Почему жизнь на Земле основана именно на углероде (Выпуск 2)

Суть главы: Анализ химической структуры земной клетки и уникальных свойств углеродных соединений.

Основные темы: В основе земной биохимии лежат три ключевые системы: ДНК для хранения информации, белки для выполнения функций и липидные мембраны для изоляции среды. Углерод идеален благодаря способности формировать прочные, но гибко регулируемые связи, а также слоистые цепочки и кольца. Распространенность легких химических элементов во Вселенной объясняется фундаментальными законами ядерного синтеза в звездах. А так же затронем тему прионов.

Какие еще основные компоненты у нас есть в клетках кроме носителя генетической информации, кроме ДНК?

 Во-первых, есть  класс полимеров - белки. Полимеры это молекулы, похожие на цепь или на нитку, состоящие из многих звеньев, одинаковых или нескольких разных типов. Белки состоят из аминокислот. Аминокислот в белках двадцать типов. ДНК состоит из нуклеотидов, нуклеотидов четыре типа.  

Разница между белками и ДНК, которая очень бросается в глаза  - это объединение цепей ДНК по две в двойную спираль, но дальше эта двойная спираль имеет более-менее прямую форму. Белковые цепи очень склонны сворачиваться в компактные клубки. Вот белок миоглобин, который хранит кислород у нас в мышцах, его цепь свернута в несколько спиральных участков, которые дальше наложены друг на друга, образуя такой компактный клубок. 

Почему это важно? ДНК только хранит генетическую информацию, а белки выполняют почти все остальные функции в клетке. Белки занимаются защитой, а так же образуют скелет клетки. Белки занимаются транспортом веществ. Главное, что делают большинство белков - они ускоряют нужные химические реакции, те, которые клетке нужны, те, которые входят в обмен веществ. 

Такие белки называются ферментами и их большинство. Для того чтобы фермент ускорял только строго определенную химическую реакцию и избегал побочных, он действует как узкопрофильный специалист. Во-первых, он заставляет реагирующие вещества сближаться исключительно правильными сторонами. Во-вторых, этот процесс происходит внутри изолированной полости , т.е. своего рода "закрытой комнате". Это необходимо для того, чтобы сотни других маленьких молекул и тысячи белков, находящихся в клетке, не могли влезть в реакцию, помешать ей или вступить в нежелательное взаимодействие.

Для доброй половины ферментов таким побочным мешающим веществом является вода. Для многих реакций, которые ферменты проводят, воду надо убирать. И молекула для этого должна иметь определенную какую-то пространственную форму с полостью нужной формы, чтобы только нужные реагирующие молекулы туда помещались. Эта пространственная форма строится путем сворачивания цепочки в клубок.  

Какие еще варианты можно придумать? Или как оно могло бы быть по-другому? Можно например делать как-то по аналогии с 3D принтером, то есть собирать фермент из каких-то более мелких кирпичиков, сначала слоями плоскость, потом второй этаж этой плоскости. Но вопрос, как это закодировать в геноме, если геном у нас тоже нитевидная молекула. В ДНК у нас хранится информация о последовательности всех белков. 

Чтобы информацию о последовательности ДНК перевести в информацию о последовательности белка, самый простой способ чисто механически, это сделать так, чтобы одна цепочка росла вдоль другой в какой-нибудь машине, которая будет проверять соответствие между одной последовательностью и другой. И рибосомы, клеточные наномашины, в которых производятся белки, они именно так и работают. 

В рибосому входит матричная РНК, это временная копия куска ДНК, кодирующего обычно один белок, и через специальные адаптеры (транспортную РНК,) параллельно матричной РНК растет белковая цепь. Пока она в рибосоме, она прямая. Когда она по мере роста выходит из рибосомы, она начинает сворачиваться в ту трехмерную форму клубка, которую этот белок должен иметь. 

Молекулярный 3D принтер был бы гораздо сложнее, чем рибосома, или аналог какого-нибудь фрезерного станка с ЧПУ, который из монолитной заготовки вырезал бы фермент нужной формы. Jн тоже был бы гораздо сложнее, чем рибосома. 

