|
Chcesz wiedzieć więcej? Zamów dobrą książkę. Propozycje Racjonalisty: | | |
|
|
|
|
Nauka » Biologia » Powstanie życia
Pierwsze błony komórkowe [1] Autor tekstu: Marcin Klapczyński
Jeśli
przebrnąłeś, Drogi Czytelniku, przez moje poprzednie dwa artykuły (str.
3065 i 3150) i masz
wrażenie jakbyś przedzierał się przez gęsto zarośniętą przez
prebiotyczne
stwory dżunglę — masz rację. Nauka o początkach życia to teren wciąż na
nowo
poznawany, niczym nietknięte ludzką stopą skrawki ziemi, na których
botanik z zaskoczeniem odnajduje dziwnego rodzaju kwiaty. Trzymając się dalej
tego
porównania, wędrówka przez zagadnienie cząsteczek prebiotycznych i pierwszych
systemów biochemicznych to łatwiejsza część naszej podróży. I nie
chodzi tu o stopień skomplikowania czy też zaawansowania w posiadanej wiedzy -
chcąc nie
chcąc pchamy się w głębokie błoto z ruchomymi piaskami. Brak nam
dobrego
przewodnika, jest ich kilku, ale ich nabazgrane na owczej skórze mapy
mówią
zupełnie coś innego. Najgorsze jest to, że jak już wdepniemy w bagno,
konsekwentnie musimy się przez nie przedrzeć, aby uniknąć wyśmiania
przez prymitywne
plemię Kreacjonusów (które od pokoleń jest zdania, że przez bagna
przedzierać
się nie warto). Zadanie to ciężkie, ale spróbuję nakreślić mały
przewodnik dla
odkrywców pierwszych zaczątków już jak najbardziej współczesnego nam
życia. Mimo,
iż
najbardziej podstawowa definicja życia twierdzi, że tworem żywym
jest układ
biochemiczny podlegający ewolucji darwinowskiej, jesteśmy raczej
skłonni
akceptować życie w formie komórkowej. To już jakby namacalny dowód -
możemy takie
„coś" obejrzeć pod mikroskopem i być świadkiem jak zawzięcie macha
rzęską w poszukiwaniu pokarmu. Żywa komórka nie jest jednak niczym innym niż
imponująco
skoordynowanym i skomplikowanym układem biochemicznym uwięzionym w błonie
komórkowej. Właściwie należałoby użyć słowa „chronionym", gdyż
błona
komórkowa nie jest bynajmniej nieprzenikalną ścianą, a bardzo złożonym,
selektywnie przepuszczającym tworem. Rycina 1 to bardzo duże
uproszczenie tego niesamowitego, dynamicznego tworu.
Rycina 1. Mozaikowy model błony współczesnych komórek.
Oprócz
lipidów, składa się ona z wszelakiej maści białek transbłonowych
biorących
udział w transporcie cząsteczek do i z wnętrza komórki. Błona komórkowa
jest
przepuszczalna jedynie dla niektórych. Pośród nich znajdują się
cząsteczki wody
oraz gazów takich jak tlen, azot i dwutlenek węgla oraz dla lipidów
takich jak
cholesterol. Ograniczona przepuszczalność dotyczy niektórych jonów,
cukrów i innych małych molekuł. Przepływ wody może być zwiększony poprzez
ostatnio
intensywnie badane kanały wodne. Przez miliardy lat błony wykształcały
system
kanałów do biernego transportu np. jonów, co jest podstawą wrażliwości
komórek.
Oprócz tego istnieje również wyrafinowany system transportu aktywnego
(zużywającego energię chemiczną) — pozwalający na przenoszenie „pod
prąd".
Powrócimy do tego zagadnienia trochę później. Błona komórkowa wystawia
swoje „czułki" w postaci łańcuchów
cukrowych,
co jest podstawą wszelakiej interakcji ze środowiskiem. Cała struktura
jest
elastyczna i znajduje się w ciągłym ruchu.
Jeśli chcemy być konsekwentni,
musimy
założyć kilka rzeczy, które pozwoliłyby na powstanie pierwszych tworów
komórkopodobnych.
Po pierwsze: pierwotna błona
musiała uformować
się spontanicznie z materiałów dostępnych na młodej Ziemi,
bądź/oraz
zawleczonych z kosmosu. Mało prawdopodobne byłoby założenie, że
pływające
swobodnie cząsteczki utworzyły miejscowe zagęszczenie prowadząc do
skomplikowanego systemu produkcji lipidów i ich dystrybucji wokół
zagęszczenia.
Po drugie: błona ta oprócz
oczywistej ochrony
systemu biochemicznego od środowiska będzie zapewniała chociażby najbardziej
podstawowy rodzaj transportu. Miałoby to służyć do utrzymania
odpowiedniego
stężenia jonów po obu stronach, dostarczania substratów do syntezy
wewnątrz
oraz usuwanie niepotrzebnych produktów.
