В связи с этим особая роль отводится мембранам, которые стали главными и необходимыми условиями возникновения жизни. Как же образовались мембраны, точнее, как все происходило? Напомним современные представления о строении мембран.
Клеточная, или плазматическая, мембрана – это барьер, отделяющий цитоплазму всех клеток про– и эукариот от окружающей среды. Он состоит из липидов, белков и углеводов. Мембранами окружены некоторые внутриклеточные органеллы – митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и ядро.
Липиды природных мембран в основном представлены фосфолипидами, у которых одна или две жирнокислые цепи этерифицированы либо глицеролом (трехатомный спирт), либо сфингозином (аминоспиртом), а к третьему атому углерода присоединена фосфатная группа, с которой в свою очередь связана полярная группа, например холин.
Липидный биослой – это структура, характерная для плазматических мембран всех живых клеток. Толщина этого слоя составляет примерно 45 нм в зависимости от типов присутствующих в нем жирных кислот. Неполярные хвосты липидных молекул обращены друг к другу, а полярные головки остаются снаружи биослоя, образуя внутреннюю и наружную гидрофильные поверхности.
Кроме липидов в клеточной мембране присутствуют два типа белков – интегральные и периферические.
Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь. У них есть центральное гидрофобное ядро, взаимодействующее с жирнокислотными цепями, и гидрофильные концы, контактирующие с клеточным содержимым и с окружением.
Периферические белки не пронизывают мембрану и связаны с ней менее прочно. Кроме этих и других черт, всем природным мембранам присуща асимметрия. Это обусловлено тем, что липидные молекулы, различающиеся в основном своими головными группами, распределены между двумя слоями биослоя асимметрично.
Клетку принято рассматривать как пространство, окруженное мембраной, в котором возможно каталитическое превращение органических веществ и трансформация энергии. Логично предположить, что для осуществления вышеупомянутых функций клетка должна была быть отграниченной от окружающей среды мембраной. В этой связи представляется целесообразным привести ряд примеров, подтверждающих возникновение клеточной организации на нашей планете.
4.2. Возникновение клеточной организации
Учеными было доказано, что после испарения воды из реакционного объема в амфифильных липидоподобных и липидных молекулах формируются жидкокристаллические агрегаты, в которых молекулы расположены периодическими слоями, как в смектических кристаллах. Такие липотропные жидкокристаллические фазы, дающие в поляризованном свете характерную оптическую картину, при последующем разбавлении легко превращаются в мембраноподобные структуры за счет полиморфных переходов (Чистяков, Селезнев, 1977, с. 38–45). Эти и другие исследования подтвердили тот факт, что на самых ранних стадиях химической эволюции могли возникнуть достаточно простые липидоподобные и липидные молекулы, спонтанно образующие мембранные структуры. Следовательно, и формирование систем, подобных протоклеткам, могло предшествовать синтезу более сложных полимерных молекул. Имеются все основания считать, что в период биопоэза (его первого этапа) на Земле за счет высоких температур в присутствии руд различных металлов и при воздействии на смеси газов ультрафиолетового и у-излучения синтезировались не только аминокислоты, но и некоторые сахара, жирные кислоты и азотистые основания. Жирные кислоты в последующем, соединившись со спиртами, могли образовывать липидные пленки на поверхности водоемов, в которых были растворены азотистые основания, сахара и аминокислоты. Растворенные в водоемах белковые молекулы могли адсорбироваться на поверхности липидной пленки благодаря электрическому притяжению к заряженным обращенным в воду липидным головкам. По-видимому, эти условия и предопределили возникновение мембран и встроенных в них белков.
Таким образом, в первичном «органическом бульоне», покрывшем Землю, процесс образования белковых молекул шел за счет Z-аминокислот. Очень рано появились металлоорганические комплексы, в том числе железопорфирины, которые могли играть роль мощных катализаторов в реакциях окисления с выделением энергии. Синтез белковых молекул, вероятно, являлся уже достаточно сложным процессом к тому времени, когда сформировались механизмы трансляции. Белковые «протоклетки» могли образовываться путем формирования поверхностей с избирательными свойствами. Образование нуклеиновых кислот шло независимо от белков, а их комплексы возникли уже позже. Первые организмы представляли собой агрегаты нуклеопротеидов, способных к самоудвоению (дубликации) и связанных с другими белками, осуществляющими ферментативное расщепление органических веществ с выделением энергии. Эти первичные гетеротрофные организмы обладали свойствами, составляющими основу живого. Для них было характерно следующее: