| Асимметрия и возникновение жизни | ↓№ 255↑  20.05.2003  52:30 |
||
 Стенограмма эфираЕсть ли у живой материи особое реликтовое свойство, оставшееся в наследство от предбиологической эволюции? Свойство, которое могло бы играть такую же роль в построении картины возникновения жизни, какую играет «реликтовое излучение» при отборе моделей эволюции Вселенной? Ученые полагают, что таким свойством может быть хиральная чистота биоорганического материала. О феномене нарушенной зеркальной симметрии биоорганического мира в цикле «Возникновение жизни» доктор физико-математических наук Владик Аветисов и доктор химических наук Рэм Костяновский. Участники: Аветисов Владик Аванесович доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института химической физики им Н. Н. Семенова Российской Академии наук (область научных интересов: химическая физика, биофизика, эволюция). Костяновский Рэм Григорьевич доктор химических наук, заведующий лабораторией Института химической физики им Н. Н. Семенова Российской Академии наук (область научных интересов: стереохимия). Материалы к программе: Из статьи В. А. Аветисова и В. И. Гольданского «Нарушение зеркальной симметрии и возникновение жизни» Как это ни парадоксально, впечатляющие достижения молекулярной биологии привели к тому, что представления о факторах, способствующих возникновению жизни, стали еще более расплывчатыми. Конечно, сегодня можно утверждать, что жизнь зарождается в безжизненной органической среде, как только создаются необходимые условия. Это утверждение содержит в себе все, и в то же время ничего, поскольку неизвестно, какие именно условия являются необходимыми. Какие же известные факты физики и химии могут помочь в поиске таких условий? Есть ли у живой материи некое особое свойство, которое осталось в наследство от самых ранних этапов эволюции, и которое могло бы послужить «точкой опоры» в построении научной картины зарождения жизни также, как «реликтовое излучение» служит в космологии критерием отбора стандартных моделей возникновения и эволюции Вселенной? К счастью, такое особое свойство есть хиральная специфичность биологических структур и функций. Именно это свойство, называемое попросту хиральной чистотой или гомохиральностью, может быть положено в основу физического анализа проблемы возникновения жизни. ... ... В ходе биосинтеза таких ключевых макромолекул, как РНК, ДНК и белки-ферменты, энантиомерная конфигурация звеньев, включаемых в соответствующие полимерные цепи, контролируется очень точно (менее одной ошибки на миллиард звеньев). Однако, хотя биохимия клетки в целом подчинена тому, чтобы поставлять именно L-аминокислоты и D-нуклеотиды для строительства ключевых макромолекул, по мере удаления от «центра» метаболизма механизма репликации информационных и функциональных носителей, к его «периферии» своеобразной кухне по переработке поступающего извне разнообразного сырья, энантиомерная избирательность биохимических превращений падает. В результате биологическая активность органических соединений может зависеть не только от химической формулы соединения, но и от его изомерного состава. Фармакологи, например, прекрасно знают, что разные энантиомерные формы одного и того же лекарственного препарата могут привести к прямо противоположному результату при лечении. Таким образом, можно выделить два важнейших аспекта хиральной специфичности биоорганического мира. Во-первых, структурный это гомохиральность макромолекул, играющих ключевую роль в механизме биологической репликации. Звенья информационных и функциональных носителей имеют унифицированный для всего живого тип хиральности, а именно, РНК и ДНК содержат только D-нуклеотиды, а энзимы содержат только L-аминокислоты. Во-вторых, функциональный это энантиоселективность функций, обеспечивающих репликацию гомохиральных цепей биологических макромолекул. Итак, повторим, хиральная специфичность неотъемлемое свойство живой природы, а воспроизведение и поддержание такой специфичности одна из характернейших функций жизнедеятельности. Но почему же все-таки мы считаем, что хиральная специфичность древнейшее свойство и природа не могла обойтись без него уже на ранних этапах «конструирования» живого? Основа такой уверенности эксперименты группы американских и голландских химиков по моделированию процессов образования «предков» ДНК и наш анализ процесса эволюции таких макромолекул, которые показали, что прежде, чем возникла основа жизни самовоспроизводящиеся