Происхождение жизни Естественное превращение простых

Происхождение жизни
Естественное превращение простых органических молекул в молекулы сложные.
Метан - простейшее органическое вещество.
Окисление метана дает углекислый газ и воду и какое-то количество энергии,
которая всегда излучается.
От двух молекул метана, по одному водородному атому можно передать,
например кислороду. При этом получится вода и два метиловых радикала.
Получившиеся два метиловых радикала, соединившись вместе, дадут этан.
Эту реакцию можно осуществить с помощью многих катализаторов, например с
помощью металлов. Энергия, полученная при этой реакции, может быть излучена в
виде тепла, а может пойти на соединение других атомов, соединение которых
эндотермично.
Появление из двух молекул метана одной молекулы этана является шагом вниз
по энергетической лестнице и одновременно, шагом вверх по лестнице сложности
органических веществ.
В общем, в органических веществах, энергия, освобождаемая небольшими
порциями, всегда может быть использована для создания новых органических веществ
или быть излучена.
Энергия, поступающая в значительный объем простых химических соединений углерода
всегда создает более сложные вещества.
Источниками энергии могут быть очень разные вещества. Одними из самых
концентрированных источников энергии могут быть такие вещества как кислород,
сера, фосфор. Но энергия этих веществ может создавать сложные органические
вещества, не в любых условиях. Например, в растворах углеводородов обычно
получаются очень сложные вещества, а в водных растворах такие вещества
получаются редко и эти вещества сравнительно простые. И углеводороды, и не
окисленные металлы, и не окисленные неметаллы, всегда получаются в процессе
вулканической деятельности. То есть систематический процесс возникновения не
только сложных минералов, но и сложных органических веществ обычно происходит
при вулканической деятельности.
Возникновение органических веществ на планетах.
Практически все металлы способны реагировать с водородом с образованием
гидридов. В обычных условиях, различные металлы по-разному взаимодействуют с
водородом. У одних оно не идет далее образования адсорбционных пленок на
поверхности металла. У других - сопровождается объемной окклюзией, т.е.
образованием твердого раствора водорода в решетке металла. У третьих - контакт с
водородом вызывает химическую реакцию, в результате которой образуются гидриды.
Окклюзия водорода натрием, кальцием и магнием (а равным образом и другими
щелочными и щелочноземельными металлами) приводит к образованию твердых
соединений - гидридов. Алюминий и кремний образуют с водородом полимерные
соединения (алуаны и силаны), построенные по типу углеводородов. Железо, никель
и другие переходные металлы адсорбируют и растворяют в себе большие количества
водорода, а под давлением выше 60 килобар все металлы, насыщенные водородом,
трансформируются в гидриды.
По мере гравитационного уплотнения протопланетной сферы в твердое тело
высвобождалась потенциальная энергия, которая в основном трансформировалась во
внутреннюю энергию планеты (как термодинамической системы). Обычно повышение
внутренней энергии твердого тела в основном сводится к повышению температуры.
Однако наличие большого количества водорода в составе протопланет заставляет
внутреннюю энергию переходить в энергию водородных связей и температура внутри
планет повышается не столь сильно. Повышение внутренней энергии при
гравитационном сжатии вызывает возрастание "химического потенциала" водорода.
"Химический потенциал" - определенная термодинамическая функция, которая имеет
размерность энергии и является мерой потенциального стремления компонента к
переходу из одной фазы системы в другую. То есть водород постепенно будет
уходить из планеты (из твердой фазы) в атмосферу. Что и происходит в течение
многих миллиардов лет после формирования планеты. Важно то, что гидриды металлов
имеют значительно меньший объем, чем обычные металлы. То есть при потере
водорода в процессе своей эволюции любая планета расширяется. Водород планеты
теряют так: водород из глубины планеты просачивается в атмосферу, где он не
задерживается и быстро уходит в космос. Водород в атмосфере планет временно
связывается с кислородом, формируя воду, образующую моря и океаны.
Расширение планет приводит к разрывам в коре. Там где водород
просачивается через кору, образуются впадины из-за уменьшения объема
подстилающих массивов металлов. Наносы постепенно заполняют все впадины коры.
Подстилающие массивы металлов поднимают окаменелые наносы, когда водород
перестает просачиваться. Так появляются горы. Водород, просачиваясь через
наносы, имеющие в себе углерод, формирует нефть и газ. Водород приводит из
глубин значительное количество тепла, это создает вулканическую деятельность.
(По Ларину http://hydrogen-future.com/larin/)
История нуклеиновых кислот до сосуществования с белками.
