После работ Пастера, Вант-Гоффа и Ле-Беля биохимиками был установлен поразительный факт. Во всём мире живого, в органических молекулах любой клетки белки построены только из одного типа пространственных изомеров аминокислот, а именно из l-аминокислот. Белки коровы, дерева, дрожжей и даже вирусов состоят из l-аминокислот.
Правые и левые аминокислоты
Почему? Ведь правые и левые молекулы химически абсолютно одинаковы. Они одинаковы, лишь когда дело касается взаимодействия с оптически неактивными веществами. Если же они реагируют с другими правыми и левыми молекулами, проявляются их стереохимические особенности.
Лауреат Нобелевской премии шведский физик X. Альвен развивает идею существования антимиров, где роль электрона выполняет позитрон, а вместо протона в ядре атома — антипротон. Такой мир, в терминах физики, являлся бы зеркальным отображением нашего мира. При соприкосновении они были бы уничтожены, аннигилировали. А в мире живого?
Этот вопрос был поднят ещё в XIX веке, но не физиками или биологами, а автором знаменитой «Алисы в Зазеркалье» Л. Кэрроллом. Правда, он известен и как математик. «Может быть, зеркальное молоко не годится для питья», — рассуждает Алиса в знаменитой книге.
Кэрролл прав. Если бы мы с вами были построены из белков, в состав которых входили бы не l-, а d-аминокислоты, внешне ничего бы не переменилось. Возможно, большинство людей писало бы левой рукой, а сердце билось бы справа. И животные и микроорганизмы дышали бы так же, как и сейчас. Но если бы l-человек стал бы есть d-белки, он очень скоро умер бы от голода, так как d-аминокислоты не сумели бы включиться в состав l-белкового мира.
Почему у нас l-, а не d-мир
Почему и как в результате эволюции произошёл отбор только одной формы изомеров молекул?
В живых системах всегда присутствует только один оптический изомер, в то время как в процессах небиологического синтеза при прочих равных условиях (без использования оптически активных матриц) образуется рацемическая смесь молекул, то есть смесь, состоящая поровну из l- и d-форм и не вращающая плоскость поляризации, в процессах биосинтеза синтезируются оптически активные соединения. По этому поводу существует целый ряд предположений, и мы остановимся на обзоре лишь некоторых гипотез, представляющих, на наш взгляд, наибольший интерес.
Лауреат Нобелевской премии известный химик Д. Уолд подчёркивает различие формы у энантиомеров как весьма важное качество для ряда биохимических реакций и обосновывает предположение, что оптическая активность возникла в результате естественного отбора молекул из начальной рацемической смеси.
Целесообразно, однако, указать сначала на природные источники оптической асимметрии, которые могли бы играть определённую роль в отборе молекул. Так, ещё в 1896 году было обнаружено, что оптические изомеры отличаются коэффициентами поглощения поляризованного света. Это явление могло бы в принципе служить механизмом отбора, так как на поверхность Земли попадает некоторое количество поляризованного излучения.
Однако результирующий эффект, по-видимому, слишком мал, чтобы играть заметную роль в возникновении столь явно выраженного отбора энантиомера одного типа. В качестве возможной причины появления оптической активности рассматривались кристаллы кварца, которые могут разделять оптические изомеры с различной адсорбцией и играть определённую роль в асимметрическом синтезе (небиологическом) на поверхности. Но для этого одна форма кварца должна быть преимущественной. Если же правые и левые кристаллы кварца встречаются одинаково часто в природе, то остаётся надежда лишь на локальные флуктуации какой-либо из этих форм.
Кварц и селекция молекул
Правда, известный геохимик В. Гольдшмит сообщил в своё время о преимущественном распространении правых кристаллов кварца. Он полагал, что правых кристаллов в 10 раз больше, чем левых. Другие геологи не сумели подтвердить численные данные Гольдшмита. Однако нельзя исключить того обстоятельства, что правых кристаллов действительно несколько больше, чем левых. Тем не менее кристаллы кварца не могли играть сколь-либо серьёзной роли в возникновении биологической оптической активности, так как экспериментально была доказана равная эффективность правых и левых кристаллов кварца в отношении поверхностной ориентации аминокислот.
Уолд видит объяснение эволюционного пути этого явления в постепенной селекции молекул. Для обоснования своей идеи он рассматривает полипептиды и белки, с одной стороны, и полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты — с другой.
Большинство известных белков имеет в своей структуре спирализованные участки, называемые а-спиралью. а-спираль была открыта и изучена лауреатом Нобелевской премии и Ленинской премии мира знаменитым химиком Л. Полингом.
