УСЛОВИЯ СОЗДАНИЯ ПЛОСКОСТНОЙ И ОБЪЕМНОЙ ФОРМ СУЩЕСТВОВАНИЯ БИОСИСТЕМ С ДЕВЯТЬЮ ИДЕНТИЧНЫМИ СУБЪЕДИНИЦАМИ

УДК 577.2

Введение

Живой материи присуща способность к самоорганизации, а её наиболее ярким проявлением является строго определенная пространственная структура ферментов. Но в связи с тем, что живые системы постоянно совершают работу и разрушаются, они должны одновременно и самовосстанавливаться, черпая из окружающей среды необходимые материалы, энергию и информацию. Благодаря процессу самовосстановления биосистемы сохраняют по отношению к среде обитания антиэнтропийное состояние.

Описанию гипотезы того, как это достигается, и посвящена данная статья.

 Как известно, тепловое движение присуще большим и малым частичкам, сгусткам молекул, отдельным молекулам и атомам.

Существуют молекулы, состоящие из двух, трех, четырех и более атомов, причем их вторичная, третичная и четвертичная структуры зависят не только от первичной структуры, но и от параметров окружающей среды: её рН, ионной силы, концентрации молекул эффекторов и т. д.

Свойства молекул определяются не только тем, сколько атомов того или иного сорта участвует в их постройке, но и тем, в каком порядке и в какой конфигурации они соединены.

Известно также, расположение атомов в молекулах может быть как плоскостным (линейным или уголковым), так и объемным. Например, молекулы из трех атомов бывают линейные (все три атома расположены в ряд) и уголковые (связи между атомами образуют тупой угол). Линейной является молекула СО₂ — углекислого газа, а уголковой (угол 105°) — молекула воды Н₂О.

Беспорядочный характер теплового движения, его неизменность вплоть до абсолютного нуля температур (по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C) качественно отличают это движение от упорядоченного механического перемещения макроскопических тел.

Броуновское движение - тепловое движение частиц вещества (размерами в нескольких мкми менее), находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или в газе.

При рассматривании этого движения нет принципиальной разницы между молекулами азота N₂, диаметр которых составляет 0,32 нм, растворенными в воде, и теми видимыми частицами, которые существуют в виде зерен эмульсии.

Попутно заметим, что диаметр атома углерода оказался равным 0, 14 нм. Такую же размерность имеют и диаметры других молекул: водород (H₂) – 0,25; вода (H₂O) - 0,298; кислород (O₂) – 0,3; оксид углерода (II)(уга́рный газ, о́кись углеро́да, моноокси́д углеро́да, CO) -0,32; оксид углерода (IV)(углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид, CO₂) - 0,33; диоксид серы (SO₂) – 0,34; хлор (Cl₂) – 0,37 нм.

Обратим особое внимание на тот факт, что взвешенному состоянию [suspended state] частиц, участвующих в броуновском движении, соответствует состояние твердых или жидких частиц материала в среде с меньшей плотностью, при котором они не соприкасаются с огражденными поверхностями, а как бы зависают в своей зоне нулевой плавучести (neutral buoyancy) [2].

Таким образом, взвешенное состояние любой твердой частицы (в том числе липидной молекулы, нуклеотида или белка), возникающее при погружении в жидкость, равную по плотности средней плотности частицы, воспроизводит снятие весовой нагрузки на опорные структуры при любом её положении в пространстве. При этом частицам затруднительно подняться вверх или же опуститься вниз, ибо это требует дополнительного усилия.

В то же время в плоскости зоны нулевой плавучести они могут передвигаться свободно во всех направлениях и даже вращаться, однако, чаще всего, совершая при этом передвижения «влево-вправо» и «вперед-назад», в результате чего траектория их движения принимает вид изломанной линии [2].

Отметим, что фрактальная геометрия природы во многом возникла благодаря броуновскому движению [10]. Фракталы находят всё большее применение в науке. Они описывают реальный мир даже лучше, чем традиционная физика или математика [7]. Попутно напомним, что фрактал - это геометрическая фигура, определенная часть которой повторяется снова и снова, изменяясь в размерах - это и есть принцип самоподобия. Разветвления трубочек трахей, листья на деревьях, вены в руке, река - это фракталы, а броуновское движение является аспектом фрактальной геометрии, имеющим наибольшее практическое использование [6].

Следует особо подчеркнуть, что броуновский «танец» частиц ускоряется с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедляется при замене воды более вязкой средой.

В то же время нельзя забывать о том, что чем меньше площадь поверхности тела, тем значительнее отклонения силы давления, действующей на данную площадь. Так, если площадка имеет размеры порядка нескольких диаметров молекулы, то действующая на нее сила меняется скачкообразно от нуля до некоторого конечного значения при попадании молекулы в эту площадку.

Как уже приводилось выше, причиной броуновского движения является ряд не скомпенсированных импульсов, которые получает броуновская частица от окружающих её молекул жидкости или газа.

У газов средняя кинетическая энергия молекул больше средней потенциальной энергии. У жидкостей средняя кинетическая энергия немного меньше средней потенциальной, у твердых тел средняя кинетическая энергия много меньше средней потенциальной. Для перемещения молекула должна получить энергию, значительно превышающую среднюю.

В результате "бомбардировки" молекулами воды броуновская частица приходит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 10¹⁴ раз в сек [8].

Импульс одной молекулы воды слишком мал для того, чтобы результат её столкновения с броуновской частицей можно было увидеть под микроскопом. Но если с частицей сталкивается сразу большое количество молекул, случайно движущихся в одном направлении, то они могут вызвать её заметное смещение, поскольку результирующая сила давления, действующая на частицу, оказывается отличной от нуля. При этом для частицы размером 0,1 мкм одно перемещение происходит за три миллиардные доли секунды на расстояние всего 0,5 нм (1 нм = 0,001 мкм).

Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. время колебаний около одного определенного положения равновесия, при комнатной температуре, как показывают расчеты, выполненные с применением законов статистической механики, равно в среднем 10^-11 с. Время же, за которое совершается одно колебание, значительно меньше (10^-12—10^-13с).

В этой связи отметим, что каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду [1]. Поскольку преимущественное количество ферментов работает в окружении, а порой и под непосредственным воздействием молекул воды, становится понятным, почему человек не может прожить без воды более 5 суток.

С повышением температуры время оседлой жизни молекул воды уменьшается. Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установленный советским физиком Я. И. Френкелем, позволяет понять основные свойства жидкостей [8].

Попутно напомним, что водная среда характеризуется высокими значениями плотности, удельной теплоемкости, теплопроводности и растворимости. Так, плотность воды примерно в 1300 раз превышает плотность воздуха. Следствие этого — наличие большого сопротивления движению гидробионтов, увеличение давления на них воды с возрастанием глубины, большая опорность, используемая водными организмами, а также высокая выталкивающая сила (архимедова сила) и вязкость. Удельная теплоемкостьводы в 500 раз больше, чем воздуха. Поэтому вода, медленно нагреваясь и медленно остывая, уменьшает амплитуду суточных и сезонных колебаний температуры.

Теплопроводность воды в 30 раз выше, чем воздуха, благодаря чему осуществляется равномерное распределение температуры в водной среде.

Вода — превосходный растворительразнообразных минеральных веществ. В воде растворяются и газы. Однако кислорода в воде содержится в 30 раз меньше, чем при той же температуре в равном объеме воздуха.

Следует также заметить, что в реальных жидкостях никогда нельзя пренебрегать внутренним трением, называемым вязкостью (η, Па·с), ибо большинство наиболее интересных явлений в поведении жидкости так или иначе связано именно с этим свойством. При этом необходимо помнить, что динамический коэффициент вязкости воды в значительной степени зависит от температуры и  почти не зависит от давления. Вязкость воды уменьшается при увеличении температуры весьма существенно. Так, при увеличении температуры воды от 0 до 100º С вязкость уменьшается примерно в 8 раз. Для воды непосредственно над точкой замерзания отношение вязкости к плотности (η/ρ) в 1,8 больше, чем при 20° С. Динамическая вязкость воды составляет 8.90 × 10 Па·с при температуре около 25° C. В то же время величины удельных вязкостей воды и воздуха при 20° C сравнимы и соответственно, равны 13·10^-6 и 15·10^-6 м²/сек [5].

