Л.В. ЯКОВЕНКО

Происхождение биологических мембран

Бислойные липидные мембраны – непременный атрибут любой клетки. Вопрос о том, как и когда появились мембраны у клеток, непосредственно связан с вопросом о происхождении клеток, а следовательно, и жизни.

Проблемы возникновения (сотворения) мира и его эволюции всегда интересовали людей. По этому поводу написано множество статей и книг, но бесспорно принятого ответа на вопрос о том, как возник окружающий нас мир – Вселенная, Солнечная система, Земля и жизнь на ней – и что ждет его в будущем, в них нет и, учитывая современный уровень знаний, вряд ли он скоро появится. Тем не менее на некоторые вопросы, в частности касающиеся отдельных стадий происхождения жизни на Земле, уже сейчас можно дать более или менее правдоподобные ответы.

Решение проблемы происхождения жизни тесно связано с ответом на вопросы о том, какова природа жизни и насколько распространена жизнь во Вселенной. При этом, прежде всего, надо решить, что можно называть жизнью.

По-видимому, жизнь должна быть основана на соединениях углерода и основные ее процессы должны протекать в водной среде. Другие формы жизни нам неизвестны. По выражению Ф.Крика, мы изучаем жизнь такой, как мы ее знаем, а не такой, какой она могла бы быть.

Одним из важнейших атрибутов живой системы является ее способность к самовоспроизведению, которая у современных организмов связана с размножением. Основой самовоспроизведения является матричный синтез белков и нуклеиновых кислот.

В современном мире биомолекулы синтезируются в клетках в ходе разнообразных биохимических реакций, как правило, катализируемых ферментами, которые сами образуются в ходе таких же реакций. Как же появились первые биомолекулы во времена, когда клеток и матричного синтеза еще не было? На этот вопрос отвечает теория абиогенеза – образования биологически важных органических соединений в ходе природных физико-химических процессов.

В конце XVIII – начале XIX в. Ж.Сенебье (1742–1809) и Н.Т. де Соссюр (1767–1845) с помощью тонких экспериментов установили, что, говоря современным языком, растения синтезируют углеводы из углекислоты и воды за счет энергии света. Это было, по-видимому, первым доказательством возможности образования органических соединений из неорганических, правда, с участием растений, а не абиогенно.

Возник вопрос, нельзя ли синтезировать органические соединения без участия растений? В 1828 г. Ф.Вёлер (1800–1882) дал ответ на этот вопрос, синтезировав мочевину из циановокислого калия. Эти эксперименты побудили ученых к поиску путей синтеза органических соединений из неорганических без участия живых организмов. В 1861 г. А.М. Бутлеров (1828–1886), обработав формальдегид известковой водой, получил соединение, имевшее сладкий вкус, названное им метиленитаном и идентифицированное позже Э.Г. Фишером (1852–1919) как формоза (-акроза) – углевод, не поддерживающий брожения. А настоящий виноградный сахар впервые синтезировал из углекислого газа и воды в 1890 г. тот же Э.Г. Фишер, и он же позже установил, что белки состоят из аминокислот.

Опубликованная в 1924 г. книга А.И. Опарина (1894–1980) «Возникновение жизни на Земле» отражала интерес ученых к проблеме происхождения жизни и привлекла к ней внимание широкой общественности. Кроме того, она стимулировала экспериментальные исследования в области абиогенного синтеза. Так, в 1920–1930-х гг. сотрудникам академика А.Н. Баха (1857–1946) удалось показать, что в реакциях формальдегида с цианидом могут образовываться аминокислоты, которые затем конденсируются с образованием олиго- и полипептидов. Но особенно успешными были серии экспериментов, проведенные в начале 1950-х гг. С.Л. Миллером (р. 1930), бывшим тогда аспирантом известного ученого Г.К. Юри (1893–1981, Нобелевская премия 1934 г. за открытие дейтерия).

Стэнли Миллер использовал подобный аппарат для
воссоздания условий, характерных для первозданной Земли

В первых экспериментах Миллера при продолжавшемся несколько дней коронном электрическом разряде в смеси газов NH₃, Н₂, CH₄ и насыщенного водяного пара образовывались аминокислоты и некоторые другие органические соединения, характерные для современных организмов. Подобные эксперименты были затем проведены в разных лабораториях. При вариациях химического состава смеси (добавлении HCN, формальдегида, H₂S и т.д.) и замене электрического разряда на ультрафиолет или тепловое воздействие удалось получить не только аминокислоты, но и некоторые нуклеиновые основания, порфирины, сахара, компоненты липидов.

