ЧЯД. Глава 7. 2

                КОЛЬЦО ВОКРУГ РОЗИ

W Следующий шаг в создании молекулы АМФ в некотором роде похож на предыдущий. Опять же, мы возьмем атом азота и используем его для замены атома кислорода, прикрепленного к углероду, и снова на этом шаге используется энергетическая таблетка АТФ. Но на этот раз нам не нужно вводить азот извне. Вместо этого мы будем использовать азот, который уже есть в нашей молекуле. Первый азот, который был заложен в фундамент – тот, который несколько шагов назад вытеснил фосфорно-кислородную группу, – теперь вступает в игру. Он занимает место атома кислорода, который является последним в цепочке. Но в отличие от азота, который был получен из аминокислоты на предыдущем этапе, этот азот не разрывает никаких своих связей с другими атомами. Он просто создает новый, как показано в промежуточном соединении VII. Интересная вещь в этом устройстве заключается в том, что теперь образуется кольцо из атомов. Кольцо состоит из пяти участников, из которых выступают две группы. Первая группа – азот, который был введен на последнем этапе, а вторая группа – фундамент.

Если вы встряхнете банку с газировкой и откроете крышку, вас окатит струя жидкости. Спрей приводится в действие внезапным выбросом углекислого газа, растворенного в жидкости. Некоторое количество углекислого газа также растворено в клеточной жидкости (хотя животное обычно не шипит при встряхивании) и может быть использовано в биохимических реакциях. Это хорошо, потому что для следующего этапа синтеза АМФ необходим углекислый газ. В реакции молекула газа (на самом деле ее залитый водой  аналог, бикарбонат) помещается ферментом VII на углерод, чтобы сделать промежуточный продукт VIII. Энергетическая гранула АТФ питает и этот шаг.

А теперь пришло время добавить еще один аммиак. На этом этапе также используются энергетические гранулы АТФ. Как и в прошлый раз, когда добавлялся аммиак, он не будет плавать в свободном растворе (как углекислый газ). Его пожертвует аминокислота. Но на этот раз это будет аспарагиновая кислота. Азот не покидает аминокислоту, когда она реагирует с промежуточным продуктом VIII: мы получаем азот, который нам нужен, но также и уродливую дополнительную цепочку атомов, свисающую с конца промежуточного продукта IX. Фермент IX удаляет нежелательный придаток, отпиливая лишнюю часть.

В результате получается наполовину построенная молекула промежуточного продукта X.  Другая молекула активированного формиата – снова связанная с витамином – присоединяется к азоту промежуточного продукта X, чтобы получить промежуточный продукт XI. На следующем этапе фермент XI направляет азот на вытеснение кислорода из только что присоединенного формиата и создание связи с углеродом. Результат – промежуточный продукт  XII. Поскольку реагирующий азот не разрывает свою связь с углеродом, к которому он был первоначально прикреплен, реакция образует еще одно  кольцо. Два слитых кольца Промежуточного продукта XII жесткие, а не гибкие, как цепочки атомов, которые предшествовали образованию колец. Образование шестичленного кольца на этой стадии похоже на образование пятичленного кольца несколько шагов назад, а реакция формиата на последней стадии химически аналогична предыдущему добавлению формиата. Но даже несмотря на то, что эти два набора шагов похожи, они катализируются двумя различными наборами ферментов. Это необходимо, потому что форма молекулы изменилась во время синтеза, а ферменты часто чувствительны к изменениям формы.

Промежуточный продукт XII – это нуклеотид под названием ИMФ*, который используется в некоторых биомолекулах (например, один особый тип РНК, который помогает производить белок, содержит немного ИМФ). Чтобы сделать AMФ из ИMФ, требуется еще несколько шагов. Некоторые показаны на рисунке. В шаге, напоминающем предыдущий, фермент XII присоединяет молекулу аминокислоты аспарагиновая кислота к шестичленному кольцу, выталкивая атом кислорода с атомом азота из входящей молекулы. Это дает промежуточный продукт XIII. В реакции используется энергетическая гранула, но не АТФ. Вместо нее, по причинам, о которых я расскажу позже, используется ГTФ. Снова, как и в прошлый раз, когда была прикреплена аспарагиновая кислота, появляется уродливый, вредный придаток.

