Становление клеточной организации в эволюции жизни

В 1953 году американский исследователь С. Миллер провел ряд экспериментов, в которых смоделировал возможные условия жизни на Земле, существовавшие в тот временной период, ему удалось получить соединения альдегидов, аминокислот, уксусную, молочную и ряд других органических кислот.

В ходе аналогичных исследований и опытов по моделированию предположительных условий первичного океана биохимик С. Поннаперума успешно добился образования АТФ и нуклеотидов.

Теория биохимической  эволюции и происхождения жизни  на Земле, высказанная Алексеем Опариным, признана многими учеными, однако из-за большого количества предположений и допущений, она вызывает некоторые сомнения, но до сих пор остается ведущей (Г.А. Заварзин, 1987).

2. ОТ МОЛЕКУЛ – К ПЕРВОЙ КЛЕТКЕ

2.1. Возникновение самореплицирующихся молекул

Условия, существовавшие на Земле в первый миллиард лет ее истории, все еще являются предметом спора. Мы не знаем, была ли поверхность нашей планеты вначале расплавленной? Содержала атмосфера аммиак или же метан? Можно только предполагать, что Земля была весьма неспокойным местом - с постоянными вулканическими извержениями, неистовыми ливнями и сверкающими молниями. Не было совсем или было очень мало кислорода, и отсутствовал озоновый слой, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца.

В таких условиях, очевидно, возникали простые органические (т.е. содержащие углерод) молекулы. Лучшее тому доказательство лабораторные эксперименты. Если через нагретую смесь воды и газов, таких, как углекислый газ, аммиак, метан и водород, пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, они реагируют с образованием малых органических молекул. Обычно набор таких молекул невелик, но каждая образуется в сравнительно больших количествах.

Среди продуктов есть ряд соединений, таких, как цианистый  водород (HCN) и формальдегид, которые легко вступают в последующие реакции в водном растворе. Наиболее важно, что в эксперименте удается получить четыре основных класса внутриклеточных малых молекул: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты.

Хотя в таких опытах нельзя точно воспроизвести условия, существовавшие ранее на Земле, они показывают, что органические молекулы образуются на удивление легко. Кроме того, наша формирующаяся планета имела огромные преимущества перед любым экспериментатором: она была очень велика и обеспечивала широкий спектр условий. Но важнее всего то, что в распоряжении Земли были сотни миллионов лет. В таких условиях кажется вполне вероятным, что в какой-то момент, в каком-нибудь месте сконцентрировались многие из простых органических молекул, входящих в состав современных клеток.

Простые органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, могут ассоциировать с образованием больших полимеров. Две аминокислоты могут соединиться с помощью  пептидной связи, а два нуклеотида могут быть соединены фосфодиэфирной связью. Последовательное повторение этих реакций ведет к образованию линейных полимеров, называемых соответственно полипептидами и полинуклеотидами. У современных организмов полипептиды, называемые белками, и полинуклеотиды в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) обычно считаются наиболее важными компонентами. Универсальные «кирпичики», из которых состоят белки - это всего лишь 20 аминокислот, а молекулы ДНК И РНК построены только из четырех типов нуклеотидов. Остается лишь гадать, почему именно эти наборы мономеров, а не другие со схожими химическими свойствами были отобраны для биосинтеза.

Самые первые полимеры могли  образоваться несколькими путями, например, при разогреве сухих органических соединений или в результате каталитического эффекта высоких концентраций неорганических полифосфатов.

При проведении аналогичных  реакций в пробирке образуются полимеры различной длины со случайной последовательностью, у которых наличие данной аминокислоты или нуклеотида в каждом положении определяется случайно. Но если уж полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Особенно это относится к полинуклеотидам, которые могут служить матрицей в реакции полимеризации и, таким образом, определять последовательность нуклеотидов в новых полинуклеотидах. Например, полимер, состоящий из одного типа нуклеотидов (полиуридиловой кислоты, или poly U), может служить матрицей для синтеза второго полимера, составленного из другого типа нуклеотида (полиадениловой кислоты, или poly A). Подобные матричные свойства основаны на специфическом, так называемом комплементарном связывании полинуклеотидов друг с другом. Poly U способствует образованию poly A, выстраивая вдоль своей цепи необходимые субъединицы.