Po trzecie: powstała błona
musi umożliwić
„rozmnażanie" pierwotnej komórce. Czy byłoby to prymitywne
pączkowanie, czy
bardziej lub mniej zaawansowany podział — sprawny układ biochemiczny
musi
przekazać korzystne cechy następnemu „pokoleniu".
Powstanie. Witamy w tłustym
towarzystwie
Wydaje się całkiem
prawdopodobne, że nie
tylko cząsteczki dostępne na młodej Ziemi, ale również składniki
pozaziemskich obiektów mogły być źródłem powstania pierwszych błon.
Szacuje
się, że bombardowanie meteorytami wczesnej Ziemi mogło dostarczyć około
107
kg na rok organicznych materiałów [1]. Wydaje się, iż rodzime surowce
byłyby
wystarczające, trudno jest jednak wykluczyć zawleczenia zarodków życia
na
Ziemię.
Wróćmy do budowy
błony komórkowej, a właściwie do podstawowych „cegiełek" ją budujących.
Ograniczę się jednak do podstawowych informacji, niezbędnych do dalszej
lektury artykułu.
Głównym składnikiem obecnych błon komórkowych są fosfolipidy (Rycina
4A) — cząsteczki zaliczane do grupy związków amfifilowych.
Oznacza
to, że posiadają obydwie cechy z reguły pojedynczo przypisane do jednej
cząsteczki. W tym przypadku jest ona
podzielona na dwa regiony — umowna "głowa" jest hydrofilowa,
czyli „lubi" środowisko wodne, zaś "ogon" jest hydrofobowy,
czyli
będzie zawsze dążył od ukrycia się przed cząsteczkami wody.
Wyobraźmy sobie mieszaninę
takich
cząsteczek — otóż mają one skłonność do spontanicznego łączenia
się w tzw. micele — drobne pęcherzyki oraz w dwuwarstwy (Rycina 2 i 3 — widać, że twory te
powstają na
skutek „uciekania" części hydrofobowych cząsteczek od środowiska
wodnego -
próbują się one upakować jak najciaśniej, wystawiając na zewnątrz
części
hydrofilowe). W specyficznych warunkach mogą również tworzyć zamknięte
dwuwarstwy, na kilka różnych sposobów opisanych dalej.
Rycina 2. Formowanie uporządkowanych struktur przez cząsteczki
amfifilowe. [2]
Rycina 3. Szczegółowy model dwuwarstwy utworzonej przez fosfolipidy.
Zadajmy więc podstawowe
pytanie. Czy tak
skomplikowane fosfolipidy były dostępne na prebiotycznej Ziemi?
Najwyraźniej nie.
Były jednak dostępne inne cząsteczki, znacznie prostsze lecz nadal
zachowujące właściwości amfifilowe (spójrz na porównanie — Rycina
4).
Wśród najpowszechniejszych znajdują się proste kwasy i alkohole
oraz
pochodne związków zwanych w skrócie PAH (polycyclic aromatic
hydrocarbon
— policykliczne węglowodory aromatyczne), proponuje się również
pochodne izoprenów.
Rycina 4. Składnikiem współczesnych błon komórkowych są fosfolipidy
(A). Składnikami pierwszych prymitywnych błon mogły być np. kwas
5-metylo nonanowy (B) obecny w meteorytach, czy substancja
zwana w skrócie POPC (C). [2, 3]
O tym, że cząsteczki takiego
rodzaju były
zdolne do formowania zamkniętych dwuwarstw (pęcherzyków) świadczy
doświadczenie
zespołu dr Davida Deamera, który wyekstrahował je z skrawka meteorytu z Murchison. Ten dość spory kawałek gwiezdnej skały okazał się bezcennym
znaleziskiem. Nie dosyć, że posiadał substancje uzyskane w eksperymencie
Ureya-Millera (co potwierdziło jedynie nieuniknione powstanie życia we
Wszechświecie), zawierał również cząsteczki amfifilowe takie jak kwas
5-metylononanowy (Rycina 4B) i przedstawicieli z grupy PAH.
Otóż okazuje się, że takie cząsteczki mogą formować twory
komórkopodobne w miejscowych
zagęszczeniach [2]. Tutaj przychodzi z pomocą teoria lagun Stanleya
Millera, o której wspominałem w poprzednich artykułach. Otóż parująca woda z niecek,
brzegów mogła powodować zwiększenie stężenia w tym również omawianych
przez nas
cząsteczek. Tak więc podczas symulacji odpowiednio
zagęszczone substancje amfifilowe spontanicznie formowały pęcherzyki
(Rycina 5 A).