Вязкость воздуха зависит, в основном, от температуры. При 15° C вязкость воздуха составляет 1.78×10 кг/, 17.8 мкПа·с или 1.78×10 Па·с [5].

Все вышеприведенные свойства воды невольно отразятся как на путях доставки биологических составляющих молекулами воды, так и при их сборке в биоструктуры разного типа сложности и, в конечном счете, на возможности самого зарождении жизни именно в воде, а не на суше или в воздушном пространстве нашей планеты. Ведь именно благодаря этим свойствам вода и стала, с одной стороны, лоном для зарождающейся жизни, а, с другой – её сотворцом, разделив это высокое, «божественное» право на рождение жизни с броуновским движением частиц, в неё попавших.

Однако именно эта рассматриваемая разновидность движения молекул в воде и оказалась судьбоносной для создания самоорганизации и самовосстановления органических макромолекул.

2. Условия создание плоскостной формы БСОЛ-2012 и разнообразие геометрических форм, свойственных её существованию.

Попытаемся разобраться, что за факторы внешней среды способствуют явлению самоорганизации органических молекул. Учитывая тот факт, что природа всегда сверхэкономна не только в использовании материальных ресурсов, но и схем объединения субъединиц, логично предположить, что на поверхности воды могли собираться линейные и уголковые липидные структуры, состоящие из трех идентичных молекул липидов.

Примером такой линейной биоструктуры, может быть тройка идентичных молекул с номерами 1′ 2′ и 3′, специально раскрашенных в разные цвета, образующей вместе двумя неокрашенными, но идентичными ей, плоскостную форму существования уже девяти субъединичной биострутуры, получившей название «Биологической системы Одесса-Лондон-2012» или «БСОЛ-2012» (рис. 1).

Рисунок 1 - Три плоскостных формы существования биологической структуры, состоящей из 9-ти идентичных субъединиц (так называемой «Биологической системы Одесса-Лондон-2012»).

Как уже сообщалось выше, отдельные передвижения броуновской частицы (или их сгустков) «вперед-назад» и «вправо-влево» происходят очень часто и на очень малые расстояния, а траектория передвижения представляет изломанную линию. Однако именно такие передвижения как раз то и нужны для смещения одной тройки субъединиц описанной выше биосистемы относительно двух других троек, в том числе - окрашенной.

Особо подчеркнем, что в результате такого перемещения линейных биологических структур, содержащих по 3 идентичные субъединицы, и их временного контакта между собой и возникают три плоскостных формы биоструктуры, имеющие разные геометрические формы (и, соответственно, различные опорные поверхности). Причем они, по своей сути, представляют одну расслабленную (квадратообразную) форму переносящих и катализирующих биологических систем (рис. 1а) и две их напряженные (ромбообразные) формы существования (рис. 1б и рис. 1в).

Отметим также, что данная биоструктура, впервые представленная на международной конференции 2012 года, одновременно проводимой в Одессе и Лондоне [9], по пожеланию участников впоследствии была переименована в «Биологическую структуру Одесса-Лондон-2012» или сокращенно («БСОЛ-2012»), по-украински: «Біологічну систему Одесса-Лондон-2012» («БСОЛ-2012») и по-английски: «Biological system Odessa-London-2012» или «BSOL-2012»).

Главной особенностью этой биоструктуры является тот факт, что, изменяя материал субъединиц с липидов (как в рассматриваемом случае) на нуклеотиды, получаем основание для подтверждения возможности каталитических свойств нуклеиновых кислот. Если же в качестве субъединиц БСОЛ-2012 используются белковые структуры, она сразу же превращается в фермент (энзим).

Следует также особо подчеркнуть, что с повышением температуры увеличится частота смещения одной тройки субъединиц относительно других, и тем самым увеличится число переходов из одной разновидности плоскостной формы БСОЛ-2012 в другую. При этом невольно увеличится катализирующая производительность системы.

В то же время, усиленное передвижение молекул воды может привести и к распаду названных выше троек субъединиц, вследствие чего биоструктура распадётся. Именно поэтому все катализирующие системы работают в строго определенном интервале температур и давления. Изменение величины давления, в свою очередь, может способствовать переходу плоскостной формы БСОЛ-2012 в объемную форму и наоборот.

