Селекция элементов и биолигандов в химической эволюции

20 Июля в 22:15 3876 0


В соответствии с современными представлениями, наша Вселенная существует с момента Большого Взрыва примерно 15 млрд. лет. Считается, что химическая эволюция на Земле проходила с момента образования планеты из сгустка первичной материи до появления жизни. На геохронологической шкале образование Земли из сгустка межзвездной материи произошло примерно 5 млрд. лет тому назад.

Температура этого сгустка была слишком высокой, чтобы в нем могли существовать отдельные химические элементы. По мере снижения температуры вещества пропланеты постепенно возникали элементы, начиная с легких. Процесс образования элементов продолжался около 1 млрд. лет.

Современный, то есть основанный на понятиях бионеорганики, взгляд на проблему химической эволюции, отбора и биохимии элементов наиболее последовательно разрабатывается в Оксфордском университете. Williams и Frausto da Silva считают, что по физико-химическим характеристикам (электронной структуре, заряду, размеру атомов, числу валентных электронов на орбите, энергиям ионизации и пр.) создавать устойчивые полимерные структуры в обычных условиях современной среды способны всего несколько элементов, а именно, С, N, О, S и Se. Все они — неметаллы, образующие прочные связи с углеродом и, следовательно, способные кодировать информацию в виде определенных последовательностей атомов и функциональных групп.

Таблица 1. Элементы, способные обеспечить полимерную структуру

Номера групп

1

13

14

15

16

17

Н







В

С

N

О

F


Аl

Si

Р

S

Cl



Ge

As

Se

Br

Радиус атома Si равен 0,117 нм, что почти в полтора раза больше, чем у С (0,077 нм). Эта разница объясняет меньшую прочность связи между атомами Si-Si и нестойкость полимеров кремния. Он может формировать инертные гигантские полимеры и соединения, которые из-за неспособности образовывать кратные связи Si=Si и S=Si в присутствии O2, NH3 и Н2O быстро распадаются. Поэтому его нельзя включать в список биополимеробразующих элементов.

Все 5 отмеченных элементов могут легко отдавать электроны внешней оболочки атомам элементов не только из этого перечня, но и из других групп Периодической системы, в том числе металлам, с образованием соединений с ионными, ковалентными и донорно-акцепторными связями. Поэтому указанные элементы формируют функциональные группы биолигандов, которые способны образовать координационные соединения (КОС) с металлами.

С другой стороны, с этими функциональными группами сравнительно легко могут образовывать КОС главным образом металлы 3 и 4 периодов таблицы Менделеева. Только они обладают примерно такими же размерами атомов, что и неметаллы, и не имеют явных стерических ограничений для образования КОС (табл. 2).

Таблица 2. Биологически важнейшие металлы

Номера групп

1

13

14

15

16

17

Н







В

С

N

О

F


Аl

Si

Р

S

Cl



Ge

As

Se

Br

Биологическая роль этих элементов неодинакова. Щелочные металлы (вместе с 67) играют определяющую роль в поддержании электролитного гомеостаза и баланса зарядов на мембранах, щелочноземельные — в обеспечении функции посредников («messengers») и, вместе с Si и S, структурирования и темплэйтинга (обеспечения матричного синтеза) для биосинтеза биополимеров, 3d-переходные металлы (особенно Fe, Си, Mo, Zn), в соответствии с распространенностью и свойствами электронных оболочек, играют роль активного центра в ферментах энергетического обмена, вместе с V, Мп, Со, Ni, W — в ферментах переноса групп (СH3, SH, ОН) и в циклических окислительно-восстановительных реакциях. Кроме того, редакторы фундаментального руководства по бионеорганической химии (Bertini, Gray, Stiefel, Valentine, 2007) отмечают участие ряда элементов в запасании энергии (Н, Р, S, Na, К, Fe), в сигнальной роли (Са, В, NO), в процессах биоминерализации (Са, Mg, Fe, Si, Sr, Си, P). Наконец, можно отметить важную роль некоторых галогенов в процессах метаболизма. Помимо указанного выше Cl, очень важен I, как компонент ряда гормонов, и F — для укрепления некоторых костных структур у животных.

Ранее считали, что атмосфера Земли вначале состояла из Н2, N2, Н2O, NH3, СН4, H2S и легких соединений углерода, то есть предполагали, что она имела восстановительные свойства. Однако в настоящее время геохимики пришли к выводу, что первичная атмосфера имела не восстановительные, а слабо окислительные свойства. Такие свойства означают наличие важнейших предпосылок для спонтанного образования аминокислот, пептидов/белков, и для зарождения жизни.