Kalifornijscy naukowcy wskazują właśnie na PAH jako główne ich
składniki. Mało
tego — podobne doświadczenie przeprowadził dr James Dworkin używając
jednak
ekstraktu z zamrożonej materii międzygwiezdnej [2]. Tutaj
głównym
składnikiem była mieszanina kwasu i alkoholu dekanowego. (Rycina
5 B)
Rycina 5. (A) — ekstrakt z meteorytu z Murchison; pęcherzyki są zdolne
do uwięzienia fluorescencyjnego barwnika. (B) — ekstrakt z materii
międzygwiezdnej. Fluorescencyjna substancja barwi dwuwarstwy. [2, 3]
Spontaniczne formowanie się
pęcherzyków
nie wymaga zewnętrznej chemicznej energii, jednak zachowanych musi być
kilka
warunków. Jednym z nich jest, jak widzimy powyżej, ich odpowiednie zagęszczenie.
Proces ten mógł zachodzić na
różne
sposoby, takie jak wspomniane wyparowywanie w lagunach, krótkotrwałe
zamarzanie i topnienie, czy adsorpcję na powierzchniach
mineralnych [2].
Ostatni przypadek byłby najbardziej faworyzowany, gdyż, jak pamiętamy,
na
takich powierzchniach mogą być formowane katalitycznie aktywne RNA.
Wnikanie cieczy z substancjami w szczeliny dawałoby bardzo dobrą
ochronę przed
nieprzyjaznymi warunkami zewnętrznymi. Okazuje się, że dwuwarstwowe
pęcherzyki
mogą być łatwo tworzone z miceli w cyklach ogrzewania i chłodzenia [4],
które mogły być bardzo powszechnym zjawiskiem geologiczno-klimatycznym
na
młodej Ziemi. Proponuje się również inną możliwość — polimeryzację
atmosferycznego metanu pod wpływem promieniowania UV. Substancja ta
tworzyłaby swoistego rodzaju „kożuch" hydrofobowy pływający na dużych
powierzchniach zbiornika i tworzyła parasol ochronny dla pływających
pod nim
cząsteczek [5]. Ostatnio ta kwestia stała się bardzo ważna, gdyż
ponownie
odkryto ślady komórkowych organizmów fotosyntetycznych datowanych na
3,7
miliarda lat, więc znacznie starsze zalążki życia musiały powstawać w wysoce niekorzystnych
warunkach [6].
Przełomowe badania M.
Hanczyca, S.
Fujikawy i J. Szostaka publikowane w zeszłym roku zademonstrowały
ewidentnie spontaniczne formowanie się dwuwarstwowych pęcherzyków w
obecności
ilastego minerału — montmorylonitu [7]. Patrz Rycina 5.1.
Rycina 5.1. Oto seria doświadczeń przeprowadzonych przez Hanczyca, Fujikawę i Szostaka. [7] Przedstawione tu pęcherzyki zostały uwidocznione fluorescencyjnie. Panele I, J przedstawiają czerwono barwione RNA zamknięte w wybarwionych na zielono pęcherzykach. Panele F,H przedstawiają wybarwiony montmorylonit — minerał wspomagający formowanie się pęcherzyków. Panele B,D pokazują pęcherzyki zawierające ciekawe twory aluminowo-krzemowe. [ 1 ]
1 2 Dalej..
Przypisy: [ 1 ] Publikowane za zgodą autorów i wydawcy. MM Hanczyc et al., SCIENCE 302:618-22 (2003). Copyright 2003 AAAS, Numer zezwolenia: # 04-0541w. Permission letter UWAGA: Czytelnicy mogą przeglądać oraz pobierać powyższy materiał tylko w celu prywatnego, niekomercjalnego użytku. Powyższy materiał jest chroniony przez prawo, nie może być reprodukowany, rozpowszechniany, modyfikowany, adaptowany, przedstawiany albo sprzedawany w całośći bądź w częściach bez uprzedniego zezwolenia wydawcy. « Powstanie życia (Publikacja: 03-03-2004 Ostatnia zmiana: 07-04-2004)
Marcin KlapczyńskiUkończył biologię molekularną na Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu. Pracował jako Research Specialist in Health Science w Department of Anatomy and Cell Biology na University of Illinois w Chicago. Obecnie pracuje jako Associate Cell Biologist / Histologist w Abbott Laboratories (Illinois). Specjalizuje się w ekspresji białek 'od zera', hodowlach linii komórkowych, symulacji in vitro procesów zachodzących w komórkach. Jego pasją jest teoria ewolucji, w szczególności ewolucja systemów biochemicznych i pochodzenie życia we Wszechświecie. Liczba tekstów na portalu: 22 Pokaż inne teksty autora Liczba tłumaczeń: 1 Pokaż tłumaczenia autora Najnowszy tekst autora: Wykonanie statywu Dobsona, złożenie i kolimacja teleskopu | Wszelkie prawa zastrzeżone. Prawa autorskie tego tekstu należą do autora i/lub serwisu Racjonalista.pl.
Żadna część tego tekstu nie może być przedrukowywana, reprodukowana ani wykorzystywana w jakiejkolwiek formie,
bez zgody właściciela praw autorskich. Wszelkie naruszenia praw autorskich podlegają sankcjom przewidzianym w
kodeksie karnym i ustawie o prawie autorskim i prawach pokrewnych.str. 3272 |
|