Обратим особое внимание на тот факт, что для того чтобы данные молекулы могли встретиться и создать БСОЛ-2012, они обязательно должны обладать близкими по значению величинами плотности и диаметров. Следовательно, это и есть не только основная причина самоорганизованности биоструктур, но и её самовосстановления и даже включения в чисто липидные соединения белковых структур, близких им по величинам плотности и диаметрам (но, только в плоскости контакта). А это – уже прямой путь к возникновению «липидных рафтов» или «липидных плотов», а также участков поверхностного слоя плазменных «липопротеиновых частиц». Попутно напомним краткие характеристики этих важнейших биологических самообразований.

«Липидный рафт» (дословно «липидный плот», англ. lipid raft) - микродомен липидного бислоя клеточной мембраны, обогащённый холестерином, сфинголипидами и насыщенными фосфолипидами [1].

Плазменные липопротеины (липид — жир, протеин — белок) – это сложные комплексные соединения, имеющие характерное строение: внутри липопротеиновой частицы находится жировая капля (ядро), содержащая неполярные липиды (триглицериды и эстерифицированный холестерин). Жировая капля окружена оболочкой, в состав которой входят фосфолипиды, белок и свободный холестерин.

Попутно напомним, что молекулы холестерина, вещества с общей формулой С₂₇Н₄₆O, могут синтезироваться почти всеми клетками из более простых органических компонентов. Однако для комплексных структурных функций, например нервных тканей или костного мозга, холестерин образуется в печени и доставляется в разные ткани тела по кровеносной системе в составе сферических липопротеиновых частиц.

Синтез самой крупной липопротеиновой частицы контролируется особым геном, который назвали геном СЕТР или геном долголетия.

Обратный транспорт холестерина из периферических тканей к печени осуществляется посредством ЛПВП.Эти липопротеиновые частицы удаляют избыток свободного (неэтерифицированного) холестерина с поверхности клеток. Переход свободного холестерина из клеток на ЛПВПобусловлен разницей его концентраций на поверхности клеточных мембран и липопротеиновых частиц. Следовательно, он продолжается до тех пор, пока не выровняется концентрация холестерина между донором (поверхность мембран) и акцептором (ЛПВП).

В этой связи обратим внимание на тот факт, что толщина наружной оболочки липопротеиновой частицы (ЛП-частица) составляет 2,1–2,2 нм, что соответствует половине толщины липидного бислоя клеточных мембран. Данное обстоятельство позволило сделать заключение, что в плазменных липопротеинах наружная оболочка в отличие от клеточных мембран содержит липидный монослой [4].

Учитывая изложенные выше факты, особо подчеркнем, что именно такой монослой из липидов и представляют собой три плоскостных формы существования БСОЛ-2012 (рис. 1).

В то же время, для того, чтобы молекулы (субъединицы) такой биосистемы подольше оставались во взаимодействии друг с другом, их контакты должны были быть не точечными (как в случае контактов сфер), а линейными (когда молекулы соприкасаются по образующим их геометрических форм). Однако высказанное условие выполнимо только лишь при цилиндрической или конической форме липидных молекул.

Обратим внимание на тот факт, что для современных липидных молекул (т. е. уже прошедших строгий эволюционный отбор) характерны всего лишь три объемные формы: цилиндр да две разновидности конусов – «прямой» и «перевернутый» [3].

В связи с тем, что описанные выше формы молекул помогали новым биоструктурам лучше реагировать на внешние воздействия, подобные им конструкции становились более долгоживущими и распространенными.

Особо подчеркнем, что ни одна из форм существования этой 9-ти субъединичной биоструктуры уже не собирается изначально из отдельных субъединиц, однако может с помощью броуновского движения активно использовать отдельные аналогичные субъединицы для самовосстановления.

