Костецкий Э.Я. Как возникла жизнь.Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

стадия минерализации – образование минерализованного поликристалла (3). Совокупность таких кристаллов и

составляет скелетную ткань – кость, раковину, панцирь и т.п. Схема приводится по С.Н. Голубеву [1]

Процесс биоминерализации закодирован и реализуется в организме с

помощью специальных белков [19, 47], энзимов [12], сульфатированных

мукополисахаридов [28], везикул экстрацеллюлярного матрикса [11] и

энергетического контроля[31]. С помощью изменений в органической матрице

можно управлять биоминерализацией [23]. На ее начальном этапе существенную

роль играют фосфорилированные и сульфатированные гликопротеины [30].

Предполагают, что при их участии осуществляется формирование

биоминерализации через аморфный, жидкофазный предшественник [32].

Реактантами при этом являются ионы, а продуктами – ионные минералы.

Подвижная жидкокристаллическая матрица может допускать изменения в ионных

расстояниях биогенных кристаллов, но эти изменения в арагоните по оси С не

превышают 0,1 % [1, 34].

Известно, что любой биогенный (биологического происхождения) кристалл

состоит из минеральных кристаллов и органических жидких кристаллов. При

этом минеральная часть может быть представлена апатитом (фосфат кальция) у

позвоночных (зубы и кости), прокариот и одноклеточных, кальцитом или

арагонитом (две кристаллические модификации карбоната кальция) у прокариот,

водорослей и беспозвоночных, кристобалитом (аморфная окись кремния) у

радиолярий, кремниевых губок и диатомовых водорослей, а органическая часть

(около 20-30 % сухой массы) – фибриллярными белками (коллаген, эластин),

полисахаридами (хитин в клеточных стенках бактерий, грибов, панцирей

членистоногих; хондроитинсульфат и гиалуроновая кислота в составе

соединительной ткани многих организмов) и фосфолипидами. По данным С.Н.

Голубева [1], четыре основных скелетных минерала (апатит, кальцит, арагонит и

кристобалит), имеют совпадающие и взаимосогласованные пропорции, которые

сопрягаются с параметрами матричных конфокальных текстур жидких

кристаллов. Совпадение характеризуется высокой, но конечной точностью. А

поскольку конфокальные текстуры по механизму образования сопряжены с

дислокациями жидких кристаллов, то модель оставляет некоторую энтропийную

свободу. Для построения модели происхождения жизни достаточно обратить

(«перевернуть») механизм сопряжения органической матрицы с минеральной

решеткой [4, 5] и рассмотреть механизм возникновения живых систем путем

диффузии свободных радикалов и ионов газовой фазы в кристаллическую

решетку.

При обращении модели матрица твердая, реактантами являются радикалы и

ионы (СН

, :СН

, СН

, С

4-(4+)

, H

, N

, NH

, СО

и т.д.), но

меньшего радиуса, чем ионы в минеральной матрице, а продуктами – молекулы с

химическими связями, существенно более короткими, чем атомные расстояния у

предшественников. Как следствие при формировании органоминерального

комплекса в матрице минерального кристалла эпитаксия

не может существовать,

и на первый план выходит правило замещения вакансий «объем на объем»

(метасоматоз) при ориентационном контроле со стороны силовых полей ячейки

минерала (единое энергетическое поле, создаваемое атомным окружением).

Предполагаемый нами механизм формирования органоминерального

комплекса будет рассмотрен ниже.

С позиций современного знания любая живая система или ее составляющие

рассматриваются как жидкокристаллические структуры со всеми вытекающими

из этого последствиями [17]. Исходя из сказанного выше, можно вести речь о

реальных механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных

эффектах в минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе

возникновения жизни делает этот процесс закономерным, а время его весьма

кратким. В клетках, какими мы их представляем сегодня, все элементы системы

так тесно связаны друг с другом, что отсутствие даже одного из них нарушает

работу всей системы. Первичные пробионты, по-видимому, должны были

представлять собой хорошо упорядоченные образования. Возникает вопрос, а не

были ли предшественники первичных протоклеток органоминеральными

Эпитаксия – направленная кристаллизация одного вещества на поверхности частиц другого при

условии стереохимического взаимосоответствия двух веществ.

кристаллами? Ведь кристаллы – это образования, способные к самосборке.

Кристаллам присущ основной тип строения, для которого характерна высокая

периодичность, но в каждом реальном кристалле эта структура имеет дефекты.