При изучении синтетических полимеров аминокислот удалось показать, что они образуют в некоторых растворах а-спиральную структуру самопроизвольно. Может ли а-спираль образовываться из смеси l- и d-аминокислот? Тщательно проанализировав этот вопрос, Уолд приходит к выводу, что небольшие включения d-аминокислот не оказывают существенного влияния на а-спиральную конфигурацию. Однако возникновение а-спирали в рацемической смеси аминокислот маловероятно, если не невозможно, по всё тем же стереохимическим причинам.
Сравнивая процессы полимеризации и свойства l-, d-аминокислот и полимеров, можно сделать следующие важные выводы: полимер, состоящий из смеси l- и d-аминокислот, растёт значительно медленнее, чем l- или d-форма отдельно (примерно в 20 раз медленнее). Кроме этого, смешанные полимеры короче, чем l- или d-формы, образованные в аналогичных условиях. Но это ещё не всё. Смешанные полимеры гораздо менее стабильны в своей конфигурации, чем l- или d-формы.
Все эти факторы могут обеспечить естественный отбор на молекулярном уровне по признаку стерического (стереохимического) преимущества. Ещё более нагляден пример с нуклеиновыми кислотами. Ведь они тоже оптически активны. Вернее, оптически активна молекула сахара, входящая в состав и ДНК и РНК. Полная геометрия двойной спирали определена структурой групп, связанных с асимметрическим атомом углерода в молекуле сахара.
Поскольку компонентами нуклеотидов являются d-сахара, то устанавливается определённая пространственная ориентация азотистых оснований по отношению к асимметричному углеродному атому молекулы сахара. Именно поэтому конфигурация нуклеиновой кислоты стерически чётко определена, что и даёт возможность для спаривания оснований. В случае же использования смеси l- и d-сахаров азотистые основания не могут расположиться комплементарно и двойная спираль не сможет образоваться.
Что же определяет в природе выбор правого или левого?
Саму оптическую активность объяснить нетрудно. Труднее объяснить, почему природа сделала столь определённый выбор. Обсуждая этот вопрос, Уолд вспоминает свой разговор с Эйнштейном.
Почему живое использует l-аминокислоты? Этот вопрос аналогичен проблеме зарядовой симметрии в физике. Эйнштейн говорил, что он часто задавал себе вопрос, почему электрон заряжен отрицательно. И в том и в другом случае можно дать аналогичный ответ: одна форма победила другую. Возможно, говорит Уолд, некоторое время существовали l- и d-организмы. Затем одна популяция вытеснила другую. Возможно также, что отбор произошёл раньше, на стадии предбиологической эволюции.
Идеи Уолда представляются весьма интересными и обоснованными именно в части естественного отбора оптических антиподов, их внутренней приспособленности для построения структур высшего порядка. Что касается вопроса о том, почему мы имеем на Земле жизнь, а не «антижизнь», то есть системы, построенные из l-аминокислот и d-сахаров, а не наоборот, то, по-видимому, сегодня мы не в состоянии решить эту задачу.
Во всяком случае, проблема возникновения оптической активности не кажется сегодня столь загадочной, и можно уверенно констатировать, что наметились конкретные пути решения.
Совсем другое дело — загадка происхождения генетического кода. Трудности на этом пути столь велики, что даже в настоящее время возникают идеи о внеземном происхождении земной жизни.
Модель панспермии
Так, совсем недавно Ф. Крик и Л. Оргел с учётом космологических данных ревизовали модель панспермии и предложили модель так называемой направленной панспермии, в которой возникновение жизни на Земле объясняется целенаправленной деятельностью цивилизаций, возраст которых больше возраста Солнца.
Бесспорно, что, пока не будет решена проблема возникновения генетического аппарата в чисто философском аспекте, мы не можем полностью отвергать идею панспермии, в какой бы форме она ни предлагалась. Однако нужно помнить о том, что эта идея не даёт решения проблемы возникновения жизни в целом, относя его в другое место и в другое время.
Нужно сказать, что в чисто философском плане эта модель представляет интерес как пример труднодоказуемого и также трудноопровергаемого предположения.
Ортодоксальная теория панспермии, выдвинутая впервые Аррениусом и развитая впоследствии другими учёными, заключается в том, что жизнь была занесена на Землю в виде спор внутри метеорита внесолнечного происхождения. В такой форме теория приводит к экстремально низким вероятностям зарождения жизни вследствие чрезвычайно малой частоты подобного рода событий.
Крик и Оргел считают последнюю точку зрения ошибочной, поскольку могли существовать планеты другого типа, чем Земля. На этих планетах каталитическая активность минералов (и это особенно важно для возникновения живых систем) могла сильно отличаться от земной. Такие планеты могли существовать задолго до образования Земли.
Источник: Л. МУХИН ПЛАНЕТЫ И ЖИЗНЬ