РАЗДЕЛ 1. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ, ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ БИОПОЛИМЕРОВ

1.1. БИОПОЛИМЕРЫ КАК СТРУКТУРНАЯ ОСНОВА ЖИЗНИ

Жизнь возникла на молекулярном уровне. Согласно современным представлениям органический мир эволюционировал от простейших форм жизни ко все более сложным. В "первичном бульоне" сначала шла химическая эволюция: из простых соединений образовывались более сложные.

В соответствии с законами физики и химии на определенном этапе химической эволюции возникли полипептиды и полинуклеотиды.

Физико-химические свойства этих двух типов макромолекул существенно отличаются.

Полинуклеотиды, в силу своего химического строения, способны к комплиментарному взаимодействию на уровне первичной структуры. Это линейные полимеры с мономерными звеньями, имеющими боковые радикалы (азотистые основания), способные образовывать водородные связи с комплементарными свободными нуклеотидами. В результате комплементарных взаимодействий образуются стабильные комплексы, в которых возможны дальнейшие химические процессы, важнейшим из которых является соединение свободных нуклеотидов в полинуклеотидную цепь.

В силу комплементарности взаимодействий последовательность мономерных звеньев в новой полинуклеотидной цепи оказывается "слепком" последовательности исходной (родительской) полинуклеотидной цепи.

Таким образом, химическое строение полинуклеотидов таково, что они могут играть роль матриц при полимеризации свободных полинуклеогидов. Матричный синтез полинуклеотидов - это и есть простейший (но и важнейший) жизненный акт, простейшее проявление жизни.

Химическое строение полипептидов таково, что они оказываются способными образовывать сложные третичные структуры и поэтому к комплементарному взаимодействию на уровне первичной структуры не способны. А это значит, что считывание информации с первичной структуры белков невозможно.

Таким образом, свойства белков являются физической основой центральной догмы биологии.

Разнообразие третичных структур белков ведет к многообразию функций белковых молекул. Практически все "исполнительные" функции в живом осуществляются белками. В то время как нуклеиновые кислоты осуществляют "законодательную власть".

На каком-то этапе химической эволюции белки и нуклеиновые кислоты объединились в самовоспроизводящиеся системы гиперциклы. Для этого потребовалось, чтобы возник механизм кодирования: последовательность мономерных звеньев нуклеиновой кислоты должна была каким – то образом определять последовательность мономерных звеньев в белке.

Механизм возникновения кода – одна из до сих пор решённых проблем.

Как только возник код, ситуация изменилась качественно. Теперь уже белок и нуклеиновая кислота могли "сотрудничать" в матричном синтезе. При конкуренции различных матриц за ограниченное количество субстрата (свободные нуклеотиды) в термодинамически неравновесных условиях (нелинейная область) начался естественный отбор матриц. "Выживали" матрицы, которые копировались точнее и быстрее. Точность и быстрота обеспечивались белком, а его свойства, в свою очередь, определялись первичной структурой полинуклеотидной матрицы. Так белок и нуклеиновая кислота образовали функциональное целое.

На этой стадии развития органического мира эволюция макромолекул находилась под сильным влиянием физико-химических факторов среды. Позднее, когда возникли более высокоорганизованные формы жизни, эволюция макромолекул определялась уже не только физико-химическими факторами, но и более сложными процессами, протекающими на вышележащих иерархических уровнях.

На первых этапах эволюции отбор действовал непосредственно на сами матрицы. На более поздних этапах отбору подвергаются организмы (фенотипы). Таким образом, отбор матриц теперь опосредован надмолекулярными структурами. Действие отбора привело к тому, что мы называем соответствием между структурой и функцией на молекулярном уровне.

Молекулярная биофизика изучает структуру и функции биологических систем на уровне молекул. Хотя современные живые организмы - это макроскопические системы, жизнь, по существу, остается явлением молекулярного уровня. Только молекулы могут быть идентичны друг другу в силу квантовых свойств микромира. Поэтому истинное воспроизведение себе подобного возможно лишь на молекулярном уровне. Вероятность образования двух идентичных макроскопических систем практически равна нулю. Все иные известные формы жизни основаны на макромолекулярных структурах.

Генетическая информация записана на молекулярном носителе. Существуют ли другие (не молекулярные) Формы записи информации в биологических системах? Нам не известны иные хранилища информации кроме молекулярных. Как записывается информация в мозге высокоорганизованных животных, пока не известно.

Ясно, что выполнимая инструкция (информация) может быть записана только в дискретной форме. Поэтому запись информации в молекулярной форме в биологических системах практически неизбежна. Так как, молекула биополимера представляет собой естественный текст, алфавитом которого являются различные типы мономеров.

Таким образом, два важнейших атрибута жизни - хранение информации и воспроизведение - имеют молекулярную природу. Из вышесказанного следует, что молекулярная природа жизни предопределена физическими свойствами материального миря.