Страница 10 из 40
лет тому назад вследствие спонтанной агрегации [объединения] молекул.
" [Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. - Т. 1, М.: Мир, 1994. - С.
21-22] Первые простые органические молекулы на Земле появилась в так называемом первобытном бульоне в условиях безкислородной атмосферы и электрических разрядов (
молний). Первоначальный бульон представлял собой систему несоленых водоемов.
Атмосфера над водоемами состояла из аммиака, метана и водного пара.
Молнии, пронизывавшие эту газовую смесь, производили аминокислоты, нуклеотиди, сахара и жирные кислоты, являющиеся конструктивными блоками для всех форм жизни.
Атмосфера обязательно не содержала кислорода, присутствие которого немедленно уничтожило бы все аминокислоты.
В определенных участках первобытного бульона достиглась высокая плотность простых органических молекул.
Здесь происходил спонтанный синтез длинноцепочечных (полимерных)
молекул. Для синтеза таких молекул необходимо присутствие специальных белков-катализаторов (
ферментов). Поскольку бульон не мог их содержать, то вместо них в роли катализаторов синтеза (
очень медленного) могли выступать кристаллы и ионы металлов.
При условии существования "примитивного естественного отбора" среди этих длинноцепочечных молекул (
полинуклеотидов и полипептидов), из них выделялись все более сложные молекулярные структуры.
Это, как считают, создает все необходимые условия для случайной формации (
самосборки) первых клеток. Последовательность гипотетической химической эволюции такая [Там же, с.
12-21]: Формирование простых органических молекул → Формирование полинуклеотидов → Полинуклеотиди обретают способность направлять собственный синтез → Действие естественного отбора на саморепликантные (
самовоспроизводящиеся) молекулы → Специальные молекулы РНК катализуют биохимические реакции → Передача информации от полинуклеотидов к полипептидам → Клетка окружает себя мембраной → Появление двухцепочечной молекулы ДНК.
Все живые существа строятся из клеток, а центром клеток является закрученная двухцепочечная молекула ДНК - генный код.
Иногда мы называем клетку наименьшей и простейшей единицей жизни.
Наименьшая - это правда; но простейшая ли, если из одной оплодотворенной клетки разворачивается все тело, будто дерево из маленького зернышка?
Амеба, являющаяся возбудителем дизентерии, ассоциируется со словом простая.
Впрочем, у нее есть внутренний каркас (цитоскелет), который она демонтирует и перестраивает в зависимости от ситуации (
как вообще можно перестраивать собственный скелет?). А система вакуольного пищеварения - почему амеба переваривает другие организмы, но не переваривает себя?
Амеба не является простой. Одна клетка может состоять из миллионов молекулярных блоков.
Одноклеточных животных можно считать своеобразными многоклеточными организмами [Shapiro J.A.
Bacteria as Multicellular Organisms // Scient. American - Vol. 258, No. 6 (June 1988) - P. 82]. Основанием для взгляда на клетку как на отдельный организм, есть то, что она содержит в себе отдельные аппараты, которые подобно органам обмениваются между собой химическими (полу)
продуктами. Клеточные "органы" называются органеллами. Сходство между органеллами клетки и органами больших животных проиллюстрируем на синтезе белков - механизме, которым обладают все типы клеток [Албертс Б. и др.
Молекулярная биология клетки: В 3-х т. - Т. 1, М.: Мир, 1994. - С. 134-135]. Сначала о структуре белка и его роли в биологической системе.
Белок является длинной цепью аминокислот, соединенных пептидной связью.
Одна такая цепь может иметь много тысяч звеньев. В процессе роста, цепь может закручиваться сложным образом (
способ закручивания определяется самой последовательностью звеньев, то есть, аминокислот.)
Часто лабиринт настолько сложен, что не удается идентифицировать его структуру.
Например, в организме человека, свыше 30 тыс. различных белков, и структура лишь 3% из них была описано.
Структура белковой цепи усложняется тем, что в определенных местах к ней присоединяются атомы фосфора и серы (см. ниже).
Отсюда, между прочим, и сероводород во время гниения белков.
Белки являются как бы кирпичинами второго уровня. Кирпичики второго уровня состоят из аминокислот - кирпичиков первого уровня.