Рассматривая напряженные формы плоскостного существования БСОЛ-2012, невольно отмечаешь, что субъединицы 1 и 3′′ на рис. 1б, а также субъединицы с номерами 1′′ и 3 рис. 1в, взаимодействуют с остальными субъединицами биоструктуры только лишь двумя липид-липидными связями, в отличие от других идентичных субъединиц, связанных с другими при помощи трех липид-липидных связей. Именно эти субъединицы являются слабым звеном этой биоструктуры и могут первыми утрачиваться ею. Однако взамен им, благодаря постоянному броуновскому движению, биоструктуре могут поставляться новые аналогичные и единичные субъединицы (что сразу же делает биоструктуру открытой для внешнего мира) или же возвращаться утраченные ими ранее субъединицы. Именно таким путем, вероятно, и происходит постоянное самовосстановление современных биоструктур.

В то же время включение дополнительных составляющих из другого материала (например, химических элементов, аминокислот или углеводов) в БСОЛ-2012 только лишь приветствовалось эволюцией, поскольку они своими связями с идентичными субъединицами не только разнообразили мир представителей БСОЛ-2012, но и могли стабилизировать их.

Действительно, в настоящее время четко установлено, что некоторые белки и пептиды стабилизируют фосфолипидные диски («липидные плоты» и прочие названия липидных агрегатов) [3].

3. Условия и последствия создания объемной формы существования БСОЛ-2012

Рассмотрим более подробно три возможных мономера, составляющих объемную форму существования БСОЛ-2012 (рис.2). Каждый из них собран из трех идентичных субъединиц, собранных согласно уголковой схеме объединения молекул, и аминокислоты (входящей в образованный ими реакционный канал биосистемы), которая вместе с субъединицей, определяющей её свойства, окрашена в один и тот же цвет.

Рисунок 2 - Мономеры «БСОЛ-2012» с аминокислотами (а, б, в) и г - её кубическая форма существования (с одной снятой субъединицей для лучшего рассмотрения данной биоструктуры)

Два из этих мономеров (рис. 2а и рис. 2в), оказываются менее стабильными, чем представленный на рис. 2б - более симметрично собранный из тройки субъединиц и аминокислоты зеленого цвета (такой же идентичной двум, но окрашенным в розовый и красный цвет).

Обратим особое внимание на следующий очевидный факт - при сборке объемной (кубической) формы существования БСОЛ-2012 две её тройки субъединиц с аминокислотами собираются целыми, в то время как составляющие третьего мономера во время досборки биосистемы используется  раздельно, т. е. при этом совершается своеобразная аутофагия [11]. В результате этого неокрашенные субъединицы БСОЛ-2012 (рис. 2) с обеих сторон закрывают окрашенную троицу субъединиц от воздействия внешней среды.

Следовательно, данная биоструктура как бы временно «жертвует» своей самой нестабильной частью, разбирая её на отдельные субъединицы, для того, чтобы затем использовать их же или аналогичные им субъединицы (но находящиеся в этот момент рядом в окружающей среде, что сразу же делает БСОЛ-2012 открытой системой) для своего полного восстановления.

Подчеркнем особо, что в результате сборки в объемной форме существования БСОЛ-2012 появляется дополнительный – четвертый реакционный канал, в который может войти четвертая аминокислота - дополнительная и идентичная трем аминокислотам данной биоструктуры.

Вследствие названных выше свойств, данные биоструктуры и стали наиболее распространенными на нашей планете, заложив не только основы генетического кода, но и линейность создания первичных структур белка и нуклеиновых цепей.

Заключение

Молекула — это не груда субъединиц, а сложная архитектурная постройка, где каждая субъединица имеет свое место и своих вполне определенных соседей.

Броуновское движение, являющееся следствием и свидетельством существования теплового движения, служит одним из экспериментальных подтверждений молекулярно-кинетической теории.При рассматривании движения, открытого в 1827 году «князем ботаников» - Робертом Броуном (Брауном) и названного в его честь, нет принципиальной разницы между молекулами азота, который может быть растворен в воде, и теми видимыми частицами, которые существуют в виде зерен эмульсии. Броуновское движение проявляется тем заметнее, чем меньше частицы и вязкость среды, и чем выше температура системы.

Именно броуновское движение органических молекул в водной среде является причиной не только их самоорганизации, но и самовосстановления.

Самоорганизацию осуществляют молекулы с приблизительно равными геометрическими размерами и величинам плотностей, и данный процесс совершается в зоне их нулевой плавучести с помощью броуновского движения.