Фермент IX возвращается (единственный фермент, который используется дважды в пути), чтобы отпилить ненужную часть и оставить необходимый атом азота.

Наконец, мы получили АМФ – один из «строительных блоков» нуклеиновых кислот.W

                КАК ДОБРАТЬСЯ

Я полагаю, что уже потерял большинство читателей в лабиринтах биосинтеза АМФ, поэтому позвольте мне поиграть в бухгалтера и подвести итоги. Синтез состоит из тринадцати этапов и включает в себя двенадцать ферментов. Один из ферментов, IX, катализирует два этапа. Помимо базовой молекулы, рибозы-5-фосфата, для синтеза требуется пять молекул АТФ, чтобы обеспечить энергию для запуска химических реакций на разных стадиях, одна молекула ГТФ, одна молекула углекислого газа, две молекулы глутамина для донорства атомов азота на разных стадиях, молекула глицина, две формильные группы из ТГФ на разных стадиях и две молекулы аспарагиновой кислоты для донорства атомов азота на других двух стадиях. Кроме того, на двух отдельных этапах остатки молекул аспарагиновой кислоты должны быть отрезаны, а на двух отдельных стадиях части растущей молекулы должны вступить в реакцию друг с другом, чтобы замкнуть два кольца. Все тринадцать шагов происходят для создания только одного вида молекул. Молекулы-предшественники вдоль синтетического пути – промежуточные продукты с III по XI – не играют независимой роли. Они используются только для производства AMФ или ГMФ.

Говорят, что все дороги ведут в Рим, и точно так же есть много способов синтезировать AMФ. В книге для химиков, которая стоит у меня на полке, перечислены восемь различных способов получения аденина (который является верхней частью АМФ, без основы). Остальная часть молекулы также может быть собрана различными способами. Однако химики, которые хотят синтезировать аденин, используют совершенно другие пути, чем те, которые используются клетками. Поскольку они включают реакции в маслянистых жидкостях при экстремальной кислотности, эти условия могут привести к быстрой гибели любого известного организма.

В начале 1960-х годов ученые, интересовавшиеся происхождением жизни, открыли интересный способ синтеза аденина.  Они увидели, что простые молекулы цианистого водорода и аммиака, которые, как полагают, были в изобилии на заре существования Земли, образуют аденин при определенных условиях. Легкость реакции настолько впечатлила Стэнли Миллера, что он назвал ее «камнем веры» для исследователей происхождения жизни. Но есть проблема, скрывающаяся на заднем плане: цианистый водород и аммиак не используются в биосинтезе АМФ. Но даже если бы они были на древней Земле, и даже если бы это имело какое-то отношение к происхождению жизни (что является проблематичным по ряду других причин), синтез аденина из простых молекул в колбе химика не дает нам абсолютно никакой информации о том, как в клетке впервые появился путь создания молекулы.

Стэнли Миллер был впечатлен простотой синтеза аденина из простых молекул, но клетка избегает простого синтеза. На самом деле, если мы растворим в воде (используя формальные химические названия) рибозо-5-фосфат, глутамин, аспарагиновую кислоту, глицин, N10-формил-ТГФ, углекислый газ и энергетические пакеты АТФ и ГТФ – все малые молекулы, которые используются клеткой для создания АМФ, – и оставим их на долгое время (скажем, тысячу или миллион лет), мы не получим АМФ. Если бы Стэнли Миллер смешал эти химические вещества в надежде найти еще один камень веры, он был бы весьма разочарован.

Обувь – это все, что нам нужно, чтобы добраться до Рима из Милана. Но нам понадобится нечто большее, чем обувь, чтобы добраться до Рима из Сицилии. Нам понадобится лодка. А чтобы добраться до Рима с Марса, нам действительно понадобится очень высокотехнологичное оборудование. Чтобы производить АМФ из ингредиентов, которые использует клетка, нам также нужно очень высокотехнологичное оборудование: ферменты, которые катализируют реакции этого пути. В отсутствие ферментов АМФ просто не вырабатывается реакциями, показанными на рисунках. Дело в том, что даже если аденин или АМФ могут быть получены простыми путями, эти пути являются не большими предшественниками биологического пути синтеза, чем обувь предшественником ракетных кораблей.

