Синтез ДНК, РНК и белка — макромолекул жизни

В этом разделе мы рассмотрим непростой вопрос — образова­ние полимеров, обладающих биологической функцией, из органи­ческих звеньев. С помощью термодинамики мы попытаемся оце­нить правдоподобность того, что мономеры могут объединиться в функционирующий белок или ДНК, если через систему пропустить поток энергии. Сначала мы подсчитаем, какие именно виды рабо­ты участвуют в этом процессе, а затем выясним, способны ли были различные потоки энергии в условиях молодой Земли производить биополимеры. Подробнее вы можете узнать об этом исследова­нии в других работах;³* особенно рекомендуем обратиться к ним читателей, интересующихся точными цифрами.

Мы подробно рассмотрим соединение аминокислот в молекулу белка. Образование молекул ДНК и РНК — процесс сходный, но гораздо более сложный. Согласно классической термодинамике, полимеризация происходит спонтанно, если свободная энергия Гиб­бса (G) для реакции полимеризации, или соединения отдельных органических звеньев, уменьшается (то есть DG меньше 0). Но если образование полимера приводит к тому, что свободная энер­гия Гиббса в системе возрастает (DG больше 0), то для протека­ния этой химической реакции требуется совершить работу.

Представим себе этот процесс на таком примере. Есть гора, и есть вода, которая по ней движется. Вода может течь вниз с горы, тогда ее свободная энергия Гиббса будет понижаться. Но если вода будет подниматься вверх по горе, ее свободная энергия Гиббса будет увеличиваться. Чтобы вода поднялась вверх, необходим на­сос или какой-то другой источник энергии, в то время как вниз с горы вода течет самопроизвольно.

Соединение мономеров. Соединение мономеров пептидными связями можно увидеть на рисунке 5.4. Заметьте, что в процессе образования пептидной связи разрушаются две химических связи (углерод — гидроксид и водород — азот) и образуются две новые (водород — гидроксид и углерод — азот). Изменение свободной энер­гии Гиббса {DG= DH-TDS) физически связано с изменением энер­гии химической связи (DH= DE+PDVE) и с изменением энтропии системы (DS). Энтропия системы связана с количеством спосо­бов, которыми может быть организована масса и энергия внутри системы. У системы, требующей строго определенной организа­ции, свободная энергия Гиббса выше, чем у системы, которая мо­жет быть организована разными способами. Забудем на секунду о том, что для функционирования белка он должен быть особым образом организован. Просто рассмотрим изменение свободной энергии Гиббса (DG), происходящее при химической реакции со­единения двух аминокислот в дипептид (см. рисунок 5.4). Свобод­ная энергия Гиббса увеличивается на 3000 калорий/моль, то есть около 30 калорий на каждый грамм аминокислот.³⁵ Таким образом, поток энергии в системе должен производить достаточно работы для того, чтобы обеспечить переход системы на более высокий энергетический уровень, необходимый для полимеризации. Если типичный белок состоит примерно из сотни аминокислот, тогда для «случайного» соединения аминокислот в белок потребуется при­мерно 300 ккал на каждый моль образующегося белка.

Фокс и Дозе провели ряд экспериментов, в которых был успеш­но проведен синтез белка.³⁶ Нагревая сухие аминокислоты и уда­ляя воду — побочный продукт химической реакции между двумя аминокислотами (см. рисунок 5.4), можно с успехом провести по­лимеризацию аминокислот. Таким образом, работа, связанная со случайным объединением мономеров, может быть произведена на основе потока энергии, проходящего через систему, если это тепловая энергия.

Верная организация мономеров. Трудность заключается в том, чтобы аминокислоты образовывали биологически активный белок, соединяясь совершенно определенным образом, как было описано ранее в этой главе. В связи с этим возникают как минимум четыре проблемы.

Во-первых, аминокислоты существуют в двух формах, являю­щихся зеркальными отражениями друг друга: L-аминокислоты и D-аминокислоты (см. рисунок 5.5). В экспериментах по моделиро­ванию добиологических условий эти формы образуются в равных количествах и реагируют между собой так же быстро, как и ами­нокислоты одной формы. Однако все естественные белки содер­жат только L-аминокислоты. Для того, чтобы синтезировать це­почку из ста аминокислот (типичное число одной молекулы бел­ка), имеющих только L-форму, требуется дополнительная работа -4,2 калории на грамм образующегося белка.³⁷

