Л.В. ЯКОВЕНКО

Окончание. См. № 9/2006

Происхождение биологических мембран

Энантиомеры обладают оптической активностью, т.е. вращают плоскость поляризации света влево или вправо, хотя направление вращения не всегда соответствует названию изомера. По другим физико-химическим параметрам энантиомеры не различаются и в обычных химических реакциях образуются в равных количествах, составляя так называемую рацемическую смесь.

Суть хиральной асимметрии состоит в том, что в клетках для рибосомального* синтеза белков используются только L-аминокислоты, а в состав нуклеиновых кислот входят только D-сахара. Таким образом, белки и нуклеиновые кислоты являются гомохиральными полимерами, т.е. состоят из звеньев одной и той же хиральности. Это явление получило название хиральная чистота биосферы. Хотя в клетках и встречаются энантиомеры аминокислот и сахаров другой хиральности, но не в составе белков, ДНК и РНК.

Биологический смысл хиральной чистоты биосферы понятен: гомохиральность белков и нуклеиновых кислот обусловливает стабильность их структур, обеспечивающих выполнение специфических функций: для гетерохиральных молекул невозможен матричный синтез – один из основных признаков живых систем. Кроме того, для биохимических преобразований гомохиральных белков и нуклеиновых кислот требуется гораздо меньше ферментов и, соответственно, гораздо более простой аппарат биосинтеза, чем для преобразований гетерохиральных соединений, выполняющих такие же функции. Поэтому, даже если гиперциклы или другие предбиологические автокаталитические системы были гетерохиральными, они должны были быть вытеснены гомохиральными системами со сходными функциями.

Однако механизмы возникновения гомохиральности и выбора ее типа (L или D) до последнего времени оставались совершенно неясными. Лишь в последние годы появились теоретические и экспериментальные данные, позволяющие сделать предположения о том, как могла бы сформироваться хиральная чистота биосферы.

Поддержание хиральной чистоты невозможно без затрат энергии. Расчеты для средней клетки, описанной выше при оценке энергетической стоимости ионной асимметрии, показывают, что энергетическая стоимость ее хиральной чистоты составляет около 7х10^–13 Дж. Удивительно, что две основные асимметрии, характерные для живых систем, стоят с энергетической точки зрения практически одинаково. Это наводит на мысль о том, что в ходе добиологической эволюции они возникли в результате процессов одной природы и в одном и том же месте. Где же могло быть это место и какие именно процессы привели к возникновению этих асимметрий?

Вероятным кандидатом на роль реактора, в котором появились протоклетки, в какой-то мере обладающие указанными асимметриями, является неравновесная поверхность океана. Это обусловлено следующими ее уникальными свойствами.

Поверхность Земли получает от Солнца световой энергии в среднем немного более 10 мВт/см2. Эта энергия поглощается в верхних слоях океана толщиной в десятки метров, а излучается обратно из слоя толщиной в доли миллиметра. Это связано с тем, что поглощается свет во всем диапазоне солнечного спектра, а излучается в инфракрасной (тепловой) области. Поскольку вода хорошо поглощает инфракрасный свет, он может излучаться только из самого тонкого верхнего слоя океана. Такое излучение приводит к тому, что верхний слой океана остывает – это так называемое радиационное охлаждение.

Существенный вклад в баланс энергии океана и атмосферы вносит испарение воды, которое также происходит только с поверхности и приводит к ее охлаждению. В результате на поверхности океана образуется тонкая холодная пленка.

Эта пленка очень устойчива и при разрушении может восстанавливаться за доли секунды. Перепад температуры в ней на первый взгляд невелик – 0,5–3,0 К. Но если учесть, что этот перепад приходится на слой толщиной около 0,5 мм, то средний градиент температуры будет не менее 1000 К/м, а в самом верхнем слое он может быть значительно выше.

В тонком поверхностном слое концентрация солей выше, чем в воде на глубине, поскольку соли не испаряются вместе с водой. Разные ионы имеют разные коэффициенты диффузии, поэтому в неравновесном поверхностном слое океана соотношение их концентраций может отличаться от соотношения концентраций на глубине – оно должно зависеть от скорости испарения воды и от скорости диффузии иона.

Неравномерность распределения ионов между поверхностным и глубинным (более 0,5 м) слоями характеризуют коэффициентом фракционирования:

, где

[K_s], [Na_s] – молярные концентрации ионов калия и натрия в поверхностном слое морской воды; [K_b], [Na_b] – молярные концентрации ионов калия и натрия в объемной фазе морской воды.