                A-B-C-D

Рассмотрим метаболический путь, в котором соединение А превращается в соединение D с помощью промежуточных соединений В и С. Мог ли этот путь развиться постепенно? Это зависит от обстоятельств. Если А, В и С являются полезными соединениями для клетки и если ни В, ни С, ни D не являются необходимыми с самого начала, то возможно медленное развитие. В этом случае мы можем представить себе клетку, которая заставляла A неторопливо мутировать так, что по счастливой случайности было бы произведено соединение В. Если бы это не нанесло вреда, то, возможно, со временем клетка нашла бы применение соединению B. И тогда, возможно, сценарий мог бы повториться. Случайная мутация заставит клетку производить некоторое количество С из B, найти применение для C и так далее.

Но предположим, что D необходим с самого начала. АМФ необходим для жизни на Земле: из него делают ДНК и РНК, а также ряд других критически важных молекул. Возможно, есть какой-то способ построить живую систему, которая не требует AMФ, но если он есть, никто понятия не имеет, как это сделать. Проблема дарвиновской эволюции заключается в следующем: если в клетке используется только конечный продукт сложного биосинтетического пути, то как этот путь развивался поэтапно? Если А, В и С не могут быть использованы иначе, как в качестве предшественников D, то какое преимущество организму производить только А? Или, если он производит А, производить Б? Если клетке нужен АМФ, что толку от того, что она сделает промежуточный III, или IV, или V? Метаболические пути, в которых промежуточные продукты бесполезны, представляют собой серьезную проблему для дарвиновской схемы эволюции. Это в полной мере относится к чему-то вроде AMФ, потому что у клетки нет выбора: AMФ необходим для жизни. Либо у клетки немедленно появляется способ производить или получать АМФ, либо она умирает.

В нескольких учебниках упоминается эта проблема. Типичное объяснение
экономно выражено Томасом Крейтоном:

«Как могла развиваться биохимическая сложность метаболических путей? В случае биосинтетических путей, которые производят строительные блоки аминокислот, нуклеотидов, сахаров и т. д., вполне вероятно, что эти строительные блоки первоначально присутствовали в первичном бульоне и использовались непосредственно. Однако по мере увеличения численности  организмов эти составляющие стали бы дефицитными. Любой организм, который мог бы произвести один из них из какого-то неиспользованного компонента первичного бульона, используя недавно эволюционировавший фермент, имел бы селективное преимущество. Как только доступность этого компонента стала бы ограниченной, произошел бы отбор любого организма, который мог бы производить его из какого-то другого компонента первичного бульона. Согласно этому сценарию, ферменты метаболических путей должны были развиваться в последовательности, противоположной той, которую они имеют в современном пути».

Иными словами, Крейтон говорит, что если мы найдем путь реакции в современном организме, который идет A-B-C-D, то D был доступен в первичном бульоне – синтезирован простыми химическими предшественниками без помощи ферментов. По мере того, как запасы D истощались, какой-то организм «учился» делать D из С. Когда С закончится, он сделает С из В. Когда снова возникнет угроза голода, он научится делать В из A и так далее. Та же схема описана в «Молекулярной биологии клетки», популярном тексте, написанном нобелевским лауреатом Джеймсом Уотсоном, президентом Национальной академии наук Брюсом Альбертсом и несколькими другими соавторами. В пояснении к рисунку говорится, что первичная клетка обеспечена запасом родственных веществ (A, B, C и D), полученных путем пребиотического синтеза. Одно из них, вещество D, метаболически полезно. По мере того, как клетка исчерпывает доступный запас D, селективное преимущество достигается за счет эволюции нового фермента, который способен производить D из близкородственного вещества С.

