Современная научная парадигма

Современная научная парадигма

Поиски истоков жизни

1. 1924 г. Александр Опарин – теория коацерватов.

Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

· Возникновение органических веществ

· Возникновение белков

· Возникновение белковых тел

2. 1929 г. Холдейн – дополнение к теории Опарина.

1953 г. Стенли Миллер – аппарат Миллера, моделирующий условия прото Земли. При отсутствии газообразного кислорода – Миллер и его последователи получили широкий спектр органических соединений. Моделирование этих процессов (Миллер, Бреслер, Оро). Полимеризация, образование критической массы, случайное чередование мономеров.

3. Сидней Фокс – получил из сухой смеси аминокислот – протеиноиды (белковоподобные вещества), некоторые из них имели свойства, подобные ферментам. На первобытной Земле такие соединения могли образоваться в лужах после отлива. Протеиноиды – нестабильны в присутствии воды. Дальнейший синтез органики в гидросфере (источник энергии: тепло Земли, электрические разряды атмосферы, космические излучения ввиду отсутствия озонового экрана). Роль катализаторов неорганической природы (пемза, каолин) и свертывание пространства в них. Формирование мономеров (аминокислот, моно- и полинуклеотидов.

4. Образование агрегатов (коацерватов)

Возникновение надмолекулярных структур. Особенности коацерватов как физико-химических структур. Случайность дробления, слияния, переход в раствор и т.д., т.к. они негомеостатичны. Формирование поточных систем протобионтов.

Образование полупроницаемых (сольватных эндокристаллических) мембран. Взаимодействия химических соединений внутри системы, избирательность выведения продуктов химических реакций.

Формирование потока вещества как одной из основ гомеостаза.

Начало «предбиологического естественного отбора». Преимущества в ходе этого отбора систем с наличием большого количества энергетически насыщенных соединений (АТФ и др.). Формирование потока энергии и её трансформация.

Соответствие нуклеиновых кислот характеру белков ферментов, что является одной из основ гомеостаза. При несоответствии – основа формирования вирусов.

В 80 гг. эта дискуссия стала известна как противостояние двух концепций трактующих характер доклеточного предка как – информационно-генетический или субстратный (обменно-метаболический).

По гипотезе Опарина в точном соответствии с теорией химической эволюции зарождение жизни произошло на основе добиологической основы (абиогенного происхождения), как закономерный результат плавного перехода химической эволюции в биологическую. Основные положения гипотезы Опарина можно проверить экспериментально, даже получить коацерваты, которые по гипотезе Опарина имитируют доклеточного предка жизни и его функциональные особенности.

Слабым местом гипотезы Опарина является то, что основные ее теоретические положения носят теоретический характер: например,

а) положение о возможности самовоспроизведения этих доклеточных структур при отсутствии в них генетического кода;

б) вовлечение в метаболические процессы «готовых ферментов», находящихся во внешней среде.

Итог: мы видим, что самым слабым положениям гипотезы Опарина является то, что, очень трудно представить каким образом после того как доклеточный предок приобрел способность к обмену веществ произошло приобретение им генетической программы.

В гипотезе генобиоза, основное положение которой заключается в том, что первоначально доклеточный предок представлял собой только нуклеиновую кислоту, слабым местом является то, что в современных условиях репродукция нуклеиновых молекул невозможна без ферментных белковых систем.

Значит, суть проблемы заключается в том:

а) что было первичным белковые молекулы или нуклеиновые кислоты;

б) если оба класса биополимеров возникли не одновременно, то на каком этапе все таки произошло их объединение в единую систему, способную к функциям передачи генетической информации и регуляции биосинтеза белков.

М. Зиген (1970-1980) предложил компромиссную гипотезу, суть которой заключается в симбиотическом объединении между биоидами (белковыми протобионтами) и информационным субстратом в виде нуклеиновых кислот. Но, есть аргументы против:

- глубокие структурные и функциональные отличия между информационными и метаболическими структурами;

- невозможность одновременного появления обеих структур в ходе химической эволюции;

- нереальность совместного сосуществования в протобиологической структуре.

Рассмотрим основные положения гипотезы генобиоза Дж. Холдейна, позиции которой стали доминирующими в 1970 гг.

- прародительница всего живого первичная информационная нуклеотидная последовательность была действительно «голой», так как она не была соединена с протеинами;

- эта молекула сама была способна к самовоспроизведению в отсутствие белков;

Что же это за молекулы? В рамках гипотезы хиральности (ассиметрии всего живого) это скорее всего были либо молекулы ДНК либо молекулы РНК.

Теперь мы получили противоречие с центральным положением (догмой) молекулярной биологии о направлении потока информации в живых системах: ДНК –→ РНК –→БЕЛОК.

Как могла функционировать протогенетическая полинуклеотидная система, если в отсутствие ферментов (белков), если допустить, что белки появились вторично.

Ответ на этот вопрос был получен в 80 гг. когда открылся мир РНК.

Скорее всего, первичной молекулой, которая появилась у протобионта (доклеточного предка) была молекула не ДНК, а РНК.

Во-первых, Д. Балтимором и Т. Теминым был открыт фермент обратная транскриптаза (ревертаза), который катализирует реакцию синтеза на молекуле РНК молекулы ДНК у РНК-содержащих вирусов.

Во-вторых, в 1977 г. было открыто явление способности РНК аденовирусов к процесингу и сплайсингу.

Окончательно проблема РНК была решена после двух важнейших открытий:

- в начале 1980 гг. было установлено, что РНК способна к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Это было установлено Спилнгельманом у бактериофага Ку-бета (этот бактериофаг способен к самовоспроизведениюв условиях ин-витро в среде, содержащей нуклеотиды, за счет ревертазы, находящеся в геноме этого вируса). Геном этого вируса -реликтовая современная модель доклеточного предка, эволюция которого шла по пути превращения в современный ДНК=овый геном и утраты им самостоятельных каталитических функций.

- открытие рибозима – молекулы РНК, способной к каталитическому вырезанию интронов из предшественников транспортных РНК. Рибозим характерен и для прокариот и для эукариот.

На этом основании было высказано предположение о том, что самой древней молекулой РНК была тРНК.

СПИРИН А.С.

Эволюция белкового синтеза

Молекулярные механизмы, лежащие в основе синтеза белка необычайно сложны. Главную роль в самом процессе синтеза играет конечно рибосома. Рибосома состоит из основы (нескольких молекул рРНК) и соединенных с ними множества белковых молекул.

Однако недавнее открытие о том, что в некоторых случаях в качестве ферментов могут выступать непосредственно молекулы РНК, позволяет по новому взглянуть на их функцию. Возможно на ранних этапах эволюции в первых клетках, молекулы т-РНК сами, без участия аминоацилсинтетаз, формировали каталитические поверхности, которые позволяли им связывать и активировать аминокислоты. Возможно, что в то время роль целой рибосомы выполняли молекулы рРНК, свертывающиеся таким образом, что могли обеспечивать направленное спаривание кодонов с антикодонами и катализ полимеризации аминокислот. Затем в ходе эволюции к этой конструкции могли присоединяться белки, каждый из которых повышал точность и надежность процессов трансляции. Таким образом, высокая доля рРНК сохранилась с тех давних времен.

Современная научная парадигма