Такие дефекты, малые или большие, делают кристаллы потенциально

высокоинформативными. Они могут приводить к образованию множества

стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием

для хранения информации.

Выше мы говорили о том, что матрица апатита может быть реальной основой

для синтеза нуклеиновых кислот, белков, НП и полисахаридов. Однако этого

предположения достаточно, чтобы понять, как возникли вирусы и фаги, но

недостаточно для понимания возникновения первичных протоклеток с их

сложным набором кодирующих и декодирующих белков, определенных

клеточных структур, способных обеспечить единую жидкокристаллическую

систему, матричный биосинтез биополимеров (репликацию, транскрипцию,

трансляцию) и гомеостаз всей системы. Сложность системы такова, что зачастую

она приходит в движение под влиянием отдельных электронов, протонов, квантов

света, изменения концентрации ионов. Поэтапное появление взаимосвязанных

клеточных структур подобной сложности с помощью эволюции не

представляется возможным ввиду короткого срока существования Земли.

Обобщим в форме вопросов некоторые, основные, особенности, присущие живым

клеткам.

1. Почему все клеточные элементы и целые организмы являются

жидкокристаллическими гомеостатическими структурами?

2. Почему клетки каждого таксона являются целостной (неделимой)

системой со своими индивидуальными особенностями? Перенесение

отдельных элементов клетки в другие, особенно филогенетически далекие

таксоны, как правило, невозможно.

3. Почему генетический код универсален?

4. Почему за универсальностью генетического кода, сходством принципов

организации клеточных структур, метаболизма, набора клеточных элементов

у разных таксонов не следует универсальность структурных элементов,

дешифрующих код (тРНК, ААтРНК-синте-тазы, рРНК, ДНК-полимеразы и

т.д.), осуществляющих метаболизм, участвующий в формировании

клеточных структур, и т. д.?

5. Почему в ДНК эукариот имеются уникальные, умеренно повторяющиеся

и сателлитные (балластные) последовательности, не несущие никакой

информации? Нетранслируемые последовательности ДНК могут достигать

85 % и, вероятно, более.

6. Почему в структуре белков, выполняющих различные функции, имеются

сходные блоки аминокислотной последовательности?

7. Почему в клетках присутствуют специфические белки для ионов

кальция, фосфора, магния, стронция, кремния и др.?

8. Почему ионы Са

и РО4

являются ключевыми элементами во всех

живых системах?

9. Почему в состав органической составляющей клеток входят

преимущественно углерод, водород, азот, кислород?

10. Почему ДНК имеет строго определенные параметры (диаметр – 18 Å,

расстояние между парами оснований – 3,4 Å), определенную

комплементарность (А=Т и Г=Ц), хотя запрета на комплементарность между

любыми другими парами нет; почему фосфодиэфирные связи в ДНК и РНК

только между 3'- и 5'-положениями рибозы, хотя запрета на другие

положения нет?

11. Суть или причины возникновения перечисленных особенностей

попытаемся понять в ходе дальнейшего изложения в следующей части

работы.

Литература

1. Голубев С.Н. Минеральные кристаллы внутри организмов и их роль в

происхождении жизни / С.Н. Голубев // Журн. общ. биол. 1987. Т. 48. С. 784-

806.

2. Журн. Всесоюз. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 1980. Т. 25, № 3-4. 480 с.

3. Кнубовец Р.Г. Исследование анионных замещений в апатитах методом

инфракрасной спектроскопии. Физика апатита. (Спектроскопическое

исследование апатита) / Р.Г. Кнубовец, Л.Д. Кисловский. – Новосибирск: Наука,

1975. – 111 с.

4. Костецкий ЭЛ. О возможности синтеза нуклеопротеинов на матрице

апатита / Э.Я. Костецкий, С.А. Алексаков // Докл. АН СССР. 1981. Т. 260. С.

1013-1018.

5. Костецкий Э.Я. О происхождении жизни и возможности формирования

протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита / Э.Я.

Костецкий // Журн. эвол. биохим. физиол. 1999. Т. 35. С. 249-256.

6. Костов И. Минералогия / И. Костов. – М.: Мир, 1971. – 584 с.

7. Меклер Л.Б. Общая теория биологической эволюции: новый подход к

старой проблеме / Л.Б. Меклер // Журн. Всесоюз. хим. о-ва им. Д.И.

Менделеева. 1980. Т. 25, № 3. С. 333-356.

8. Раменская М.Е. О структурно-механических примесях в решетках

исландского шпата / М.Е. Раменская // Докл. АН СССР. 1985. Т. 280, №4. С.