системы, должны были образоваться полимерные цепи, содержащие только один тип хиральных звеньев! Дело в том, что фрагмент полинуклеотидной цепи с «хиральным дефектом» звеном с хиральной конфигурацией, отличающейся от конфигурации остальных звеньев в цепи, вообще не может воспроизводиться по правилу комплементарного соответствия звеньев исходной цепи и ее копии. Именно в этом принципиальное отличие хирального дефекта от генетической мутации, которая тоже нарушает комплементарное соответствие звеньев родительской ДНК и ее копии, однако при этом мутантная копия остается пригодной для построения точно таких же копий. Но это еще не все. В отсутствие энантиоспецифических ферментов, способных точно распознавать хиральную конфигурацию звеньев в процессе сборки цепей, репликация (самовоспроизведение) гомохиральных полимеров может осуществляться только в хирально чистой среде. Как в детской игре в испорченный телефон, в рацемической среде рано или поздно будет утрачена любая, даже самая простая информация, записанная природой на полинуклеотидной цепочке. Таким образом, для возникновения гомохиральных полимерных цепочек, способных самовоспроизводиться благодаря матричному копированию, требуются либо хиральная чистота того органического материала, из которого строятся такие цепи-матрицы, либо энантиоспецифические ферментативные функции, способные очень точно контролировать хиральную конфигурацию молекулярных фрагментов с тем, чтобы обеспечить сборку гомохиральных цепий независимо от энантиомерного состава окружающей среды. Вот почему хиральная специфичность биоорганического мира действительно древнейшее свойство память о тех стадиях эволюции(  ), которые, возможно, непосредственно предшествовали зарождению жизни.Сценарий асимметричного зарождения жизни. ... (теории...теории) ... Так что же, загадка возникновения жизни решена? Увы нет. Совсем недавно нами было показано, что при спонтанном нарушении симметрии степень хиральной чистоты среды зависит от точности, с которой взаимодействующие молекулы способны распознавать хиральную конфигурацию друг друга. Для достижения высокой степени чистоты требуется очень точное распознавание, а в добиологических, химических условиях, на уровне простейших органических молекул, она слишком мала. Поэтому на третьем шаге описанного выше сценария, в ходе полимерного захвата среды, будут возникать только очень короткие фрагменты гомохиральных цепей, не способные в дальшейшем стать протоферментами. Саморазвивающийся макромолекулярный мир, обладающий хиральной специфичностью, возникнуть в таких условиях не может.  Сейчас уже ясно, что в развитии науки о происхождении жизни наступает новый и очень интересный этап. Не только в этой области, но и в естественных науках в целом, ощущается то известное «критическое» состояние, за которым должно последовать развитие принципиально новых, универсальных представлений о возникновении порядка из хаоса. Возможно, именно они позволят, наконец, прийти к непротиворечивым представленим об эволюционной цепи, приведшей к возникновению жизни. Из статьи В. А. Аветисова «Физические аспекты предбиологической эволюции: сложность, иерархичность, динамика». ... Другое, тоже важное для темы данной статьи, понятие гомохиральность. ... Возьмем теперь систему «космологического» масштаба с числом частиц порядка числа атомов углерода в Солнечной системе (примерно 1050). Тогда относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих становится сопоставима с масштабом флуктуаций числа частиц при длине последовательностей N = 80. Это означает, что вероятность возникновения гомохиральной цепи в 100 и более звеньев в результате неселективной сборки исчезающе мала. Кроме того, понятно, что подавляющая часть последовательностей длиной в пару сотен звеньев и более не может быть реализована в природе просто потому, что даже вся Вселенная исчезающе мала для этого. Этот уровень сложности можно назвать «биологическим». Не только потому, что белки, РНК и ДНК это гомохиральные цепи длиной от нескольких сотен звеньев до миллионов звеньев. Но главным образом потому, что для сборки определенных последовательностей такой длины необходимы жестко заданные «алгоритмы» специфические функции, способные осуществлять сборку с высокой точностью. По образному выражению Виталия Иосифовича Гольданского, химия живого это «алгоритмическая химия», в отличие от обычной, «стохастической химии». |
|||
Твитнуть
Комментарий