Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Состав живой материи: биомолекулы
Химическую эволюцию можно воспроизвести в лабораторных условиях

Сейчас концепция Опарина о происхождении биомолекул подтверждена результатами лабораторных экспериментов. Классический опыт, иллюстрирующий абиотическое (небиологическое) происхождение органических биомолекул, провел в 1953 г. Стенли Миллер. В течение недели (или дольше) он пропускал электрические разряды, которые должны были имитировать молнии, через газовые смеси метана, аммиака, водяных паров и водорода, заполнявшие пространство между двумя электродами (рис. 3-16). Затем он охлаждал содержимое закрытого сосуда, в котором проводилась реакция, чтобы сконденсировать водорастворимые компоненты, и анализировал образовавшиеся продукты. В газовой фазе Миллер обнаружил окись и двуокись углерода и азот, которые, очевидно, образовались из исходной газовой смеси. В темно окрашенном конденсате содержались значительные количества водорастворимых органических веществ. Среди соединений, идентифицированных Миллером, оказались а-аминокислоты, в том числе некоторые аминокислоты, входящие в состав белков. Кроме того, было обнаружено несколько простых органических кислот, встречающихся в живых организмах, и в частности уксусная кислота.

Рис. 3-16. Искроразрядный аппарат, предназначенный для демонстрации абиотического образования органических соединений в условиях первичной атмосферы.

Миллер высказал предположение, что сначала из метана и аммиака образовался цианистый водород (HCN) - вещество, обладающее очень высокой реакционной способностью; последующее взаимодействие цианистого водорода с другими компонентами газовой смеси привело к образованию ряда аминокислот. С тех пор другие исследователи провели много экспериментов подобного типа с использованием различных смесей газов, в том числе азота, водорода, окиси и двуокиси углерода; эти эксперименты вновь продемонстрировали, что при наличии доступного источника энергии из таких смесей легко образуются аминокислоты и другие органические биомолекулы. Было установлено, что образование простых органических молекул активируется под влиянием самых разных форм энергии и излучения - тепла, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей, у-излучения, искровых и тихих электрических разрядов, ультразвука, ударных волн, а также а- и ß-частиц. В экспериментах по имитации условий, существовавших на первобытной Земле, легко образуются сотни различных органических соединений, в том числе представители всех наиболее важных типов молекул, содержащихся в клетках, а также целый ряд веществ, не встречающихся в живой природе. Среди всех этих веществ обнаружены многие аминокислоты, входящие в состав белков, азотистые основания, выполняющие роль строительных блоков нуклеиновых кислот, и ряд органических кислот и сахаров, содержащихся в биологических системах. Таким образом, представляется вполне вероятным, что первичный океан был обогащен растворимыми органическими соединениями, в число которых, возможно, входили многие, если не все, молекулы, используемые сегодня в живых клетках в качестве строительных блоков.

Важным подтверждением того, что простые органические молекулы могут образоваться небиологическим путем, послужило обнаружение спектроскопическим методом сотен различных органических соединений в межзвездном пространстве. Эти наблюдения позволили предположить, что жизнь могла возникнуть и в других частях Вселенной. Под термином химическая эволюция подразумевается возникновение органических веществ из неорганических предшественников под воздействием энергии и их дальнейшее развитие. Теперь мы знаем, что Земля образовалась примерно 4800 млн. лет назад. Предполагается, что химическая эволюция продолжалась на Земле по меньшей мере в течение первых 1000 млн. лет ее истории. Затем, вероятно около 3500 млн. лет назад, возникли первые живые клетки, после чего начался процесс биологической эволюции, который продолжается и в наши дни.

Сейчас концентрация органических соединений в океанах относительно невелика; вне живых организмов биомолекулы можно обнаружить лишь в следовых количествах. Что же случилось с первичным «бульоном», богатым органическим веществом? Предполагают, что первые живые клетки использовали содержащиеся в морях органические соединения не только как строительные блоки для создания собственных структур, но и в качестве питательных веществ или «топлива», чтобы обеспечить себя энергией, необходимой для роста. Постепенно с течением времени органические вещества в первичном море стали исчезать быстрее, чем они образовывались под воздействием природных сил. Эта идея, а по существу и вся концепция химической эволюции в целом, была сформулирована более 100 лет назад Чарлзом Дарвином. Об этом свидетельствует следующий отрывок из письма, которое он написал в 1871 г. сэру Джозефу Хукеру: «Часто говорят, что и сейчас существуют все условия, которые необходимы были для возникновения первых живых организмов. Но если (о, как велико это «если») предположить, что в одном из небольших теплых водоемов из всех содержащихся в нем производных аммиака и солей фосфорной кислоты под влиянием света, тепла, электричества и т.д. возникло белковое соединение, готовое к дальнейшим более сложным превращениям, то в наши дни оно было бы немедленно поглощено или уничтожено. Однако до того, как появились живые существа, этого произойти не могло».

Исчезновение органических молекул из морей заставило живые организмы «учиться» самим создавать свои собственные органические биомолекулы. Они научились использовать энергию солнечного света путем фотосинтеза для получения сахаров и других органических соединений из двуокиси углерода; они научились также фиксировать азот из атмосферы и превращать его в азотсодержащие биомолекулы, например аминокислоты. В ходе дальнейшей эволюции различные живые организмы начали взаимодействовать друг с другом, обмениваясь питательными веществами и энергией, что приводило к созданию все более сложных экологических систем.

Опираясь на эти вводные главы, посвященные клеткам и взаимодействующим биомолекулам, из которых они состоят, мы можем приступить теперь к более детальному рассмотрению молекулярных компонентов клеток, не забывая о том, что все они подчиняются сложным законам молекулярной логики живого. Мы начнем с воды - жидкого матрикса всех живых организмов.