При взаимодействии горячих продуктов вулканизма с углеводородами в числе
многих других органических веществ появляются нуклеотиды, которые обычно
соединяются в полинуклеотиды. Катализаторами формирования как нуклеотидов, так и
полинуклиотидов могут быть разные, довольно простые вещества. (При формировании
полимеров, в том числе нуклеотидов два конца полимера часто вступают в реакцию
друг с другом, так называемая циклизация молекулярных цепочек. Nicholas V. Hud
обнаружил, что многие мелкие молекулы-интеркаляторы, которые "привязываются"
между двумя соседствующими основными парами ДНК, могут способствовать созданию
более длинных молекул. Nicholas V. Hud использовал этидий как интеркалятор и
получил длинные цепи полинуклеотидов.) Но катализаторами формирования как
нуклеотидов, так и полинуклиотидов могут быть и полинуклеотиды! (Сотруднику
Манчестерского университета Джону Джойсу члену группы руководимой Джона
Сазерленада удалось создать две РНК, которые являются "автокатализаторами"
синтеза друг друга! Об этом они сообщили в журнале Nature. Они же описали
получение нуклеотидов из простых веществ - таких, как синильная кислота и
аммиак. http://www.ng.ru/science/2010-04-28/11_molecula.html)
Где-то и когда-то была то ли жизнь, то ли не жизнь, у неё была только одна
функция - репликация полинуклиотидов, и выполнялись эта функция
полинуклеотидами. Может быть, конечно, этот этап жизни протекал на Земле, а,
может, это было и не на Земле. Возможно, на Землю попали уже белковые
хемобактерии (гипотеза панспермии). В любом случае когда-то и где-то произошло
появление системы синтеза белка.
Появление связи между нуклеиновыми кислотами и белками.
Рибосомы единственный аппарат синтеза белка у всех живых клеток на Земле.
Рибосомы архебактерий, бактерий и эукариотов, конечно, сильно различаются массой
и составляющими частями, но в них хорошо прослеживается эволюция. Рибосомы
эукариот массивнее и сложнее рибосом прокариот. Принцип усложнения рибосом
выявили канадские биохимики из Монреальского университета (Dеpartement de
Biochimie, Universit de Montreal). http://elementy.ru/news?newsid=431013 Они
изучали большую субъединицу рибосомы состоящую почти из 3000 нуклеотидов и
осуществляющую синтез белка.
В клетке большая субъединица каждой рибосомы сворачивается в сложный
трехмерный "клубок". Разные петли, выступы и другие элементы структуры этого
"клубка" обеспечивают выполнение разных функций: связь с рибосомными белками,
присоединение малой субъединицы, присоединение и удерживание в нужных позициях
молекул транспортных РНК (тРНК), которые несут на своих "хвостиках" (CCA-3"концах) аминокислоты, необходимые для синтеза белка.
Рибосомные белки играют в рибосоме вспомогательную роль: они делают ее
более стабильной и повышают эффективность ее работы, однако все главные
действия, необходимые для синтеза белка, осуществляются не белками, а
рибосомными РНК. Самый главный этап трансляции - присоединение аминокислот к
синтезируемой белковой молекуле (реакция транспептидации) - осуществляется
молекулой 23S-рРНК. Молекула 23S-рРНК велика и сложна, но её структура
свидетельствует о том, что она могла произойти от более простой молекулыпредшественницы в результате постепенной эволюции, то есть путем
последовательного добавления новых фрагментов.
Молекула 23S-рРНК состоит из шести основных структурных блоков, или
доменов. Каждый домен, в свою очередь, состоит из более мелких структурных
единиц. Целостность трехмерной структуры молекулы поддерживается разнообразными
связями (в основном водородными) между ее участками. Некоторые участки молекулы
сворачиваются в двойные спирали на основе принципа комплементарности. Важную
роль играют и так называемые "А-минорные" связи. А-минорная связь возникает
между последовательностью из нескольких идущих подряд аденозинов (А) в одной
части молекулы и двойной спиралью в другой ее части. А-минорные группы
аденозиновых "стопок" создают функциональную трехмерную структуру молекулы
позволяющую ей захватывать и передвигать по нужным путям и-РНК, тРНК и
синтезированные белки.
Двойные спирали и образующие с ними А-минорные связи "стопки" аденозинов
(adenosine stacks) распределены по шести доменам молекулы более или менее
хаотично, но в пятом домене наблюдается необычное скопление двойных спиралей и
практически нет аденозиновых "стопок". То есть все домены подстраивали свою
структуру к структуре пятого домена.
23S-рРНК развивалась постепенно из простой молекулы-предшественницы. Сначала
появились её двойные спирали, и только потом к ним с помощью аденозиновых стопок
конфигурировались дополнительные домены.
Именно пятый домен играют ключевую роль в синтезе белков. Он удерживает в
правильных позициях CCA"-хвосты двух молекул тРНК (той, что принесла предыдущую
аминокислоту, уже присоединенную к синтезируемому белку, и той, что принесла
следующую аминокислоту). Именно пятый домен 23S-рРНК обеспечивает сближение
новой аминокислоты с предыдущей, уже присоединенной к белку, и катализирует
соединение аминокислоты с белком.
Более тонкий анализ структуры 23S-рРНК показал, что её можно постепенно
"разобрать" по блокам, ни разу не нарушив структуру остающихся блоков.
