Почему ДНК поддерживает жизнь
В мире супрамолекулярных биологических структур нуклеиновые кислоты занимают особое место. Они являются наиболее стабильными супрамолекулярными структурами в водной среде. Менее стабильными являются супрамолекулярные структуры полисахаридов (углеводов) и белков. Липиды (жиры и масла) образуют еще менее стабильные супрамолекулярные структуры. Эти факты хорошо отражают спектры дифференциальносканирующей калориметрии (ДСК) клеток, а также растительных и животных тканей. Хотя следует заметить, что существующее большое разнообразие смешанных супрамолекулярных структур в биологическом материале затрудняет интерпретацию экспериментальных данных.
Определяющая роль нуклеиновых кислот при образовании и развитии жизни была обоснована в ряде работ автора с позиции иерархической термодинамики [1, 2, 3]. Было отмечено, что принцип стабильности химического вещества («принцип стабильности вещества») должен играть направляющую роль в абиогенной и биологической эволюции.
В данной замете представлена упрощенная термодинамическая «модель действия» принципа стабильности вещества внутри супрамолекулярной иерархии в эволюции абиогенных и живых структур. 1977 году автор сделал заключение [4], что в процессе эволюции на Земле (небесных телах), природа отбирает (в соответствии co вторым началом) наиболее стабильные супрамолекулярные структуры. Действия природы в этом случае подобны функционированию хроматографических колонок, в которых предпочтительно сорбируется энергоемкие химические вещества.
Прежде всего, стабильными супрамолекулярными структурами являются ДНК и РНК, обрамленные молекулами воды и соседствующими другими компонентами. Будучи относительно стабильными, эти структуры привлекают к себе менее стабильные супрамолекулярные структуры белков и сахаров, включая полисахариды. Таким образом, в общей супрамолекулярной иерархии выявляются новые подструктуры. Эти подструктуры, также согласно принципу стабильности вещества, привлекают к себе сравнительно малостабильные супрамолекулярные структуры разнообразных липидов, обладающих также низкой химической молекулярной стабильностью. Супрамолекулярные структуры в основном на основе липидов и сахаров объединяются и создают смешанные внутриклеточные структуры, мембраны органоидов и клеток. Так зарождается простейшая жизнь.
Далее принцип стабильности вещества определяет образование тканей, органов, организмов, популяций, экологических систем вместе с их усложняющимися подструктурами. Разумеется, все эти процессы происходят на фоне обмена веществ и энергии на уровне всех иерархий и окружающей средой. Примеры действия принципа стабильности вещества внутри высших иерархических структур, например, применительно к социологии, были представлены автором в ряде работ [5]. С позиции иерархической термодинамики было объяснено действие принципа «разделяй и властвуй».
Таким образом, при образовании иерархии супрамолекулярных структур в эволюции, филогенезе и онтогенезе, четко выделяется ряд средних величин супрамолекулярной стабильности подструктур на основе важных химических компонентов:
ДНК > РНК > Углеводы и Белки > Липиды (жиры). (1)
Этот ряд соответствует уменьшению средних величин удельной функции Гиббса образования супрамолекулярных структур на основе записанных в ряду (1)веществ. Другими словами, ряд (1) указывает на уменьшение супрамолекулярной стабильности структур «слева направо». Как уже отмечалось, существование представленного ряда полностью согласуется со спектрами ДСК (спектрами теплопоглощения) клеток и тканей.
Кроме того, существует хорошо известная корреляция ряда (1) с последовательностью величин энергетической ценности (калорийности) компонентов продуктов питания:
Жиры (в среднем 30 кДж/г) > Углеводы и Белки (в среднем 16,5 кДж/г). (2)
Существующие «разнонаправленные закономерности» однозначно подтверждают справедливость принципа стабильности вещества.
Со строгой формулировкой «принципа стабильности вещества», справедливого для любых иерархий, можно ознакомиться в Интернете [5]. Представленный ниже рисунок иллюстрирует использование ДСК для изучения отдельных клеток и их структур [6].
Рисунок. ДСК спектры (кривые теплопоглощения) клеток EColi (сплошная кривая) и их рибосом (пунктирная кривя) [6].
Литература
1. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P.
2. Гладышев Г.П. Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996. -86 с.
3. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь сточки зрения физико - химика, Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, изд.2, 2003, 144 с.
4. GladyshevG.P. On the Thermodynamics of Biological Evolution // Journal of Theoretical Biology.- 1978.- Vol. 75.- Issue 4.- Dec 21.-P. 425-441 (Received 20 June 1977). Preprint, 27 May. Institute of chemical physics in Chernjgolovka. The USSR Academy. 1977.
5. Georgi P. Gladyshev. The Principle of Substance Stability Is Applicable to All Levels of Organization of Living Matter. Int. J. Mol. Sci. 2006, 7, 98-110. http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
6. Michael H. Chiu, Elmar J. Prenner, Journal of Pharmacy and Bioallied Sciences, Year 2011, Volume 3, Issue 1 [p. 39-59]. SYMPOSIUM: Differential scanning calorimetry: An invaluable tool for a detailed thermodynamic characterization...