Выдвигаемая в данной статье гипотеза объясняет возможность не только самоорганизации 9 идентичных органических молекул с помощью броуновского движения, но и создания ими в воде трех плоскостных и одной объемной форм существования биоструктуры  под названием БСОЛ-2012, а также её постоянного самовосстановления.

Глядя на плоскостную форму существования БСОЛ-2012, можно предположить, что её создание, как и превращение этой биоструктуры в иную объемную (кубическую) форму должно быть непосредственно связано с тепловым движением молекул воды, передающих часть своей энергии частицам вещества (размерами в нескольких мкми менее), находящимся во взвешенном состоянии в водной среде

Отметим также, что благодаря своей кубической форме, данная биосистема не только эффективно защищала свой суперэлемент, но и часть других субъединиц (как окрашенных в другие цвета, так и неокрашенных на рис. 2) от воздействия внешней среды, в частности, от избыточной солнечной инсоляции. Данное обстоятельство, в свою очередь, не замедлило сказаться на долговечности биоструктур типа БСОЛ-2012.

Кроме того, резко уменьшая площадь своих опорных элементов в случае принятия кубической формы, такая биосистема могла совершать уже не только горизонтальные, но и вертикальные манёвры. Это свойство БСОЛ-2012 сразу же резко увеличило ареал её существования.

Плоскостные формы существования БСОЛ-2012 под действием неблагоприятных факторов внешней среды могли легко делиться на две идентичные биоструктуры,  содержащие по четыре субъединицы, и одну запасную, используемую для их самовосстановления. В свою очередь, из них при благоприятных условиях могла вновь собираться БСОЛ-2012.

Способность БСОЛ-2012 (при сборке в кубическую форму существования) к разборке её самых нестабильных мономеров до отдельных субъединиц с целью их дальнейшего использования для полной достройки биосистемы, окончательно привела к созданию различных видов аутофагий, являющихся распространенным механизмом, используемым на различных уровнях биосферы.

Свойства БСОЛ-2012 в дальнейшем отразились не только на особенностях генетического кода, но и на линейность создания первичных структур белка и нуклеиновых цепей.

Рецензии:

22.12.2013, 21:35 Черетаев Игорь Владимирович
Рецензия: Cтатья выполнена по актуальной научной тематике на стыке биологических, физических и химических наук, занимающихся вопросами молекулярной структуры. Здесь обобщён ряд известных научных данных о самоорганизации биологических молекул и структур, которые позволили выдвинуть интересное предположение, которое может быть станет научной теорией. Автором очень доступно, понятно и в то же время научно обоснованно изложены основные тезисы гипотезы об самоорганизации плоскостной и объёмной форм существования биосистем с девятью идентичными субъединицами. Несомненно, данная статья представляет большой научный интерес, поскольку может найти применение как в решении практических задач молекулярной биологии и физики, так и в решении загадок эволюции. Однако к автору есть некоторые замечания, которые могут быть учтены им дальнейшей работе. Например, хотелось бы видеть вероятностные математические расчёты относительно возможности образования таких структур или результаты компьютерного прогнозирования в специализированых программах. Также хотелось бы видеть среди обсуждаемой и использованной литературы по данному вопросу большее количество современных источников за последние 5 лет, особенно зарубежных. Ведь наука продолжает развиваться, наверняка за это время было открыто что-то новое и полезное, что может служить подтверждением или опровержением данной гипотезы. Кстати, не увидел я в статье и обсуждения возможных "слабых" сторон этой гипотезы, существующих ей альтернатив, постановки проблем которые смогут отвергнуть высказанные предположения или перевести их в ранг теории. Наверное автору-специалисту в данной области в дальнейшей работе это сделать будет не сложно. Несмотря на высказанные замечания и пожелания, они не снижают ценность данной научной работы, а лишь помогут автору в дальнейшей работе. Как рецензент, я считаю, что представленная в редакцию статья Телепнёвой Л.Г. может быть опубликована без изменений в электронном научно-периодическом журнале "SCI-ARTICLE". Желаю автору и его коллегам успехов в дальнейшей работе.