Специфическое спаривание комплементарных нуклеотидов сыграло, видимо, решающую роль в возникновении жизни. Рассмотрим, например. полинуклеотид, подобный РНК и содержащий основания урацил (U), аденин (А), цитозин (С) и гуанин (G). Благодаря комплементарному спариванию оснований — А с U и G с С — при добавлении РНК к смеси активированных нуклеотидов в условиях, благоприятствующих полимеризации, синтезируется новая молекула РНК, последовательность нуклеотидов которой комплементарна последовательности нуклеотидов в исходной РНК. Таким образом, новые молекулы представляют собой как бы слепок исходной молекулы, каждому А которой соответствует U в копии и т.д. На первой стадии информация, содержащаяся в последовательности исходной цепи РНК, сохраняется в новообразующихся комплементарных цепях. На второй стадии копирование с использованием комплементарной цепи в качестве матрицы восстанавливает исходную последовательность. Механизмы комплементарного матричного копирования изящны и просты, они занимают центральное место в процессах переноса информации в биологических системах.

Генетическая информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований ее полинуклеотидов, и  эта информация передается из поколения  в поколение благодаря комплементарному спариванию оснований.

Для быстрого образования полинуклеотидов в пробирке обязательно должны присутствовать специфические белковые катализаторы-ферменты, которых не могло быть в «пребиотическом бульоне». Там, однако, были, очевидно, минералы и ионы металлов, способные служить менее эффективными катализаторами. Кроме того, катализаторы лишь ускоряют реакции, которые происходили бы и без них, но за достаточно долгое время. Поскольку и время, и химически активные предшественники нуклеотидов имелись в изобилии, то вполне возможно, что в пребиотических условиях на Земле стало возможным возникновение медленно реплицирующихся систем полинуклеотидов.

При любом процессе копирования  неизбежно происходят ошибки и размножаются неточные копии оригинала. Следовательно, в результате многократных циклов репликации образующаяся последовательность нуклеотидов будет существенно отличаться от исходной. Так формируется разнообразие молекул. В случае РНК эти молекулы, вероятно, будут иметь и разные функциональные свойства. Ведь молекулы РНК - это не просто цепочка символов, неким абстрактным образом несущая информацию. Они обладают химической индивидуальностью, влияющей на их поведение. Конкретная последовательность нуклеотидов определяет свойства молекулы, особенно характер ее свертывания (конформации) в растворе. Мономеры полинуклеотида могут не только спариваться со свободными комплементарными пуклеотидами среды с образованием нового полимера, но и образовывать пары с комплементарными нуклеотидными остатками того же самого полимера. Последовательность GGGG в одной части полинуклеотидной цепи может сравнительно прочно связаться с СССС из другого участка молекулы. Из-за подобных взаимодействий возникают различные трехмерные изгибы, и молекула в целом приобретает уникальную форму, полностью определяемую ее нуклеотидной последовательностью.

Трехмерная укладка  полинуклеотида влияет на его стабильность и на способность реплицироваться, так что не все молекулы в репликативной  смеси будут одинаково успешно  размножаться. В лабораторных опытах было показано, что система реплицирующихся молекул РНК подвержена своего рода естественному отбору, при котором в зависимости от конкретных условий начнет преобладать та или иная последовательность.

Таким образом, молекула РНК обладает двумя важными свойствами: закодированная в ее нуклеотидной последовательности информация передается в процессе репликации, а уникальная пространственная структура определяет характер взаимодействия с другими молекулам и реакцию на внешние условия. Оба эти свойства - информационное и функциональное - являются необходимыми предпосылками эволюционного процесса. Нуклеотидная последовательность молекулы РНК аналогична наследственной информации, или генотипу организма. Пространственная укладка аналогична фенотипу - совокупности признаков организма, подверженных действию естественного отбора.

Естественный отбор  зависит от условий среды. Для  реплицирующейся молекулы РНК критическим  компонентом среды является набор  других молекул РНК в растворе. Кроме того, что эти молекулы служат матрицами при собственной репликации, они могут катализировать разрушение и образование ковалептных связей, в том числе и связей между нуклеотидами. Некоторые специализированные молекулы РНК могут катализировать изменения в других молекулах РНК, разрезая нуклеотидную последовательность в определенной точке, другие типы молекул РНК способны вырезать часть своей собственной нуклеотидной последовательности и соединять отрезанные концы (процесс, называемый само- или аутосплайсингом). Каждая реакция, катализируемая РНК, зависит от специфического расположения атомов на поверхности каталитической молекулы РНК, которое приводит к тому, что один или несколько ее нуклеотидов становятся высокоактивными.

Можно предположить, что некоторые реакции имели кардинальное значение в первичном бульоне. Рассмотрим, в частности, полимеризацию РНК, процесс, в котором в качестве матрицы используется данная молекула РНК и который катализируется ею. РНК, действуя на собственные копии, будет реплицироваться с высокой скоростью и эффективностью. Это может способствовать репликации других типов молекул РНК в прилежащих областях.