Сначала можно отделить 19 блоков. После этого отделяются еще 11 блоков, затем
еще 9, 5, 3, 3, 2, 2, 2; наконец, еще три блока можно отделить последовательно
по одному. После этого остается "не разобранным" лишь маленький фрагмент
молекулы, составляющий 7% от ее общей массы. Этот не разобранный фрагмент
представляет собой участок пятого домена, содержащий в себе каталитический
центр, ответственный за синтез белка (пептидил-трансферазный центр, PTC,
peptidyl-transferase centre).
Разборка 23S-рРНК показала, что структура связей между блоками молекулы
отражает последовательность добавления этих блоков в ходе постепенной эволюции
молекулы.
Исходной функциональной молекулой - "проторибосомой", с которой началась
эволюция рибосомы, - был пептидил-трансферазный центр (PTC) пятого домена
молекулы 23S-рРНК. Сам PTC состоит из двух симметричных лопастей. Каждая лопасть
удерживает CCA"-хвостик одной молекулы тРНК. Явно, что такая структура возникла
в результате дупликации (удвоения) одной исходной лопасти.
Очень простая "проторибосома", способна была удерживать две молекулы тРНК,
сближать в пространстве прикрепленные к ним аминокислоты, и соединять их. (Были
получены функциональные РНК, рибозимы, способные катализировать соединение
аминокислот, прикрепленных к тРНК, в короткие белковые молекулы. Структура этих
искусственно выведенных рибозимов получилась очень близкой к структуре той
"проторибосомы", которую "вычислили" исследователи.) Аминокислоты были
абиогенными. http://www.science.yoread.ru/news.php?readmore=1257
Специфичность синтеза белков "проторибосомой" сначала была низкой, аминокислоты
брались случайно. В дальнейшем к "проторибосоме" добавлялись новые блоки. Если
очередная мутация приводила к нарушению уже сложившихся структур, она
отсеивалась отбором.
Переход от РНК-мира к "белковому миру" состоялся после этапа, при котором
у РНК-организма появилась возможность синтезировать белки с такой точностью,
чтобы некоторые из этих белков могли пригодиться для укрепления и
усовершенствования рибосом. Нуклеиновокислотно-белковые комплексы в отличие от
чистых нуклеиновых кислот содержали очень много воды, ибо цепочки белков всегда
покрыты молекулами воды. Поэтому, находясь в абиогенных углеводородах, они
покрывались липидными пленками гидрофильной стороной обращенными к белкам, а
гидрофобной стороной к углеводородам. Нуклеиновокислотно-белковые комплексы,
кодирующие древние рибосомы и некоторые белки, способные воспроизводить себя,
покрытые липоидами попадали из углеводородов в воду, и, благодаря липидным
мембранам могли не только сохраняться там, но и получать необходимые для своего
строительства органические молекулы из воды. В воде, конечно, есть опасность
гидролиза, но в борьбе с этим сформировались соответствующие бактерии...
Нуклеиновые кислоты и эволюция белков.
Эволюция нуклеиновых кислот кодирующих белки имеет общие закономерности.
Эмиль Цукеркандль сделал верные предположения об этих закономерностях в 1971
году. А в 2004 году группа российских исследователей экспериментально выявили
эти закономерности. ftp://ftp.ncbi.nih.gov/pub/kondrashov/cysteine
В 2001 году - Маргарет Дайхофф составила первую матрицу замен аминокислот
в белках. Предполагалось, что замены цикличны и равновесие замены аминокислот
обычно поддерживается. Аминокислоты должны ходить по кругу - A в B, B в C, C в
D, а D снова в A. Это получалось из прямого диффузионного уравнения Колмогорова,
которое описывает взаимодействие мутирования, генетического дрейфа и отбора.
Но, оказалось, что для половины пар аминокислот количества замен A на B и B на A
сильно отличаются. Все организмы копили цистеин (и еще 4 аминокислоты) - замен,
их вписывающих в белок, было куда больше, чем убирающих.
К примеру, после того как около 6 миллионов лет назад разошлись линии человека и
шимпанзе, лейцин заменялся в них фенилаланином вдвое чаще, чем фенилаланин
лейцином. А вот пролин, наоборот, терялся примерно с такой же скоростью.
Аналогичные подсчеты для геномов других животных показали, что все остальные
организмы (грызуны, дрожжи и бактерии 12 родов) тоже копят цистеин (и еще 4
аминокислоты) и теряют пролин (и еще 3 аминокислоты).
Почему же наши белки - не полицистеин! Оказывается, за имеющееся время
эволюции, замен было не очень много. К примеру, между мышью и человеком, имевших
последнего общего предка около 100 миллионов лет назад, накопилась лишь одна
замена на десять позиций. Такого рода данные показывают, что за прошедшие с
момента зарождения белковой жизни 3,5-4 миллиарда лет на одну позицию пришлось
всего лишь от одной до пяти замен.
Общие закономерности такие, что белки древних простых организмов состояли
из простых аминокислот, эволюционная борьба за существование приводила к тому,
что по мере усложнения аминокислотного состава белков усложнялись организмы, и
победы в борьбе за существованиями оказывались за более сложными организмами.