К настоящему времени практически все основные биологически важные органические соединения были получены в лабораторных экспериментах, моделирующих условия, существовавшие около 4 млрд лет назад в различных местах на Земле. Далее мы кратко перечислим наиболее вероятные условия на поверхности Земли в то время.

По современным данным, вода начала конденсироваться на поверхности Земли около 4 млрд лет назад. В это время образовывались и исчезали так называемые дарвиновские лужи – водоемы с горячей водой, насыщенной минеральными соединениями. Поверхность Земли подвергалась интенсивной бомбардировке метеоритами, которая завершилась около 3,8 млрд лет назад. Атмосфера имела восстановительный характер, свободного кислорода в ней практически не было.

Возникает вопрос: в каких количествах образовывались органические соединения в природных условиях? В лабораторных экспериментах по абиогенному синтезу биологически важных молекул концентрации исходных веществ должны были быть довольно высокими. В настоящее время по данным NASA (США) за год происходит около 1,2 млрд грозовых разрядов. В период формирования гидросферы на Земле интенсивность гроз была выше, что создавало необходимые условия для абиогенного синтеза органических соединений.

Помимо синтеза за счет электрических разрядов на Земле были и другие источники органических соединений. Довольно много разнообразных органических соединений, в том числе аминокислот и нуклеиновых оснований, обнаруживается в составе некоторых метеоритов. Поэтому, если и не жизненные формы, то по крайней мере органику метеориты могли принести на Землю. Однако есть и гораздо более мощный источник органики.

Аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, порфирины, различные углеводороды и производные этих соединений, содержащие кислород, азот, серу, фосфор, в огромных количествах – до 10⁸ кг за одно извержение – выбрасываются вулканами. По оценкам В.И. Вернадского, суммарная масса живых организмов на Земле составляет примерно 10¹⁷ кг. Следовательно, в результате 10⁹ извержений на поверхность Земли выбрасывается количество органических соединений, достаточное для формирования всей биомассы планеты. Сейчас на Земле около 1 тыс. действующих вулканов. Если бы каждый вулкан извергался один раз в год, на накопление необходимой массы органики ушло бы около 1 млн лет. В далеком прошлом вулканов было на порядки больше, да и извержения происходили гораздо чаще, чем сейчас, поэтому можно считать, что уже в самом начале геологической эволюции Земли разнообразных органических соединений на ней было достаточно для протекания химической эволюции, приведшей к появлению живых систем.

Все современные организмы построены из клеток – дискретных единиц живого. Клетки отделены от окружающей среды границей, имеющей более или менее сложное строение. Уже у одного из самых простых микроорганизмов – микоплазмы, имеющей всего около 500 генов, – эта граница представляет собой бислойную липидную мембрану со встроенными и прикрепленными к ней белками. Обычные бактерии устроены сложнее, у них помимо мембраны есть еще и клеточная стенка, выполняющая дополнительные функции. Поскольку клеточная мембрана есть у всех клеток, ее образование в ходе эволюции представляет собой необходимую стадию формирования предшественников клетки.

По палеонтологическим данным, первые прокариоты, образовывавшие строматолиты – биогенные слоистые породы, представляющие собой окаменевшие сообщества цианобактерий, – появились примерно 3,5 млрд лет назад. Однако, по данным изотопного анализа углерода, первые автотрофы появились раньше – около 3,8 млрд лет назад. Возможно, это были бесклеточные формы жизни, поскольку никаких следов клеток, относящихся к тому периоду, пока не обнаружено.

Обычно считается, что для случайного образования клетки не хватило бы времени существования Вселенной. Однако, по некоторым оценкам, прокариоты могли появиться из «первичного бульона» – растворов абиогенно синтезированных органических соединений – за время, не превышающее 10 млн лет. В любом случае, первые клеточные формы жизни сформировались из неклеточных форм не более, чем за 300 млн лет – очень короткий срок по геологическим меркам.

Когда же, где и в результате каких естественных процессов могла появиться жизнь на Земле?