Делать одну цепь параллельно другой цепи проще всего.

Но тут возникает невероятный вопрос: а может ли белок с одной и той же последовательностью аминокислот свернуться как-то неправильно, но при этом устойчиво? Оказывается, может. И это приводит к уникальному явлению -   прионам. 

Обычно считается, что вся наследственная информация передается только через ДНК и РНК. Прионы это единственное известное исключение из этого правила. Когда носителем и передатчиком информации выступает сама пространственная форма белка без участия нуклеиновых кислот. 

Как же это работает? В наших клетках (особенно в нервной ткани) есть нормальный белок, цепочка которого свернута в аккуратные спирали. Но иногда, например, из-за мутации, или сбоя при укладке, или при контакте с чужеродным белком извне (или при контакте с другим прионом)  эта цепочка сворачивается иначе и переходит в плоские "складки" . Такая патологическая форма белка и называется прионом. 

Сама по себе аминокислотная последовательность осталась абсолютно той же, изменилась только 3D-геометрия. Самое удивительное и опасное начинается дальше: патологический прион начинает работать как агрессивный шаблон. Встречая нормальную молекулу этого же белка, он физически заставляет её изменить свою форму и тоже превратиться в прион. Начинается лавинообразная цепная реакция. Более того, эти измененные белки сцепляются друг с другом в плотные нити и бляшки, которые клетка не в состоянии расщепить и разобрать обратно на аминокислоты. Это приводит к гибели нервных клеток и тяжелейшим заболеваниям (таким как болезнь Крейтцфельдта-Якоба или "коровье бешенство" или БКЯ). 

Прионы показывают нам важную химическую деталь: трехмерная форма белка  это не просто пассивный результат считывания ДНК, а самостоятельный физический параметр, который в особых условиях сам может стать источником «инфекции» и передавать свою структуру другим молекулам.  

Почему белковая цепь легко сворачивается, а ДНК не сворачивается? 

И почему ДНК вообще не должна сворачиваться?  

Естественно, копировать удобнее прямую нить. Копирование и считывание будет проще и надежнее, если свойства и форма этой нити никак не зависят от ее последовательности. Тогда в ней можно безболезненно записывать любую информацию без ограничений на ее последовательность. Если там ДНК с одной последовательностью прямая, а с другой последовательностью будет запутываться в клубок, то значит другую последовательность, которая запутается в клубок, будет очень неудобно использовать. И мы ограничены в том, что мы можем записать в геном.  

ДНК не сворачивается в клубки, потому что она дезоксирибонуклеиновая кислота. Кислота в водном растворе имеет отрицательный электрический заряд, он распределен по всей длине нити ДНК, и просто разные участки нити отталкиваются, они имеют одноименный электрический заряд. 

У белков нет такого постоянного одноименного заряда по всей длине. Напротив, аминокислотные звенья имеют разные локальные заряды и химические свойства. В водной среда и взаимодействие этих зарядов происходит между собой через ионные и водородные связи, а также S-S мостики, что заставляют цепь белка активно притягиваться сама к себе и сворачиваться в уникальную трехмерную форму.

И теперь третья система, которая важна для живых клеток, это мембрана. Внешняя оболочка отделяет внутреннюю среду клетки от внешней. Мембраны в нашей земной биохимии состоят из фосфолипидов. Если вы имеете привычку читать состав пищевых продуктов, там вы можете встретить слово лецитин. Так вот лецитин это один из фосфолипидов, которые в большом количестве содержатся в яичном желтке. Молекулы фосфолипидов палочковидные, и мембрану они образуют, собираясь бок о бок. 

Мембрана двухслойная, молекулы фосфолипидов там стоят хвостами друг к другу и головами наружу. Она очень тонкая и по структуре имеет некоторое сходство со стенкой мыльного пузыря. Стенка мыльного пузыря тоже состоит из молекул мыла, то есть жирных кислот, они тоже палочковидные и выстраиваются бок о бок. Через клеточную мембрану не проходят белки, не проходит ДНК, не проходит большинство молекул промежуточных продуктов обмена веществ. Это надо, чтобы они не вытекали во внешнюю среду. 

То, что клетке надо получить из внешней среды, или то, что клетке надо выкинуть наружу, проходит через мембрану при помощи специальных транспортных белков. В любой клетке есть десятки, а то и больше сотни типов транспортных белков для всех тех типов молекул, которые надо через мембрану переносить.  

Теперь перейдем к химическому составу: разберем роль углерода и выясним, какие еще элементы участвуют в этих процессах. В основе белковой цепочки атомы углерода с вкраплениями азота, в боковых цепях там и водород, и кислород участвуют. В ДНК структура посложнее: есть кольца из углерода и азота, это азотистые основания, переменные группы ДНК, они собственно образуют последовательности. Есть основа нити, которая постоянная по всей длине ДНК, которая дает этот электрический заряд, там тоже углеродные кольца, соединенные через фосфатные мостики. И в липидах мы тоже видим длинные прямые цепочки из атомов углерода.  

Везде мы видим, что внутри звеньев полимерных молекул, внутри аминокислот или внутри нуклеотидов, в основном самые прочные связи углерод-углерод. Между звеньями связи менее прочные, это фосфоэфирная углерод-кислород-фосфор или амидная связь углерод-азот. Благодаря тому, что связи между звеньями менее прочные, ненужный белок легко можно разобрать на отдельные аминокислоты и построить из них другой белок, тот, который клетке нужен в данный момент. 

В нормальной жизни клетки каждая аминокислота за время ее существования до распада успевает побывать в составе десятка разных белков легко. Для ДНК такой рециклинг не нужен, а вот для РНК, родственников молекул, образующих временные копии, он тоже пригождается. РНК существуют в клетке недолго, разбираются на отдельные нуклеотиды, потом из них делаются новые РНК.  

Кроме углеродного остова, кислорода, фосфора и азота, там, где нужны связи менее прочные, в биохимии еще используется сера. Сера используется там, где нужна совсем непрочная связь, тиоэфирные связи. Связи сера-углерод есть в неустойчивых промежуточных продуктах обмена веществ, чтобы перенести химическую группу с одной молекулы на другую. Связи с серой особо непрочные, и сера используется там, где это надо.  

Кроме сборки и разборки белков и РНК нам еще нужен обмен веществ, химические реакции, которые позволяют переделывать разные звенья друг в друга или расщеплять их вообще, чтобы получить энергию. Те аминокислоты, которые мы получаем с пищей, это не точно те аминокислоты, которые нужны для построения белков нашего организма. Каких-то аминокислот в пище будет с избытком, обычно глутамата, других каких-то может не хватать. Или если аминокислот в пище вообще гораздо больше, чем надо для построения белков организму сейчас, лишние аминокислоты будут разобраны и использованы для получения энергии. То есть для всех этих химических реакций прочные связи углерод-углерод надо как-то ослаблять, чтобы все-таки можно было разрывать и создавать заново. Для ослабления используется карбонильная группа, углерод, связанный двойной связью с кислородом.  

Здесь стоит упомянуть вирусы. Есть вирусы, у которых геном состоит из РНК. В вирусологии в последние годы склоняются к тому, чтобы вирус определять и называть не по вирусной частице, маленькой заразной, а по зараженной клетке и ее особенностям. Соответствующий термин появился: вира-клетка. Вира-клетка находится под контролем вирусного генома и производит новые вирусные частицы, то есть это активная фаза жизненного цикла вируса. А вирусная частица это покоящаяся фаза, в которой обмена веществ быть не должно, так же как нет обмена веществ у высушенных спор бактерий. При попадании в воду их жизнеспособность восстанавливается. Более того, можно взять лягушку, аккуратно заморозить ее в жидком азоте до температуры минус сто девяносто пять градусов, обмен веществ у нее естественно остановится, потом разморозить обратно, и она оживет.  

У вирусных частиц часто нет мембраны, но поскольку они в этот момент спящие, неактивные, им в общем и не нужно. Но на стадии вира-клетки мембрана естественно есть и у вирусов.  

Что мы из этого видим? Чтобы сделать реальную биохимию, нам нужны атомы, которые будут прочно связываться друг с другом, которые могут образовывать длинные цепочки и кольца, и которые могут с другими атомами образовывать также непрочные связи, и должен быть способ ослабления прочных связей. Условие про цепочки и кольца пожалуй самое строгое: далеко не все атомы в таблице Менделеева умеют образовывать цепочки только из себя. Таких на самом деле меньшинство.  

Есть другое ограничение. Если мы хотим придумать альтернативную биохимию, надо брать такие химические элементы, которых в космосе много. Разные химические элементы бывают в космосе в очень разных количествах. График распространенности показывает, что больше всего на свете водорода и гелия, дальше идут кислород, углерод, азот, потом инертный газ неон, магний, кремний, сера, железо. Других химических элементов заметно меньше. Этот график построен во многом из астрономических наблюдений, отражает усредненный химический состав нашей галактики и всей видимой вселенной.  

Откуда такие разные количества берутся? Из ядерной физики. Когда-то в космосе был только водород сразу после Большого взрыва, потом образовались звезды, в которых пошли термоядерные реакции, где водород превращался сначала в гелий, потом в более тяжелых звездах из гелия получается углерод и кислород, потом из углерода и кислорода получаются следующие четные элементы: неон, магний, кремний, сера, аргон, кальций, и заканчивается это железом. 

Четных элементов гораздо больше, чем соседних нечетных. Ядро железа с массой пятьдесят шесть самое устойчивое атомное ядро в природе. Когда термоядерные реакции дошли до железа, из железа уже нельзя получить энергию, превращая его в более тяжелые ядра. Все элементы тяжелее железа получаются уже не в обычных звездах, а только при вспышках сверхновых, где синтезируются все элементы от железа и дальше.  

Провал на самых легких элементах литии, бериллии и боре связан с тем, что все их атомные ядра гораздо менее устойчивы, чем гелий-четыре и углерод-двенадцать, и в условиях звезд они быстро превращаются в гелий. Литий, бериллий и бор рождаются не в звездах, а в межзвездном пространстве в ядерных реакциях с участием космических лучей. Очень быстрая частица попадая в ядро углерода или кислорода разбивает его на два осколка. Этих трех легких элементов в космосе очень мало.  

Если мы посмотрим на график ниже, то увидим, что наша земная жизнь явно предпочитает самые распространенные элементы: водород, углерод, азот, кислород, и на самом деле еще три элемента из первой десятки по распространенности. 

Железо самый главный микроэлемент в наших клетках, сера входит в состав белков и ряда витаминов, и магний всегда сопровождает ДНК и РНК в клеточных условиях. Из первой десятки наша жизнь не использует только три элемента: два из них использовать нельзя совсем, это инертные газы гелий и неон, и не используется кремний. Из абсолютно критичных для жизни элементов, выпадающих за пределы первой десятки, только фосфор, без всего остального как-то можно попробовать обойтись.  

В таблице Менделеева основные элементы нашей биохимии явно тяготеют к правому верхнему углу. В биохимии используются самые маленькие атомы, какие только можно было взять: кислород самый маленький с валентностью два, азот самый маленький с валентностью три, углерод самый маленький с валентностью четыре, фосфор самый маленький с валентностью пять. Наша биохимия явно предпочитает самые маленькие атомы, какие только есть.

Предыдущий выпуск Что считать жизнью? (Выпуск 1) 
Следующий выпуск Можно ли заменить углерод кремнием, бором или азотом (Выпуск 3) 

Фактически, мы состоим из той же "звездной пыли", что образовалась при взрывах сверхновых миллиарды лет назад. 

А какой из описанных биохимических механизмов показался вам самым логичным, а какой  самым переусложненным?