Во-вторых, пептидные связи (см. рисунок 5.4) между двумя ами­нокислотами — это всего лишь один из способов соединения ами­нокислот. В процессе опытов по воссозданию добиологических условий были проведены исследования связей между аминокисло­тами, и оказалось, что только половина связей, возникающих меж­ду аминокислотами в ходе экспериментов, — пептидные.³⁸ Но для того, чтобы белок мог функционировать, он должен сворачиваться в особую трёхмерную структуру, а для этого связь между амино­кислотами должна быть только пептидной. И опять-таки, для того, чтобы при полимеризации ста аминокислот образовывались только пептидные связи fa иначе пятьдесят процентов связей в реакции будут непеггтидными), потребуется дополнительная работа, кото­рая также может быть выражена количественно: 4,2 калории на грамм образующегося белка.³⁹

В-третьих, для получения биологически активного белка ами­нокислоты должны располагаться в цепи в определенной последо­вательности. Рисунок 5.6 схематически изображает структуру пяти из двадцати аминокислот, входящих в состав белков. От того, в каком порядке расположены аминокислоты, зависит трехмерная структура белка, определяющая в свою очередь его функции. Не все участки цепи должны содержать конкретную аминокислоту, но, тем не менее, в половине участков (которые называются активны­ми) должна находиться совершенно определенная аминокислота. Для достижения такого уровня специфичности строения белковой молекулы требуется дополнительная работа, которая может быть численно выражена как 18,2 кал/г для ста активных участков, или 9,1 кал/г для пятидесяти участков в молекуле белка, состоящей из ста аминокислот.⁴⁰

Рисунок 5.6. Схематическое изображение пяти из двадцати аминокислот, входящих в состав живых систем

Четвёртая и, возможно, самая сложная проблема, связанная с соединением аминокислот в белковые цепи, состоит в том, что аминокислоты должны реагировать только с аминокислотами, а не с другими химическими веществами, имеющимися в первичном бульоне. Тот факт, что для реакции аминокислот между собой тре­буется совершить работу (30 кал/г), уже свидетельствует о том, что аминокислоты не слишком охотно реагируют друг с другом. Однако они с готовностью вступают в реакцию со множеством других веществ, которых в первичном бульоне предостаточно, и в результате этого свободная энергия Гиббса уменьшается. Очень сложно представить, что аминокислоты либо концентрируются в растворе, либо адсорбируются на особых поверхностях, таких, как глина, чтобы избежать реакции с другими веществами первичного бульона. Так как химический состав первичного бульона нам неиз­вестен, невозможно рассчитать, какая работа потребуется для того, чтобы предотвратить такие реакции и обеспечить избирательные реакции исключительно между аминокислотами; однако эта рабо­та наверняка будет намного больше, чем в первых трех случаях, уже рассмотренных нами.

Мы рассчитали, какая работа требуется для обеспечения необ­ходимого уровня сложности белка, состоящего из ста аминокислот, и показали, что она по величине сходна (18, 2+4,2+4,2 кал/г) с рабо­той, необходимой для получения случайной комбинации аминокис­лот—если мы исключим основную проблему аминокислот, а имен­но их склонность вступать в реакции с остальными веществами пер­вичного бульона. И, хотя поток энергии явно в состоянии произвести работу, необходимую для получения комбинаций, сомнительно, что он может каким-то образом генерировать информацию.

Скорее всего, биологическая информация, математически тож­дественная конфигурационной энтропии (см. другую нашу работу⁴¹), тем не менее не связана с ней физически. Об этом очень убеди­тельно писал Джеффри С. Уикен (Jeffrey S. Wicken).⁴²

Следует также заметить, что все эксперименты, направленные на получение белков из аминокислот, проводились с использовани­ем чистых аминокислот. В экспериментах же Миллера и его пос­ледователей в продуктах реакции было всего 1-2% аминокислот, а вот других химических веществ, которые могли быстро реагиро­вать с этими аминокислотами, было множество. Таким образом, основную работу — отбор исходных веществ для реакции — осуще­ствляет химик, а это вряд ли соответствует истинной истории воз­никновения жизни. Химик может сразу выбрать для реакции толь­ко L-аминокислоты, чтобы не получить в результате цепи с L- и D-аминокислотами. И даже в этом случае химик не сможет поддер­живать эксперимент так, чтобы между L-аминокислотами обра­зовывались только пептидные связи, и возникала биологически зна­чимая последовательность аминокислот и соответствующая трех­мерная структура (см. рисунок 5.3). Таким образом, в результате даже самых хитроумных экспериментов по воссозданию добиоло-гических условий были синтезированы цепи аминокислот с самой незначительной — в лучшем случае — каталитической активностью.

Подведем итоги. Поток энергии, проходящий через систему, спо­собен создать цепи из отдельных молекул, но не способен соеди­нить аминокислоты строго определенным образом, необходимым для обеспечения биологических функций белка.