Такой же коэффициент фракционирования можно использовать для описания асимметрии распределения ионов между клеткой и окружающей средой, но тогда индексы s и b относятся к внутри- и внеклеточной средам соответственно. Для большинства клеток коэффициент разделения ионов калия и натрия находится в интервале 50–100.

В таблице приведены максимальные коэффициенты фракционирования в поверхностных слоях различных морей, измеренные в естественных условиях. Величина коэффициента фракционирования в каждом случае зависит от конкретных условий (температур воды и воздуха, влажности воздуха, скорости ветра) и характеризуется значительными колебаниями в течение суток. При высокой влажности холодная пленка практически отсутствует (Белое море) и фракционирование незначительно, при сухом воздухе (Каспийское море) испарение интенсивно и фракционирование максимально.

Таблица. Коэффициент фракционирования () ионов в поверхностном слое толщиной 0,05 мм в разных морях

Воспроизведение наблюдений в лабораторных условиях показало, что неравновесное распределение ионов в тонком поверхностном слое раствора сопровождается возникновением в нем разности электрических потенциалов около 5 мВ. Существенно, что в отсутствие испарения ни фракционирования ионов, ни разности потенциалов не возникало.

Особенностью этих экспериментов является то, что полученные значения коэффициентов фракционирования значительно превосходят теоретические предсказания: все модели дают его значения на порядок меньше наблюдаемых. По-видимому, существуют какие-то еще не учтенные факторы, приводящие к наблюдаемым результатам.

Около 50 лет назад Р.Дж. Голдэйкр обратил внимание на то, что частицы морских аэрозолей, образующихся при разрушении волн, лопании воздушных пузырьков у поверхности воды и т.п. имеют размеры, характерные для клеток. Он предположил, что морские аэрозоли могли играть какую-то роль в процессах предбиологической эволюции. Однако имевшихся тогда данных было недостаточно, чтобы это предположение обосновать.

Механизм формирования аэрозоля при разрушении воздушного пузырька у поверхности раствора довольно сложен. Он включает в себя образование капель двух типов: реактивных – больших и тяжелых, выбрасываемых со дна пузырька ударной волной, и пленочных – меньших размеров, формируемых из тонкой поверхностной пленки, разрываемой пузырьком. Реактивные капли обычно довольно быстро падают обратно на поверхность океана, а пленочные легко уносятся воздушными потоками и участвуют затем в формировании облаков. Стадии образования аэрозоля схематически изображены на рис. 2.

Рис 2. Стадии формирования аэрозоля при разрушении воздушного пузырька на поверхности водоема: 1 – всплывающий пузырек; 2 – пузырек у поверхности воды; 3 – разрыв поверхностной пленки с образованием мелких пленочных капель; 4 – образование крупных реактивных капель за счет ударной волны, распространяющейся по поверхности пузырька при его разрушении

Эксперименты показали, что солевой состав пленочных капель соответствует солевому составу тонкого поверхностного слоя океана в том месте, где они образовались, а коэффициент фракционирования ионов обычно выше, чем в поверхностном слое. Это означает, что аэрозоль содержит относительно больше ионов калия, чем морская вода, и меньше натрия (облака с наибольшим содержанием калия формируются над Красным морем).

Размеры этих капель – от 1 до 10 мкм – вполне соответствуют ожидаемым размерам предшественников клетки. Подхваченные воздушными потоками пленочные капли могут находиться в атмосфере до трех лет и за это время побывать в разных климатических зонах – от полярных до экваториальных.

Амфифильные соединения (имеющие одновременно полярные и неполярные радикалы), к которым относятся и фосфолипиды клеточных мембран, обладают поверхностной активностью, т.е. концентрируются на границе раздела океан–атмосфера. Это приводит к тому, что и поверхность аэрозольных капель оказывается покрытой монослоем амфифила. По мере испарения воды монослой конденсируется, становится плотным и затрудняет дальнейшее усыхание капли.

Длительное путешествие аэрозольной капли в верхних слоях атмосферы создает благоприятные условия для синтеза некоторых органических соединений, в частности жирных кислот.

Схема формирования фосфолипидного слоя

При падении аэрозольной частицы обратно на поверхность воды она быстро набирает второй слой молекул амфифила, например фосфолипида, и оказывается покрытой уже бислойной мембраной, что было показано экспериментально. Поскольку молекулы второго слоя обращены наружу своими полярными участками, такая везикула легко погружается в воду. Отдельные стадии описанного процесса показаны на рис. 3.

