Супрамолекулярные системы – мост между неживой и живой материей

Современному взгляду учёных на процесс зарождения жизни и природе химических взаимодействий в живых организмах была посвящена лекция вице-президента Российского химического общества им. Д. И. Менделеева, академика РАН Александра Коновалова в Политехническом музее 30 сентября. 

  
Александр Коновалов: «Клеточная мембрана, генетический аппарат ДНК, биосинтетический аппарат РНК и рибосомы, метаболический аппарат и ферменты – это всё супрамолекулярные системы, и это всё – составляющие клетки»

Свою лекцию о супрамолекулярных системах он начал с общей теории зарождения и развития жизни на Земле:

– Превращение  материи с момента Большого взрыва, создавшего Вселенную, до настоящего времени  рассматривают как единый процесс, который в английском варианте называют “Big history”, а в русском – Универсальной  историей. В этом едином процессе можно выделить три основных периода. Это предбиологическая эволюция – до возникновения жизни; биологическая эволюция – этап до появления человека; и, наконец, социальная эволюция – это развитие человеческого общества.

Интригующий момент в этой Универсальной истории – момент возникновения жизни, то есть переход от неживой материи к живой. Современные научные данные не претендуют на разрешение этой интриги, но свидетельствуют о ключевой роли в этом процессе супрамолекулярных систем. Эти системы изучает супрамолекулярная химия – наука, которая появилась всего 32 года назад. Создал эту новую отрасль французский учёный, впоследствии лауреат Нобелевской премии, иностранный член РАН Жан-Мари Лен. Супрамолекулярные системы – результат ассоциации вследствие взаимодействия межмолекулярных сил.

Существует ряд  молекул, которые могут быть селективными рецепторами, то есть они в состоянии  избирательно присоединять к себе другие молекулы. Эти рецепторы способны «цеплять» только определённую молекулу и никакую другую. В 1987 году учёные Ч. Дж. Педерсен, Ж. М. Лен и Д. Дж. Крам получили Нобелевскую премию за создание таких молекул. Подобное связывание молекул называют «принципом Гулливера». Когда лилипуты связали Гулливера множеством тонких канатов, он не мог пошевелиться. Так же связываются и молекулы: множество слабых связей за счёт своего количества прочно соединяют отдельные молекулы в единую материю. Этот принцип лежит в основе супрамолекулярной химии. Природа этих взаимодействий разная, молекулы соединяются химическими связями, которые известны нам ещё из школьной программы: ион-ионные взаимодействия, водородная связь, гидрофобные эффекты и т.д. Однако основа этих взаимодействий – селективная, то есть избирательное связывание. А это значит, что есть механизм молекулярного распознавания. Молекулы идентифицируют друг друга, иными словами – обмениваются молекулярной информацией.

  
Внутримолекулярный ансамбль самопроизвольной сборки фолдамера Жан-Мари Лена

Развитие супрамолекулярной  химии происходило двумя этапами: исследование синтетических супрамолекулярных  систем, которые учёные искусственно создавали в лабораторных условиях; и исследование природных супрамолекулярных систем, получаемых с помощью естественных биологических объектов. Сопоставление синтетических и биологических супрамолекулярных систем приводит к выводу о том, что и в природе, и в колбе реализуются одни и те же свойства и принципы строения.

На сегодняшний  день учёные искусственно создали синтетики-рецепторы  на все известные анионы (отрицательно заряженные ионы), все катионы (положительно заряженные ионы) и нейтральные молекулы как органической, так и неорганической природы. Это позволяет в лабораторных условиях создавать синтетические соединения. Это самосборка. Мы сталкиваемся здесь с самоорганизацией, важнейшим процессом, который присутствует в живой природе и прекрасно демонстрируется в супрамолекулярных системах. Некоторые молекулы могут связываться в синтетическую двойную спираль. В супрамолекулярной химии это очень распространённая система.

Что же происходит в биологических системах? Есть ли различие между водородными связями в синтетических супрамолекулярных системах и в так называемых нуклеотидных основаниях (пары аденин-тимин, гуанин-цитозин), которые присутствуют в нуклеиновых кислотах? По механизму, по природе связи – абсолютно нет! Более того, эти системы образуют двойную спираль нуклеиновых кислот, которые выступают в качестве генетического кода. С этой точки зрения, двойная спираль ДНК – это частный случай двойных спиралей, которые могут существовать в природе. Это доказала супрамолекулярная химия.

Клеточная мембрана, генетический аппарат ДНК, биосинтетический аппарат РНК и рибосомы, метаболический аппарат и ферменты – это всё  супрамолекулярные системы, и это  всё – составляющие клетки.

Биологические системы с небольшими исключениями – это мягкие материалы, они обладают свойствами вязкости и эластичности. А это – результат самосборки супрамолекулярных структур, которые стабилизированы нековалентными (межмолекулярными) взаимодействиями.

Получается, что  природа использовала свойства супрамолекулярных систем при создании биологических систем. Иными словами, если не наделять природу разумом, то супрамолекулярные системы самоорганизовались в биологические системы.

Вселенная развивается  в направлении всё большего усложнения. Сложным системам предшествуют чуть менее сложные. Супрамолекулярные системы – высшая точка предбиологической эволюции, это мост от неживой материи – к живой: биологические системы существуют на основе супрамолекулярных систем.

Объекты каждого  уровня структурной организации  материи обладают свойством к образованию объектов следующего уровня. У элементарных частиц есть способность образовывать атомы под действием ядерных и электростатических сил. Атомы наделены свойством образовывать молекулы путём ковалентной связи. И так далее. Выстраивается неуклонная последовательность: образование атомов – свойство элементарных частиц, образование молекул – свойство атомов. А если появились молекулы, то будут и супрамолекулярные системы, а если есть последние, то будут и биологические системы, следовательно, будет и жизнь. Вся совокупность этих процессов показывает, что возникновение жизни предопределено – при возникновении соответствующих условий. На основании вышеизложенного можно перефразировать известную формулировку о том, что «жизнь – форма существования белковых тел»: жизнь – это форма существования супрамолекулярных систем.

Владислав Новиков для STRF.ru 

STRF.RU