Если кирпичики первого уровня во всех организмах одинаковые (
20 разновидностей), то кирпичики второго уровня от вида к виду отличаются.
Аналогично, они являются и "органо-специфичными", то есть, в одном и том же организме отличаются у разных органов.
По этой причине, невозможно (за немногими исключениями) непосредственное усвоение организмом "чужевидовых" и "чужеорганных" белков - белок можно только разложить на составляющие (
аминокислоты) и перенабрать составляющие в другой (правильной для данного организма)
последовательности. Один вид организмов, итак, отличается от другого способом организации одних и тех же составных частей.
Сколько теоретически может существовать белков? Если принять, что средний белок содержит 500 аминокислот, то из 20 типов аминокислот можно составить 20500 различных белков (
цифра 3,27 и 650 нулей за ней). Не в последнюю очередь этим объясняется тот факт, что количество известных соединений углерода (
органическая химия) в десятки раз превышает количество известных соединений всех остальных элементов вместе взятых (
неорганическая химия). Белковые молекулы чрезвычайно универсальны во многих отношениях.
Достаточно сказать, что спектр их прочности простирается от прочности стали до высокой нежности.
Форма белковой молекулы - от прямой до спиральной и клубковой (
глобулярной). Химическая активность - от высокой пассивности, как у фиброзных белков, до высокой активности, как в ферментных.
Учитывая преимущества белковых молекул в плане структурного разнообразия и свойств, можно сказать, что избрание белка главной функциональной составляющей живых организмов - очень правильное решение.
Остается лишь одно - иметь какой-то надежный механизм "выпечки" кирпичей второго уровня из первоуровневых кирпичей, т.е.
собирания белков из аминокислот: "...В состав живых организмов входят белковые молекулы строго определенного типа, поэтому необходимы некие високонадежные системы, отвечающие за формирование связей в точно определенном порядке.
"[ Кемпбел Дж. Современная общая химия. - М.: Мир, 1975. - С. 160] Этими високонадежными системами оказываются "РНК-рибосомные" системы.
Посмотрим теперь, как конкретно функционирует система "молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК)
+ рибосомы". Центральную роль в процессе синтеза белка играет, конечно, кодированная молекула ДНК (
дезоксирибонуклеиновая кислота). С отдельных участков (называемых генами)
этой макромолекулы делаются копии в виде командных/сигнальных РНК-молекул (сРНК).
Рибосомы последовательно одна за другой "нанизываются" на сРНК‑ рельс и двигаются вдоль него.
Одна рибосома способна производить несколько белковых молекул в секунду.
По одному рельсу может одновременно двигаться много рибосом (
в клетке их как правило тысячи). сРНК-рельс представляет собой кодированную последовательность "букв".
При своем движении рибосома оказывается на все новой комбинации из трех "букв", которая имеет смысл, то есть является командой.
Столкнувшись, например, с комбинацией "AUG", рибосома распознает ее как команду начать строительство определенного вида белка.
Рибосома очень маленькая и имеет еще более миниатюрные два специальных места для "приземления" коротких транспортных РНК-молекул (тРНК)
: А- и Р-"посадочные площадки". Представим себе А-площадку по левую сторону, а Р-площадку - по правую.
К Р‑площадке подплывает и приземляется первая тРНК с определенной аминокислотой на хвосте.
Тогда на А-площадке приземляется другая тРНК со своей аминокислотой.
Посадка тРНК с какой именно аминокислотой на хвосте разрешена, диктуется кодом под посадочной площадкой (
то есть, конкретными тремя буквами на сРНК, открытыми в данный момент под А- или Р-местом).
Две аминокислоты, оказавшись рядом, немедленно соединяются пептидной связью.
После этого первая тРНК высвобождается и отплывает от Р-места "за новым пассажиром".
Вторая тРНК держит теперь две аминокислоты. Поскольку площадки находятся одна от другой на расстоянии одной буквы, то вторая тРНК, держа цепь из двух аминокислот, "пересаживается" с А-места на свободное Р-место (
слева направо). К освободившемуся А-месту подплывает следующая тРНК с аминокислотой на хвосте и садится.
Как только новая аминокислота химически присоединилась к аминокислотной цепочке, схема повторяется.
тРНК-такси подъезжают, высаживают пассажиров, перепарковываются с левого места на правое и отъезжают за новыми пассажирами.