Хорошо известны классические исследования и публикации А.И. Опарина, Дж.Б.С. Холдейна, Дж.Д. Бернала, С.Фокса и их последователей, посвященные моделям происхождения предшественников клеток, или протоклеток. В оригинальных работах этих и других авторов специально подчеркивается, что коацерваты Опарина, протеиноиды Фокса, маригранулы Эгами и т.д. в определенных условиях покрываются оболочкой, напоминающей клеточную мембрану.

Хотя образование упомянутых структур происходит в неравновесных условиях, сами они представляют собой равновесные системы. Этим они коренным образом отличаются от живых клеток, которые находятся в состоянии устойчивого неравновесия, постоянного обмена веществом с окружающей средой. Скорее всего, предшественники клеток образовались в условиях, исходно обеспечивших их неравновесность, которая затем закрепилась в ходе эволюции.

Помимо обмена веществ, неравновесность клеток характеризуется двумя важнейшими асимметриями в распределении веществ между клетками и внеклеточной средой. Речь идет о распределении ионов щелочных и щелочно-земельных металлов в так называемой хиральной чистоте биологических систем.

В цитоплазме живых клеток концентрация ионов калия выше концентрации ионов натрия в 10–30 раз, а в окружающей среде (морской воде или межклеточной жидкости) соотношение концентраций этих ионов обратное. Такое распределение ионов приводит к возникновению разности электрических потенциалов на мембране, иначе называемой трансмембранным потенциалом.

На поддержание ионной асимметрии клетка тратит до одной трети своих энергетических ресурсов. Это означает, что ионная асимметрия и соответствующий ей трансмембранный потенциал имеют большое значение в жизни клетки. Постоянство химического состава внутренней среды клетки, в частности концентраций ионов, обеспечивает оптимальные условия для процессов метаболизма в ней, т.е. адекватную скорость его осуществления в конкретных условиях. Взаимная зависимость между концентрациями ионов и трансмембранным потенциалом с одной стороны и метаболизмом – с другой приводит к тому, что трансмембранный потенциал играет важную роль в регуляции всех процессов жизнедеятельности клетки.

По-видимому, ионная асимметрия между клеткой и средой уже на самых ранних стадиях добиологической эволюции обеспечивала существенное эволюционное преимущество протоклеткам, обладавшим ею. За счет ионной асимметрии создавался запас свободной энергии, необходимый для осуществления энергоемких внутриклеточных процессов. Кроме того, она могла играть и информационную, сигнальную, роль, поскольку нарушение целостности мембраны протоклетки сразу обнаруживалось по возникавшим при этом ионным токам.

Ионы натрия и калия были использованы для создания такой асимметричной ионной системы по той простой причине, что это самые распространенные ионы морской воды и поэтому их концентрации могут быть достаточно высокими, чтобы обеспечить необходимую мощность источника свободной энергии. Кроме того, перераспределение ионов натрия и калия между клеткой и средой не приводит к дополнительным осмотическим нагрузкам на клетку при сохранении постоянной их суммарной концентрации.

Для клетки диаметром 6 мкм, плавающей в морской воде, имеющей трансмембранную разность потенциалов 60 мВ и внутриклеточные концентрации одновалентных ионов такие же, как в аксоне кальмара, энергетическая стоимость ионной асимметрии составляет примерно 6·10^–13 Дж. По-видимому, это значение энергии должно быть характерным для процессов, приведших когда-то к образованию протоклетки.

Помимо ионной асимметрии для живых систем характерна еще одна фундаментальная асимметрия, так называемая хиральная. Молекулы многих органических соединений симметричны. Среди различных видов симметрии зеркальная симметрия занимает особое место в биологии. Зеркально симметричные молекулы являются стереоизомерами хирального (от греч. heir – рука) соединения, или его энантиомерами. В зависимости от расположения четырех разных заместителей у какого-либо атома углерода, называемого также хиральным, энантиомеры относятся к L- или D-типу (от лат. laevo – левый, dextro – правый) (рис.1). В одной молекуле может быть несколько хиральных атомов углерода, однако тип аминокислоты определяется хиральностью ее a-углеродного атома.

Рисунок 1. Стереоизомеры хиральных органических соединений (номенклатура Э.Фишера): а – L- и D-аминокислоты, б – L- и D-глюкоза

Продолжение следует