Вероятнее всего, в ранний период истории Земли органические соединения возникали из неорганических компонентов атмосферы в результате электрических разрядов при многочисленных грозах, а также за счет энергии ультрафиолетовых лучей и тепловой энергии. Образующиеся органические соединения растворялись в морях, покрывавших большую часть поверхности планеты. Этот период характеризовался абиотической конденсацией аминокислот и других простых молекул с формированием примитивных полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов. Причем все эти соединения, в том числе циклические, появлялись и конденсировались по термодинамическим законам, и для этого достаточно было слабых каталитических свойств металлов с переменной валентностью (Кальвин, 1971).

Поскольку молекулярные прототипы самоорганизующихся систем в первичной атмосфере неизвестны, описать процесс возникновения живых систем можно главным образом умозрительно. Большинство исследователей согласны, что последние стадии химической эволюции характеризовались рядом закономерностей. Во-первых, в первобытном море преобладали легко образующиеся органические молекулы, обладавшие высокой стабильностью. Среди них А. Ленинджер (1974) называет производные цианистого водорода HCN — через цианамид- и дицианамид-аминокислоты, пурины, порфирины, полимеры и конденсирующие агенты; через цианацетилен (N≡C-C≡CH) — аминокислоты, пиримидины, цианвинилфосфат; через нитрилы (CH3CH2CN) и аминонитрилы (CH3CHNH2CN) — аминокислоты и полипептиды (рис. 1).

Химическая эволюция биомолекул

Рис. 1. Химическая эволюция биомолекул, возникших из HCN

Во-вторых, полимерные органические молекулы были функционально способны к катализу и воздействию на среду, хотя бы в части противостояния изменениям внешних условий. Отмеченные выше конденсирующие агенты представляли собой, вероятно, комплексные соединения, способные вызывать реакции поликонденсации с отщеплением воды. В итоге из аминокислот образовывались пептиды, а из ортофосфатов — полифосфаты.

В-третьих, решающей стадией химической эволюции можно считать ту, на которой появилась способность органической материи к самоорганизации. Механизмы появления первичных живых клеток могли быть различными.

В 1922 г. А.И. Опарин предположил, что первые клетки — «протобионты», то есть белковые молекулы, вокруг которых возникла мембрана — могли сформироваться в виде коацерватных капель. Процесс коацервации хорошо известен в водных растворах значительно гидратированных полимеров. Он происходит самопроизвольно, и приводит к образованию в первично однофазном растворе двух фаз, в одной из которых концентрация полимера выше, чем в другой. Такие капли могут поглощать низкомолекулярные вещества, например, глюкозу или аминокислоты, а также примитивный катализатор, благодаря чему в капле может активно происходить какая-либо одна реакция. Благодаря поглощению субстрата капля «растет» и, достигнув критического для сложившихся условий объема, «делится» на более мелкие капельки. Те из них, в которых сохраняется катализатор, могут «расти» далее и порождать новое поколение капель-клеток.

По А.И. Опарину, первыми информационными молекулами были белки, и первые примитивные клетки функционировали без нуклеиновых кислот и генетических систем. Альтернативная гипотеза, напротив, основывается на первичности возникновения НК. В 1929 г. Г.Д. Меллер предположил, что жизнь началась с абиотического образования генов. Он полагал, что метаболизм и способность к воспроизведению дочерних клеток в принципе присущи способным мутировать генам, которые внутри клетки окружены нужными молекулами. По этой гипотезе, появление граничной мембраны и развитие системы катализаторов произошли на более поздних стадиях эволюции. На основе содержавшейся в НК информации стали возможными построение и эволюция белков. «Нуклеиновую» гипотезу поддерживают многие биохимики, причем их мнения также разделяются: одни считают базовыми структуры типа ДНК, другие — РНК (А.С. Спирин).

В последние годы исследователи химической эволюции склоняются к тому, что «пептид/белковый мир» А.И. Опарина предшествовал появлению РНК и ДНК. Современные геохимики показали, что первичная атмосфера имела не сильно восстановительные свойства, как это считалось многие годы, а слабо окислительные. В этих условиях легко образуются аминокислоты в реакциях Лёб-Миллера, в частности, α-аминокислоты. Они затем в простейшей и наиболее вероятной реакции сольиндуцированного синтеза пептидов (salt-induced peptide formation — SIPF) образовывали пептиды и далее, с помощью алюмосиликатов глины — белки (Rode et al, 2007).

