными путями, и мы можем судить об этом развитии, а следовательно, и о его истоках, на основании того огромного фактического материала, который сейчас накоплен современной сравнительной биохимией.

ГЛАВА IV

НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ

Если исчисление возраста нашей планеты начин

страница 9
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Скачать книгу "Жизнь, ее природа, происхождение и развитие" (3.44Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.04.2017)