Да, все согласны с тем, что, если у вас закончился D, нужно сделать это из C. И, конечно же, преобразовать В в С должно быть простым делом. В конце концов, они находятся рядом друг с другом в алфавите. И где мы возьмем А, Б и остальных? Конечно же, из супа из первобытного алфавита.

Дело в том, что никто никогда не присваивает реальных химических названий ни одной из мифических букв в истории A-B-C-D. В учебниках, упомянутых выше, мультяшные объяснения не развиваются дальше, хотя книги используются для обучения аспирантов, которые могли бы легко понять подробные объяснения. Конечно, нетрудно представить, что в первичном бульоне может плавать какое-то количество С, которое можно легко преобразовать в D. Кальвин и Гоббс могли представить это без каких-либо затруднений. Однако гораздо труднее поверить, что было много аденилосукцината (промежуточный продукт XIII), который нужно было преобразовать в АМФ. И еще труднее поверить, что карбоксиаминоимидазол риботид (промежуточный продукт VIII) лежал и ждал, пока его преобразуют в 5-аминоимидазол-4-(N-сукцинилокарбоксамид) риботид (промежуточный продукт IX). В это трудно поверить, потому что, когда вы даете химическим веществам настоящие имена, вы должны придумать настоящую химическую реакцию, которая могла бы их создать. Никто этого не сделал.

Проблем с теорией A-B-C-D множество. Давайте посмотрим на некоторые из наиболее заметных. Во-первых, за исключением промежуточного продукта X, эксперименты по пребиотическому синтезу не дали ни одного промежуточного продукта из биосинтеза АМФ. Хотя аденин может быть получен путем реакции аммиака и цианистого водорода, биохимические предшественники аденина не могут быть получены. Во-вторых, есть веские причины полагать, что промежуточные продукты в биохимическом пути не могут быть получены без тщательного ферментативного руководства. Например, если бы не было подходящих ферментов для управления реакциями на промежуточные продукты V и XI, формиат, скорее всего, реагировал бы непродуктивными способами, а не способами, необходимыми для производства АМФ. Заметим, что эти ферменты должны быть доступны до того, как будут разработаны  ферменты для последующих этапов, иначе более поздним ферментам не с чем было бы работать. Более того, шаги, требующие энергетических гранул, должны быть тщательно продуманы, чтобы энергия не была потрачена впустую на что-то бесполезное. Например, энергия бензина может заставить автомобиль двигаться, потому что она направляется в нужное русло сложной машиной. Горящий бензин в луже под машиной вообще не перемещает её. Если бы не было фермента, управляющего использованием энергетической гранулы АТФ, энергия была бы потрачена впустую. Заметим еще раз, что ферменты, необходимые для управления этими шагами, потребуются до того, как организм получит химическое вещество, которое производится на следующем этапе пути.

Третья проблема с историей A-B-C-D заключается в том, что некоторые  промежуточные продукты химически нестабильны. Таким образом, даже если, вопреки всем надеждам, они будут созданы в результате ненаправленной пребиотической реакции, они либо быстро развалятся, либо быстро отреагируют неправильным образом. Опять же, они не смогут продолжить путь. Можно было бы выдвинуть и другие доводы против истории A-B-C-D, но этого будет достаточно.


* ИМФ (IMP) – инозинмонофосфат или инозиновая кислота. Представляет собой пуриновое основание гипоксантин, соединенное с 5-атомным моносахаридом рибозой и одной молекулой фосфорной кислоты. В чистом виде нашел применение в пищевой промышленности в качестве усилителя вкуса Е 630. Производится обычно из куриных отходов. Инозин (гипоксантин + рибоза) одно время был очень популярен в качестве лекарственного препарата Рибоксин при сердечно-сосудистых заболеваниях (есть в продаже и назначается по сей день). А также в качестве препарата Инозин пранобекс, якобы обладающий иммуностимулирующими свойствами. Назначается при гриппе и простудных заболеваниях. Действие обоих препаратов не доказано.   На территории США применение запрещено по решению FDA с1981 года. Входит в состав препарата Цитофлавин, широко используемого в  РФ для лечения цереброваскулярных заболеваний.

Продолжение  http://proza.ru/2024/08/24/1741