Показано, что на поверхности алюмосиликатов часто образуются кластерные структуры — «центры Брэнстеда и Льюиса». Расчёты модельных реакций аминокислот и аммиака в газовой фазе и на этих центрах, если они расположены рядом, выявили значительное снижение свободной энергии реакции конденсации и легкое образование пептидной связи. При этом центр Льюиса удерживает молекулу аминокислоты, а центр Брэнстеда активно катализирует реакцию конденсации (Sodupe et al., 2007).

Гипотеза А. И. Опарина предполагает, что протобионты могли делиться и передавать наследственную информацию с помощью разных механизмов, в том числе с помощью НК. Сейчас этот механизм назван по предложению Нобелевского лауреата 1962 г. по физиологии-медицине Ф. Крика центральной догмой молекулярной биологии. Она утверждает универсальное правило реализации генетической информации, а именно — информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не наоборот. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку является универсальным для всех без исключения организмов. Репликации генома соответствует информационный переход ДНК > ДНК. В природе встречаются также переходы РНК > РНК и РНК > ДНК (например у некоторых вирусов). Таким образом, центральная догма считает общим универсальным способом передачи генетической информации путь репликации ДНК > ДНК, транскрипции ДНК > РНК, трансляции РНК > белок. Кроме общего способа передачи информации, имеются ещё два — специальные и неизвестные. Специальные — это обратная транскрипция (РНК > ДНК), например, у вируса ВИЧ и в процессе защиты хромосом путём восстановления теломеров с помощью теломеразы (за подтверждение этой гипотезы, выдвинутой русским учёным A.M. Оловниковым в 1971-1973 гг., группе американских учёных — Е.Н. Blackburn, C.W. Greider, J.W. Szostak — была присуждена Нобелевская премия 2009 г. по физиологии-медицине), репликация РНК (РНК > РНК) — у некоторых вирусов, и прямая трансляция белка на матрице ДНК (ДНК > белок). Что касается неизвестных способов, то под ними подразумевают процессы передачи информации от белка к белку, к РНК или к ДНК (Инге-Вечтомов, 2000).

Однако эта догма, по современным представлениям, не учитывала механизм наследственной передачи структуры белковых молекул, составляющих оболочку протобионтов. Открытие в 1982 г. S.B. Prusiner прионов подтверждает эту гипотезу (Нобелевская премия 1997 г. по физиологии-медицине). Прионы являются обычными низкомолекулярными белками оболочек клеток у всех животных (PrPS) и обладают врождённой способностью изменять свою структуру под влиянием неизвестных пока факторов. Образуются высокостабильные вирулентные частицы, которые заставляют изменять структуру молекул нормальных соседних прионов по термодинамическим законам без участия НК. После накопления таких инфекционных прионов выше пороговой концентрации развиваются смертельные энцефалопатии. В зависимости от отдела мозга, где происходит описанный процесс, могут возникнуть 5 нейродегенеративных смертельных болезней, названных прионовыми. Характерным проявлением всех этих заболеваний на последних стадиях их развития служит образование в тканях головного и спинного мозга миелоидных тяжей и бляшек, состоящих из упомянутого прионного белка PrPSc. При этом ткани мозга на срезе приобретают вид губки («губчатая болезнь мозга»). Есть предположение, что подобный механизм может иметь место при болезни Альцгеймера.

Исследование деталей генного контроля синтеза прионов у дрожжей показало, что, помимо первичной структуры белков, передаваемой с помощью ДНК и РНК, каким-то образом передаётся информация о вторичной и третичной укладке полипептидной цепи, то есть о структуре синтезируемых белков, без участия НК (Инге-Вечтомов, 2000).

Наконец, за гипотезу о первичности возникновения пептид/белкового мира говорит «принцип Кюри» (диссимметрия творит явление). Без оболочек и мембран никакого развития клеток быть не может, а их возникновение считает первичным только гипотеза А.И. Опарина.

Все эти гипотезы объединяет признание основополагающей роли полимерных молекул. Отметим, что все эти полимеры оказались состоящими из одного оптически активного асимметричного стереоизомера, то есть гомохиральность была обеспечена ещё на уровне образования первых пептидов. Объяснить этот феномен можно, приняв во внимание свойства элементов, из которых состоят биомолекулы. Главные из них — способность образовывать полимеры и связываться с другими атомами и элементами, то есть электроннодонорные свойства и размер атома.