Некоторые из них могут  обладать каталитической активностью, которая помогает или препятствует сохранению или репликации РНК другими способами. Если благоприятные воздействия взаимосвязаны, то различные типы молекул РНК, специализированные для разных реакций, сформируют кооперативную систему, которая будет реплицироваться с необычно высокой эффективностью.

Итак, мы предполагаем, что 3,5-4 млрд. лет назад где-то на Земле самореплицирующиеся системы молекул РНК положили начало эволюционному процессу. Системы с различными наборами последовательностей нуклеотидов конкурировали за запасы предшественников, необходимых им для построения копий (аналогично тому, как сейчас конкурируют организмы за пищевые ресурсы). Успех зависел от точности и скорости копирования, а также от стабильности копий.

Хотя структура полинуклеотидов  хорошо приспособлена для хранения и передачи (репликации) информации, каталитические возможности молекул РНК, по-видимому, слишком ограничены, чтобы обеспечить все функции современной клетки. Большая универсальность присуща полипептидам, они состоят из аминокислот с химически разнообразными белковыми цепочками и способны принимать разные пространственные формы, которые насыщены реакционноспособными участками. Свойства полипептидов делают их идеально подходящими для выполнения широкого круга структурных и функциональных задач. Даже полипептиды со случайной последовательностью, возникавшие под действием пребиотических синтетических механизмов, видимо, имели каталитические свойства и, в частности, могли облегчать репликацию молекул РНК. Полинуклеотиды, способствующие синтезу полезных полипептидов в своем окружении, должны были приобрести большое преимущество в эволюционной борьбе.

Но каким образом  полинуклеотиды могли бы осуществлять подобный контроль? Как информация, закодированная в их иоследовательности, может определять последовательность полимеров иного типа? Ясно, что полинуклеотиды должны действовать как катализаторы для сборки отобранных аминокислот. У современных организмов согласованная система молекул РНК направляет синтез полипептидов, т.е. синтез белка, однако этот процесс идет при участии других белков, синтезированных заранее. Биохимический аппарат, осуществляющий синтез белка, чрезвычайно сложен. Молекулы РНК одного типа содержат генетическую информацию о последовательности соответствующего полипептида. Роль других молекул РНК заключается в связывании определенной аминокислоты и переносе ее к месту сборки полипептидной цепи. Основой взаимодействия этих двух типов молекул РНК является комплементарность их оснований, что позволяет последовательности нуклеотидов информационной РНК направлять включение определенных аминокислот, доставляемых молекулами транспортной РНК, в растущую полипептидную цепь. Предшественники этих двух типов молекул РНК, по-видимому, направляли первый синтез белка без помощи белков.

Сегодня сборка новых  белков в клетке происходит на поверхности рибосом – сложных частиц, состоящих из нескольких больших молекул РНК (но уже другого класса) и более чем из 50 различных типов белков. РНК принадлежит роль главного катализатора в процессе синтеза белка, она составляет более 60% массы рибосомы. По крайней мере в эволюционном аспекте эта РНК представляет собой основной компонент рибосомы.

Итак, на сегодняшний  день представляется весьма вероятным, что РНК примитивным образом  направляла первичный синтез белков. Для более эффективного биосинтеза клетке необходимо было создать набор «инструментов» (в форме белков), часть которых могла быть использована при репликации РНК и в процессе синтеза этих белковых "инструментов".

Синтез специфических  белков под управлением РНК потребовал «разработки» кода, с помощью которого полинуклеотидная последовательность определяет последовательность аминокислот в белке. Этот код – генетический код «записан» в «словаре» трехбуквенных слов: различные триплеты нуклеотидов кодируют специфические аминокислоты. Код, по-видимому, был «выбран» произвольно и до сих пор остается фактически одинаковым у всех живых организмов. Это наводит на мысль, что все современные клетки являются потомками одной примитивной линии клеток, сумевших «разработать» эффективный механизм синтеза белка.

Как только эволюция нуклеиновых  кислот продвинулась до кодирования  ферментов, обеспечивающих их собственное  воспроизведение. распространение  репликативной системы должно было резко ускориться. Взрывной характер такого автокаталитического процесса можно видеть на примере жизненного цикла некоторых современных вирусов бактерии: проникнув в бактерию, эти вирусы направляют синтез белков, избирательно катализирующих их собственную репликацию и в короткое время оккупируют всю клетку (Д.И. Грядовой, 2000).