991-994.

9. Симионеску К.И. Происхождение жизни. Химические теории / К.И.

Симионеску, Ф.М. Денеш. – М.: Мир, 1986. – 120 с.

10. Суходолец В.В. К вопросу о происхождении генетического кода:

возможность физического предопределения наборов общих аминокислот и

первых двух оснований в кодонах /В.В. Суходолец // Генетика. 1980. № 5. С.

756-759.

11. Anderson Н.С. The role of matrix vesicles in growth plate development and

biomineralization / H.C. Anderson, R. Garimella, S.E. Tague // Front. Biosci. 2005. N

10. P. 822-837.

12. Bartlett J.D. Proteinases in developing dental enamel / J.D. Bartlett, J.P.

Simmer // Crit Rev. Oral. Biol. Med. 1999. V. 10, N 4. P. 425-441.

13. Berger J.D. The genetic code and the origin of life / J.D. Berger // Acta

Biotheor. 1976. V. 25, N 4. P. 259-263.

14. Bernardi G. Chromatography of nucleic acids on hydroxyapatite1.

Chromatography of native DNA / G. Bernardi // Biochim. Biophys. Acta. 1969. V.

174. P. 423-434.

15. Bernardi G. Chromatography of proteins on hydroxyapatite / G. Bernardi //

Methods Enzymol. 1973. V. 27. P. 471-479.

16. Bragg W.H. Liquid crystals / W.H. Bragg // Nature. 1934. V. 133. P. 445-456.

17. Brown G.H. Liquid crystals and biological structures / G.H. Brown, J.J.

Wolken. – New York; San Francisco; London: Academic Press, 1979. – 320 p.

18. Cairns-Smith A.G. Mineral theories of the origin of life and an iron sulphide

exsemple / A.G. Cairns-Smith, A.J. Hall, M.J. Russel // Origin. Life Evol. Biosphere.

1992. V. 22. P. 161-180.

19. Chen S. Binding of two nuclear factors to a novel silencer element in human

dentin matrix protein 1 (DMP1) promoter regulates the cell type-specific DMP1 gene

expression / S. Chen, N. Inozemtseva-Clayton, J. Dong, T.T. Gu, M. MacDougall // J.

Cell. Biochem. 2004. V. 92, N2. P. 332-349.

20. Chernavskil D.S. The origin of life and thinking from the viewpoint of modern

physics / D.S. Chernavskil // Usp. Fiz. Nauk. 2000. V. 170. P. 157-183.

21. Crick F.H. Structure of polyglycine II / F.H. Crick, A. Rich // Nature. 1955. V.

176, N4486. P. 780-781.

22. Eigen M. Selforganization of matter and the evolution of biological

macromolecules / M. Eigen. - Berlin; Helderberg; New York: Springer-Verlag, 1971.

– 215 p.

23. Heywood B.R. Biomineralization: new directions in crystal science / B.R..

Heywood // Microsc. Res. Tech. 1994. V. 27, N 50. P. 376-388.

24. Kawasaki T. Theory of chromatography of rigid molecules on hydroxyapatite

columns with small loads. V. Determination of the adsorption energy of the ε-amino

group of poly-L-lysine and the manner of adsorption of the molecule / T. Kawasaki //

J. Chromatogr. 1978. V. 157. P. 7-42.

25. Kawasaki T. Theory of chromatography of rigid molecules on hydroxyapatite

columns with small loads. IV. Estimation of the adsorption energy of nucleoside

polyphosphates / T. Kawasaki // J. Chromatogr. 1978. V. 151. P. 95-112.

26. Kay M.I. Crystal structure of hydroxyapatite / M.I. Kay, R.A.Young, A.S.

Posner // Nature. 1964. V. 204. P. 1050-1052.

27. Martin W. On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions

from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to

nucleated cells / W. Martin, M. Russell // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci.

Jan. 29. 2003. V. 358, N 1429. P. 59-83; discuss. 83-85.

28. Miyashita T. Complementary DNA cloning and characterization of pearlin, a

new class of matrix protein in the nacreous layer of oyster pearls / T. Miyashita, R.

Takagi, M. Okushima, S. Nakano, H. Miyamoto, E. Nishikawa, A. Matsushiro // Mar.

Biotechnol (N.Y.). 2000. V. 2, N5. P. 409-418.