Рис. 3. Схематическое изображение стадий формирования бислойной липидной везикулы из аэрозольной капли, покрытой слоем амфифила (фосфолипида)

Недавно теоретически и экспериментально было показано, что поверхностно-активные соединения могут приводить к потере устойчивости аэрозольной капли. При этом от нее отпочковывается капля меньшего размера, которая захватывает часть содержимого материнской капли. Дочерняя капля имеет размеры, характерные для вирусных частиц.

Таким образом, существует естественный процесс, который приводит к формированию относительно стабильных везикул, покрытых бислойной (липидной) мембраной, имеющих клеточные размеры и солевой состав, инвертированный по одновалентным катионам по отношению к морской воде. Одно это выдвигает такие везикулы в число кандидатов на роль предшественников клеток.

Но оказалось, что неравновесный поверхностный слой водного раствора обладает еще одним удивительным свойством, экспериментально обнаруженным в лабораторных условиях: аэрозольные капли, полученные из растворов рацемических смесей аминокислот, были обогащены L-энантиомером соответствующей аминокислоты по сравнению с ее D-энантиомером. Преобладание одного из энантиомеров в смеси характеризуют коэффициентом хиральной асимметрии:

(в квадратных скобках – концентрации соответствующих энантиомеров).

В экспериментах с растворами валина, лейцина и глутамина были получены значения в диапазоне от 0 до 0,05, причем фракционирование энантиомеров зависело от степени неравновесности поверхностного слоя и исчезало в равновесных условиях.

Позже эти данные были подтверждены в сходных экспериментах методом ЯМР, правда, фракционирование энантиомеров было менее выражено. В последнее время был разработан новый метод определения фракционирования энантиомеров хиральных соединений, основанный на особенностях отражения мощного лазерного излучения (т.н. генерация второй оптической гармоники) от поверхности раствора. Предварительные эксперименты с использованием этого метода также подтверждают наличие фракционирования энантиомеров аминокислот и сахаров на неравновесной границе раздела раствор–воздух.

Обнаруженное фракционирование энантиомеров невелико, но его вполне достаточно для реализации эволюционного преимущества гомохиральности определенного типа при образовании полипептидов и полинуклеотидов. Фактором отбора энантиомеров в поверхностном слое может быть влияние собственного электрического поля тонкого поверхностного слоя в совокупности с геомагнитным полем Земли на формирование ассоциатов молекул аминокислот.

Абиогенный синтез различных биологически важных молекул в экспериментах требовал настолько различных условий, что они не могли быть реализованы одновременно. Однако все эти условия вполне могли существовать в разных местах на Земле. Химическая эволюция шла неравномерно, и необходимые для существования протоклетки соединения формировались в разных количествах – некоторые в избытке, других же было чрезвычайно мало. Однако границы раздела фаз жидкость–газ и жидкость–твердое тело обладают способностью к адсорбции веществ, т.е. к их концентрированию. На границах разделов фаз за счет адсорбции могли реализовываться условия более выгодные для образования полипептидов и нуклеиновых кислот. Существуют данные о том, что такие адсорбаты могли обладать ферментативными свойствами (например, поли-L-аланин и поли-L-лейцин катализируют окисление -ненасыщенных кетонов в соответствующие эпокси-соединения той же хиральности, что и сами полиаминокислоты).

Описанные выше свойства тонкого поверхностного слоя водной среды и механизм формирования бислойных липидных везикул с учетом адсорбции образовавшихся в разных частях планеты компонентов протоклеток на границах раздела вода–атмосфера, позволяют высказать предположение, что именно эти границы раздела были тем местом на Земле, где возникли предшественники клеток простейших организмов.

Роль мембран в эволюции предшественников клеток не сводится только к изоляции их от окружающей среды и созданию благоприятных условий для «внутриклеточных» реакций. Бислойные липидные мембраны, ограничивая диффузию включенных в них полипетидов и являясь вязкоупругой двумерной средой, могли существенно влиять на формирование функциональных ансамблей белков. Помимо статических взаимодействий макромолекул в мембранах реализуются и динамические взаимодействия, обусловленные распространением волн деформаций бислоя. Если динамические взаимодействия давали протоклеткам какое-либо эволюционное преимущество, то они могли привести к отбору протоклеток, обладавших белками, способными к значительными конформационным изменениям. Эти и другие интересные вопросы, особенно касающиеся происхождения биосинтетического аппарата, требуют специального рассмотрения.

* В процессах нерибосомального синтеза в состав пептидов могут включаться как L-, так и D-аминокислоты. Нерибосомальный синтез пептидов осуществляется сложными белковыми комплексами (матрицами), каждый из которых предназначен для синтеза одного определенного пептида. Так синтезируются, например, многие антибиотики (валиномицин, ванкомицин, грамицидин и т.п.).