Небольшая заметка про иерархичность в живой природе, обусловленную асимметрией структур

В природе удивительным образом повсеместно возникает чередование правых и левых молекул. Этот принцип открыл ещё Луи Пастер, заметивший по вращению плоскости поляризации света, что молекулы асимметричны: были соединения, которые поворачивали плоскость поляризации либо влево, либо вправо. Такое чередование называется хиральностью.

Хиральность — основополагающий фактор, обеспечивающий существование иерархичности живых систем. Если выписать необходимые базовые требования к живым системам, то это будут дискретность (обеспечение позитивных и негативных энергетических взаимодействий) и иерархичность (уровни молекулярной структуры, клеточной, организменной и популяционной). И именно хиральность лежит в основе последнего принципа — принципа иерархичности структур. Уже углерод в тетреаэдрической конфигурации с четырьмя разными заместителями позволяет проявляться первичной хиральной асимметрии в природе. При этом не стоит забывать о том, что в гетерохиральном мире структуры на одном уровне иерархии должны быть гомохиральны, иначе комплиментарность была бы невозможна, а именно комплиментарность позволяет осуществлять почти все биохимические взаимодействия.

Как пример молекулярной иерархичности можно рассмотреть иерархию аминокислот, где при самых ранних стадиях биогенеза и онтогенеза L-аминокислоты попадают в систему рибосомального синтеза белков, а D-аминокислоты в систему регуляции. Просматривается закономерная смена знака хиральности L-D-L-D при переходе на более высокий структурно-функциональный уровень организации белковых структур: cинтезиpуемые pибоcомами полипептидные цепи белков cфоpмиpованы из L-аминокиcлот, тогда как важнейшая унивеpcальная втоpичная cтpуктуpа – ?-cпиpаль – вcегда пpавая. Образованные же из ?-cпиpалей фибриллярные белки обычно имеют левую закрутку (например, в ?-кеpатине, тpопомиозине, паpамиозине и так далее).

Похожее можно увидеть в структуре молекулы ДНК, где при переходе на более высокий уровень структурно-функциональной организации наблюдается чередование D-L-D-L, где D — D-изомеры дезоксирибозы, образующие полимерный остов молекулы ДНК, а L — включающие их нуклеотиды, которые находятся преимущественно в левой конформации. Сама спираль ДНК имеет D-закрутку, в то время как левые суперспирали кольцевых молекул ДНК бактерий, полученные из правых спиралей ДНК, являются уже L-спиралями. Хиральность — вентиль в знакопеременных хиральных иерархиях, который не дает в условиях теплового шума смешаться функциональным стратам, это антиэнтропийный фактор. Чтобы левая структура стала правой (поменяла знак хиральности) она должна полностью раскрутиться и заново закрутиться в обратном направлении.

Симметрии играют большую роль в природе, где многие фундаментальные законы являются законами симметрии. Например Эмми Нётер заметила, что закон сохранения энергии — отражение симметрии в природе. Закон сохранения энергии связан с однородностью времени, закон сохранения импульса с однородностью пространства, закон сохранения момента с симметрией относительно поворотов, закон сохранения четности с зеркальной симметрией.

При этом для формирования жизни, с физической точки зрения, крайне важными являются две основные асимметрии (а не симметрии) — ионная-клеточная и хиральная-молекулярная. Ионная асимметрия проистекает из необходимости поддержания неравновесности в дискретных системах, ставших прародителями первых клеточных структур — дискретных компаратментов, отделенных от термодинамического равновесия среды. В то время как хиральная асимметрия необходима для существования принципа иерархичной комплиментарности . То есть, жизнь появляется из нарушения глобальных симметрий и постоянной подпитки этой асимметрии свободной энергией. Именно это нарушение однородности позволило жизни появиться.

Сам процесс возникновения жизни давно держит открытыми многие вопросы. Начиная с гипотез о месте её зарождения, заканчивая гипотезами о процессах и причинных её зарождения. Основные постулаты гипотезы абиогенной эволюции звучат следующим образом:

1. За период "абиогенной молекулярной эволюции" было синтезировано достаточное количество органических веществ для обеспечения процесса самоорганизации протоклеток;

2. Начальные стадии предбиологической эволюции происходили в эстуариях древнего океана, насыщенном биоорганическими мономерами;

3. Протоклетка должна обладать определенным запасом свободной энергии для создания систем реагирования и регуляции метаболизма. В морской воде естественными претендентами на роль регуляторов (специфических, электрических, осмотических) являются неорганические йоны;

4. Классические схемы возникновения йонной асимметрии, основанные на избирательной адсорбции йонов K, Ca, из морской воды, их концентрировании йонообменниками (алюмосиликатами, кварцем, коацерватами), неприемлемы, т.к. такое перераспределение йонов морской воды приводит к равновесию;

5. Принципиальной характеристикой перераспределения неорганических йонов между первичными клетками и морской водой должно быть приблизительное осмотическое равенство при отсутствии термодинамического равновесия. Протоклетка обогащается йонами, которых мало в морской воде, взамен тех, которых там много. Концентрации активных осмотических частиц внутри и снаружи примерно равны, но вместе с йонной асимметрией в системе появляется запас свободной энергии;

6. Дискретность живых систем продиктована требованиями эволюции и естественного отбора. В водной среде обособленность частиц обеспечивается гидрофобными мембранами;

7. В условиях неспецифического синтеза органических хиральных соединений образуется их рацемическая смесь, что заведомо не соответствует особенностям живых систем. Добиологическая стадия эволюции привела к частичному фракционированию рацемических смесей энантиомеров;

Источник: vk.com

Комментарии: