От неживого к живому. Редупликация.

В 1953 г. Миллер и его группа смоделировали процессы, происходившие на Земле миллиарды лет назад. В установке использовалось электрическое поле, ультрафиолетовое излучение, вода и другие компоненты. Они сразу же обнаружили 5 аминокислот. Итак, синтез органических соединений возможен сам собой в природе. А ведь из аминокислот образуются белки и нуклеиновые кислоты. Во всех реакциях синтеза реакционная смесь должна носить восстановительный характер (а не окислительный). Все это происходит и в атмосфере Земли, которая сейчас имеет окислительный характер, так как в ней есть O2, N2, H2O, CO2. Опыт показывает, что в окислительной среде органического синтеза не наблюдается. Поэтому раньше атмосфера Земли (восстановительная) должна была содержать много углерода. Так ли было? Например, атмосфера Юпитера богата соединениями углерода.

В первичном земном океане было много восстановительных реакций, все более усложняющихся, видимо потому, что примерно за 2 млрд. лет в океане Земли природа «подобрала» из множества сочетаний веществ такие, из которых возникли биологические системы. Действительно, оперируя сочетаниями из 29 молекул, можно «описать» сложную структуру основных органических соединений, входящих в клетку - 20 аминокислот (для построения белка и ферментов). Сюда же входит 5 азотистых соединений (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т), а также рибоза (или ее производная – дизоксирибоза, фосфорная кислота). Из них уже образовываются все нуклеиновые кислоты, рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) (смотрите рис.14). Входят сюда и глюкоза, жиры, фосфаты. Глюкоза – основной продукт фотосинтеза – главный источник энергообмена. Жиры запасают энергию, фосфатиды могут формировать структуру.

Все 29 аминокислот (наиболее важные из них аланин, лейцин, цистеин, глутаминовая и аспаргиновая кислоты) имеют единый принцип построения. На одном конце молекулы располагается группа COOH. На втором атоме углерода – группа NH2. Далее цепляется остаток R из одного атома водорода и более сложной циклической структуры из атомов углерода. На рисунке 13 приведена структурная формула аминокислоты. Они могут соединяться в длинные цепи от 100 до 30000 звеньев. Это макромолекулы белков. Их свойства определяются числом аминокислот и чередованием последних в макромолекуле, что обусловливает громадное число белков. Если построить белки длиной в 100 аминокислотных остатков, то за счет перестановок можно получить 10130 различных вариантов белка. Это в 1012 раз превышает число атомов в нашей Вселенной (10118).

Органические основания обладают слабовыраженными основными свойствами. Два типа оснований используются в макромолекулах РНК и ДНК: пиримидины – цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У) и пурины – аденин (А) и гуанин (Г). Основу строения оснований составляют замкнутые кольца, содержащие азот и углерод (смотрите рис.14).

Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, содержащих одну молекулу фосфорной кислоты, одну молекулу сахара и одну молекулу органического основания (смотрите рис. 15). Нуклеотиды соединяются между собой в полинуклеотидные соединения на основе рибозы или дезоксирибозы. То есть так различают РНК и ДНК. Цепи нуклеиновых кислот содержат от 77 до 107 нуклеотидов. РНК – носитель информации о структуре белка. Это получается за счет того, что в нем имеет место определенный порядок чередования аминокислот. Однако первичным носителем информации о строении белка является ДНК.

Синтез макромолекул энергозатратен. Эта энергия берется из аденозинтрифосфата (АТФ), в которой связь между второй и третьей фосфатной группой может высвобождать химическую энергию. АТФ – разменная энергетическая единица в мире белковых макромолекул (смотрите рис. 16).

На уровне макромолекул возникает новое качество – редупликация. Благодаря ей материя получила возможность воспроизводить сложные молекулы при благоприятных условиях.

Это обусловлено тем, что органические основания ДНК и РНК (по 4 в каждой из нуклеиновых  кислот) могут связываться между собой только одним способом. При этом каждый раз пурин связывается с пиримидином. Для ДНК и РНК существует свой дополнительный (комплиментарный) набор оснований. Заметим, что для редупликации (рис.17) нужны свободные нуклеотиды, особые ферменты и энергия соединений АТФ.