29. Mojizsis S.J. Origin of life from apatite dating? / S.J. Mojizsis, T.M. Harrison,

G. Arrhenius, K.D. McKeegan, M. Grove // Nature. 1999. V. 400. P. 127-128.

30. Moradian-Oldak J. Interactions between acidic matrix macro-molecules and

calcium phosphate ester crystals: relevance to carbonate apatite formation in

biomineralization / J. Moradian-Oldak, F. Frolow, L. Addadi, S. Weiner // Proc. R.

Soc. bond. B. Biol. Sci. 1992. V. 247, N 1318. P. 47-55.

31. Navrotsky A. Energetic clues to pathways to biomineralization: precursors,

clusters, and nanoparticles / A. Navrotsky // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2004. V. 101,

N 33. P. 12096-12101.

32. Olszta MJ. A new paradigm for biomineral formation: mineralization via an

amorphous liquid-phase precursor / M.J. Olszta, D.J. Odom, E.P. Douglas, L.B.

Gower// Connect Tissue Res. 2003. V. 44, suppl. 1. P. 326-334.

33. Orgel L.E. Anticipating an RNA world, some past speculations on the origin of

life: Where are they today? / L.E. Orgel, F.H.C. Crick // Federal Proc. Federat. Amer.

Soc. Exp. Biol. 1993. V. 7. P. 238-245.

34. Pokroy B. Anisotropic lattice distortions in biogenic aragonite / B. Pok-roy,

J.P. Quintana, E.N. Caspi, A. Berner, E. Zolotoyabko // Nat. Mater. 2004. V. 3, N 12.

P. 900-902.

35. Ponnamperuma C, Mack R. Nucleotide synthesis under possible primitive

earth condisions / C. Ponnamperuma, R. Mack // Science. 1965. V. 148. P. 1221-

1223.

36. Ramachandran G.N. Structure of collagen / G.N. Ramachandran, G. Kartha //

Nature. 1955. V. 176, N 4482. P. 593-595.

37. Ramachandran G.N. Refinement of the structure of collagen / G.N.

Ramachandran, V. Sasisekharan // Biochim. Biophys. Acta. 1965. V. 109. P. 314-316.

38. Ramachandran G.N. Molecular structure of polyglycine II / G.N.

Ramachandran // Biochim. Biophys. Acta. 1966. V. 112. P. 168-170.

39. Ramachandran G.N. Stereochemistry of collagen / G.N. Ramachandran // Rev.

Int. J. Pept. Protein Res. 1988. V. 31. P. 1-16.

40. Rich A. The molecular structure of collagen / A. Rich, F.H. Crick // J. Mol.

Biol. 1961. V. 3. P. 483-506.

41. Saenger W. Principles of nucleic acid structure / W. Saenger. – New York;

Berlin; Heidelberg; Tokyo: Springer-Verlag, 1984. – 584 p.

42. Schwartz A.W. Prebiotic phosphorylation-nucleotide synthesis with apatite /

A.W. Schwartz // Biochim. Biophys. Acta. 1972. V. 281. P. 477-480.

43. Sudarsanan K. Significant precision in crystal structural details: holly springs

hydroxyapatite / K. Sudarsanan, R.A. Young // Acta. Crystal -logr. 1969. V. B25. P.

1534-1543.

44. Taves D.R. A structural basis for the transphosphorylation of nucleotides with

hydroxyapatite / D.R. Taves, R.C. Reedy // Calcif. Tissue. Res. 1969. V. 3. P. 284-

292.

45. Wang A.H-J. Molecular structure of a left-handed double helical DNA

fragment of atomic resolution / A.H-J. Wang, G.J. Quigley, F.J. Kolpak, J.L. Craford,

J.H. van Boom, G. van der Marel, A. Rich // Nature. 1979. V. 282. P. 680-686.

46. Wang A.H-J. Left-handed double DNA: variations in the backbone

conformation / A.H-J. Wang, G.J. Quigley, F.J. Kolpak, G. van der Marel, J.H. van

Boom, A. Rich // Science. 1981. V. 211. P. 171-176.

47. Wiesmann N.P. Aspects of Collagen Mineralization in Hard Tissue

Formation / N.P. Wiesmann, U. Meyer, U. Plate, H.J. Hohling // Int. Rev. Cytol.

2005. V. 242. P. 121-156.

48. Zasedatelev A.S. Theory of one-dimensional adsorption. I. Adsorption of small

molecules on a homopolymers / A.S. Zasedatelev, G.V. Gurskii, M.V.

Vol`kenshtein // Mol. Biol. 1971. V. 5, №2. P. 194-198.