Возникновение гомохиральности жизни, то есть образование полимеров главным образом из мономеров одного энантиомера, А. Ленинджер объясняет устойчивостью образовавшихся полимерных структур и стереоспецифичностью активных центров ферментов или матриц. Так, α-спираль белков образуется из полипептидных цепей только одного энантиомера. α-Спираль полипептида, содержащего оба оптических энантиомера, неустойчива. В опытах по оценке воспроизводимости оптической специфичности НК было показано, что на матрице полиуридиловой кислоты с рибозой в виде D-формы из рацемической смеси адениловой кислоты конденсировалась полиадениловая кислота только с D-рибозой. Таким образом, возникшая ранее оптическая стереоспецифичность поддерживается автоматически по термодинамическим законам.

В 2001 г. трём учёным за выяснение деталей синтеза хиральных молекул была присуждена Нобелевская премия по химии. W.S. Knowles и R. Noyori обнаружили, что переходные металлы участвуют в хиральных катализаторах для синтеза стереоспецифичных гидрогеназ, получая желательный изомер фермента. К.В. Sharpless получил хиральные катализаторы для синтеза оксигеназ такой же конформации. Всего одна молекула катализатора может производить миллионы молекул желательного изомера. Лауреаты открыли новую область синтеза молекул и материалов с новыми свойствами. Сегодня результаты их фундаментальных исследований используются при множестве промышленных синтезов фармацевтических продуктов типа антибиотиков, противовоспалительных и сердечных лекарств, в частности, в промышленном производстве L-DOPA для лечения болезни Паркинсона.

В настоящее время принято считать, что всё развитие организма происходит в соответствии с генетической программой индивидуума. Например, процесс старения, апоптоз, сердечно-сосудистые нарушения, рак и многие другие патологии, связаны с функционированием различных генов. Конечно, в полной мере от генетических особенностей зависят наследственные болезни. Однако на примере прионов мы уже знаем, что возникшая вирулентность может наследоваться без участия НК. Можно полагать, что имеются механизмы передачи информации, которые сопровождаются активацией разных генов. Так, интенсивные исследования обмена меди в последние годы показали, что активирование разных генов, проявляющихся в разных патологических состояниях, происходит от накопления в организме иона металла в свободной форме (Bertini, 2007). При некоторых концентрации или соотношении ионов металлов активируются гены, синтезирующие белок, вызывающий смертельную болезнь Менкеса, а при других концентрациях ионов они остаются неактивированными, но активируются совершенно другие гены, синтезирующие белок болезни Вильсона, поддающейся лечению. В итоге врачам приходится сталкиваться с совершенно разными болезнями.

По-видимому, причиной генетических нарушений обмена, которые при разных заболеваниях могут проявляться в течение жизни, являются процессы микро- или полимикроэлементоза. Нарушение металл-лигандного гомеостаза у конкретного больного сопровождается включением тех или иных генов. В неживой природе развитие реакции от появления активной частицы (свободного радикала или атома в химических, нейтрона — в ядерных процессах) происходит в виде цепной реакции (ЦР). Наблюдается цепь последовательных превращений неактивных молекул или ядер. Свободные радикалы или атомы (но не молекулы) имеют свободные ненасыщенные валентности (непарный электрон), что обеспечивает их взаимодействие с другими молекулами. При первом же столкновении свободного радикала (R°) с молекулой происходит разрыв одной из её валентных связей. В результате реакции образуются новая химическая связь и новый свободный радикал, который в свою очередь реагирует с другой молекулой — начинается цепная реакция. За теорию разветвлённой ЦР Н.Н. Семёнов и С. Хиншелвуд получили Нобелевскую премию 1956 г. по химии.

В живой природе ЦР, в соответствие со спецификой жизненных процессов, должна сопровождаться наследственно определенными биохимическими проявлениями. Например, процессы окисления протекают в виде дыхательной цепи. То же можно сказать о процессе полимеризации, синтезе биополимеров, а также процессах нарушения металл-лигандного гомеостаза, проявляющихся соответствующими болезнями. По-видимому, в НК живых организмов закодировано много замедленных (вырожденных) разветвлённых ЦР.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74046 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19350 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17137 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы