Есть одно фундаментальное свойство таких нитей – это уникальная их электропроводность. Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов. Их калиевые и натриевые соли хорошо растворимы в воде. Эти особенности приводят к тому, что в отличие от электропроводящей цепи полимерные нити молекул РНК проводят электроны «эстафетой» от одной их структурной единицы к другой. Электроны при этом продвигаются вдоль полимерных нитей от молекулы к молекуле по сложной электронно-транспортной цепи из связанных этими нитями ионов металла. Соединение, принявшее электрон, возбуждается и приобретает способность к ионной связи с другими нитевидными полимерами, передавая им принятый электрон. Те, в свою очередь, приобретают возможность установления связей с другими соседями или же могут израсходовать энергию свободного электрона на образование валентных связей между молекулами при построении новой полимерной цепи. Это свойство обеспечивает динамичное структурообразование и при наличии притока исходного строительного материала (молекул), энергии (свободных электронов) и периодического удаления результатов синтеза процесс может протекать сколь угодно долго. Отсутствие структур поддержания процесса делает его зависимым от внешних условий, и в стационарных условиях такой процесс быстро затухает.
У коротких полимерных нитей, имеющих общее название «липиды», есть важное свойство. Они с одного конца оканчиваются гидрофобными остатками, с другого – гидрофильными. В результате такие нити способны самопроизвольно перестраиваться в продольные упорядоченные структуры. Множество таких упорядоченных структур способно образовывать пленку с определенными свойствами, обеспечивающими направленную проницаемость. Другими словами, такие полимерные структуры могут самопроизвольно образовывать мембраны. Мембраны позволяют по разные стороны от своей поверхности создавать среды с разной концентрацией ионов металлов. Тем самым они способны обеспечить разность потенциалов, достаточную для поддержания перетока электронов по полимерным нуклеотидным цепям, встроенным в эти мембраны. Этот процесс активирует нуклеотидные полимерные цепи, запуская механизм их репродукции или полимеризации на матрице исходной цепочки нуклеиновых кислот, в том числе и из других органических кислот, а именно – аминокислот. Синтезированная полимерная цепь аминокислот является белком. По сути, появляется простейшая органическая система с самоподдерживающейся реакцией синтеза.
Жизненный цикл рассмотренных выше примитивных образований, скорее всего, первоначально был крайне краток из-за самоотравления продуктами синтеза. И вероятность того, что из таких структур могла бы развиться более совершенная структура, ничтожна, если бы не существовали другие замечательные особенности полимерных цепей из нуклеиновых молекул, называемых РНК.
Рибонуклеиновая кислота – это фосфорный эфир нуклеозида (сахар рибоза и азотистое основание). Синтез нуклеозида монофосфата требует энергетических затрат. Но уже синтез нуклеозидов дифосфата самодостаточен, а энергии трифосфата достаточно для построения цепочки из двух нуклеозидов, связанных фосфатной группой, то есть для полимеризации нуклеотидов. Однако энергетическая достаточность не все условие, чтобы процесс самопроизвольной полимеризации происходил сколь-нибудь заметно. Полимеризация резко ускоряется в присутствии затравки – уже сформировавшихся цепочек РНК. Водородные связи по комплементарным участкам ограничивают случайность, упорядочивают свободные нуклеозиды и создают условия для их полимеризации. Таким образом, РНК могут копировать себя или, другими словами, самореплицироваться. А это уже не просто химическая реакция, а воспроизведение информации, называемой генной. А так как на результаты копирования сильно влияют как хаотичное тепловое движение молекул, так и изменчивые условия внешней среды, то нередки при таком самореплицировании «бракованные» копии, многие из которых способны к самостоятельному самореплицированию. Таким образом, это уже не просто информационное копирование, а выработка новой генетической информации в функции условий внешней среды.
Способность молекул РНК одновременно служить катализатором химических реакций и носителем информации позволяют выдвинуть гипотезу о том, что РНК и была первым сложным полимером, появившимся в процессе добиологической эволюции. Эта гипотеза получила название «гипотеза РНК-мира».[19-21] Согласно ей, РНК на первых этапах эволюции автокатализировала синтез других молекул РНК, а затем и ДНК. В отличие от РНК, молекулы ДНК обладают более сильными водородными связями, способными удерживать на своей нити комплементарную ей другую нить, которая, по сути, нейтрализует катализирующие способности одиночной ДНК. Образно говоря, двойная спиральная нить ДНК вносит систематизирующий порядок, обеспечивая долговременную устойчивость генетической информации.
Следующей важной особенностью молекул РНК является то, что их короткие полимерные образования, включающие тройную комбинацию из четырех возможных оснований, могут образовывать комплементарную связь с одной из 22 возможных аминокислот. Это свойство обеспечивает избирательную выборку определенных молекул аминокислот из их смеси в форме комплекса РНК – аминокислота. С другой стороны, такие РНК с присоединенной аминокислотой, называемые транспортными РНК, продолжают сохранять способность к установлению комплементарной связи с определенными участками более длинной РНК, называемой матричной. Это обеспечивает выстраивание на матричной РНК аминокислот в определенной последовательности. Если увешанная гроздьями аминокислот РНК возбуждается (приобретет электрон), то энергия этого электрона расходуется на установление валентных связей между соседними аминокислотами. Другими словами, возбужденная матричная РНК выступает в роли катализатора полимеризации аминокислот.
Как уже отмечалось, поступление и продвижение электронов по молекуле РНК осуществляется пошагово, поэтому и процесс полимеризации аминокислот на матричной РНК осуществляется последовательно и упорядоченно, что обеспечивает не только синтез полимерной аминокислоты, но и перенос на нее генетической информации с матричной РНК.
Из изложенного следует, что одним из условий синтеза полимерной аминокислоты (белка) на РНК является наличие постоянной энергетической подпитки этого нуклеидного полимера. В современных биосистемах такая подпитка осуществляется либо с помощью мембранных комплексов, создающих и поддерживающих разность потенциалов за счет различной концентрации ионов металлов по разные стороны от мембраны, либо с помощью так называемых, полимераз – длинных белковых нитей, связывающих в различных своих частях ионы металлов и обеспечивающих тем самым необходимый биопотенциал для энергетической подпитки процесса полимеризации. Очевидно, что полимеразы – это более поздняя наработка природы в процессе эволюции живых систем. На первых порах синтез белков осуществлялся преимущественно на мембранных структурах.
Синтез белка на матрице РНК расширил свойства добиологических систем, постепенно белок заменил РНК в структурных аспектах.
Белки – качественно новые химические соединения, которые вносят в микромир совершенно новые свойства, а также зависимость ее свойств от значений рН. Изоэлектрической точкой аминокислоты называют значение рН, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом. При таком рН аминокислота наименее подвижна в электрическом поле, что позволяет использовать данное свойство для разделения аминокислот, а также белков и пептидов.
Цвиттер-ионом называют молекулу аминокислоты, в которой аминогруппа представлена в виде – NH3+, а карбоксигруппа – в виде – COO−. Такая молекула обладает значительным дипольным моментом при нулевом суммарном заряде. Именно из таких молекул построены кристаллы большинства аминокислот. Эта особенность белков позволяет им из окружающей субстанции извлекать определенные химические соединения, упорядочивать их и утилизировать поступающую извне энергию в новое химическое соединение. К другим важным свойствам белков относится то, что они, взаимодействуя с ионами металла, создают уникальные катализирующие центры (ферменты) для многих биологических соединений; создают проводящие пути для ионов металла и органических соединений через мембраны; выступают универсальным строительным материалом в структуре клетки; являются основой сократительных молекул; образуют рецепторы клетки; используются как химические соединения для «обмена информацией» между клетками.
Характерным является тот факт, что в клетке каждый отдельный вид белка катализирует лишь определенный тип химических реакций. Такая избирательность упорядочивает во времени и в пространстве процессы в клетке. Библиотека информации о структуре белка содержится в матричной РНК или ДНК. Выбор участков считывания информации с них осуществляется с помощью так называемых промоторов. А вот где хранится партитура, управляющая этими пальцами-промоторами, или процесс выбора формируется автоматически, логикой химических изменений в клетке, вопрос остается открытым.
Следует отметить, что катализ вообще, а ферментивная способность белков в особенности, сильно зависит от температуры. Поэтому для большинства клеток очень важен термический гомеостаз. И чем сложнее химико-биологические процессы, реализуемые клеткой, тем уже диапазон допустимых температур. И особенно критичны процессы в клетках к высоким температурам, при которых кардинально меняется вся последовательность химико-биологических реакций, необратимо повреждающих клетку.
Массовое воспроизводство белков формирует уникальную среду вокруг репродуцирующей системы. Вплоть до формирования из белков и липидов оболочки, что обеспечивает значительную устойчивость молекулярного комплекса репродукции к внешним воздействиям. Структурное обособление репродуцирующего комплекса резко ограничивает влияние случайных факторов, упорядочивая процессы биосинтеза и порождая биосистемы на клеточном уровне. Самое существенное, что в таких клетках возникают условия для системного разделения функций направленного воспроизводства генетической информации с высокой ве