Informacije

6.2: Poreklo bioloških membrana - Biologija

6.2: Poreklo bioloških membrana - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Moderna stanična membrana sastoji se od niza različitih vrsta lipida. Takvi dvoslojevi mogu zahvatiti područja otapala, to jest vode i bilo koje otopljene tvari otopljene u njoj.

Stabilnost dvosloja dodatno se povećava kako se povećava dužina hidrofobnog lanca. Istodobno se smanjuje propusnost membrane. Razumna je pretpostavka da su najraniji biološki sistemi koristili lipide kraćeg lanca za izgradnju svojih "proto-membrana" i da su te membrane bile relativno nepropusne171. Pojava složenijih lipida, sposobnih da formiraju nepropusnije membrane, morala je stoga zavisiti od pojave mehanizama koji su omogućili hidrofilnim molekulima da prođu kroz membrane. Proces međuzavisnosti promjena poznat je kao koevolucija. Ko-evolucijski procesi očigledno su bili dovoljno uobičajeni da omoguće uspostavljanje živih sistema. U nastavku ćemo detaljno razmotriti puteve kroz membranu.

Pitanja na koja treba odgovoriti i razmisliti:

  • Da li je svemir u ravnoteži? Ako ne, kada će doći u ravnotežu?
  • Nacrtajte dijagrame kako biste pokazali kako povećanje duljine ugljikovodičnih lanaca lipida utječe na strukture koje može formirati.
  • Kako se minimiziraju efekti na hidrofobnim rubovima dvosloja lipida?
  • Koje bi vrste molekula mogle same proći kroz plazma membranu?
  • Nacrtajte kako „dvoglavi“ lipidi izgledaju u kontekstu dvoslojne membrane.
  • U svjetlu ćelijske teorije, šta možemo reći o istoriji citoplazme i plazma membrane?
  • Zašto lipidi masnih kiselina i izoprena tvore slične dvoslojne strukture?
  • Nagađajte zašto je uobičajeno vidjeti fosfate i druge visoko hidrofilne grupe vezane za glicerolne grupe lipida?
  • Jesu li membrane bakterija i arheja homologne ili analogne? Koja vrsta podataka bi vam pomogla da odlučite?
  • Zašto je kretanje materijala kroz membranu neophodno za život?
  • Zašto se membranski lipidi stvrdnjavaju na niskoj temperaturi? Kako su uključene van der Waalsove interakcije? Da li su uključene elektrostatičke interakcije tipa H-veze?
  • Predvidjeti (i opravdati) učinak promjene položaja dvostruke veze u ugljikovodičnom lancu na temperaturu učvršćivanja membrane.
  • Da li bi membrana bila propusnija za male molekule na visokim ili niskim temperaturama i zašto?

Istorija teorije ćelijske membrane

Ćelijska teorija ima svoje podrijetlo u mikroskopskim opservacijama sedamnaestog stoljeća, ali prošlo je gotovo dvije stotine godina prije nego što je razvijena potpuna teorija stanične membrane koja objašnjava šta odvaja ćelije od vanjskog svijeta. Do 19. veka prihvaćeno je da neki oblik polupropusne barijere mora postojati oko ćelije. Studije djelovanja anestetičkih molekula dovele su do teorije da bi se ova barijera mogla sastojati od neke vrste masti (lipida), ali je struktura još uvijek nepoznata. Serija pionirskih eksperimenata iz 1925. godine pokazala je da se ova barijerna membrana sastoji od dva molekularna sloja lipida - lipidnog dvosloja. Novi alati u sljedećih nekoliko desetljeća potvrdili su ovu teoriju, ali su ostale kontroverze u pogledu uloge proteina u staničnoj membrani. Na kraju je sastavljen model fluidnog mozaika u kojem proteini "lebde" u dvoslojnom fluidnom lipidnom "moru". Iako je pojednostavljen i nepotpun, ovaj model se i danas naširoko spominje.


Exobiology

Cilj NASA-inog programa Exobiology (ranije Exobiology and Evolutionary Biology) je razumjeti porijeklo, evoluciju, distribuciju i budućnost života u svemiru. Istraživanja su usmjerena na podrijetlo i ranu evoluciju života, potencijal života da se prilagodi različitim okruženjima i implikacije za život drugdje. Ovo istraživanje provedeno je u kontekstu NASA -inog tekućeg istraživanja našeg zvjezdanog susjedstva i identifikacije biosignatura za in situ i aplikacije daljinskog mjerenja.

Exobiology je sada program bez rokova (NoDD). Za više informacija o NoDD u PSD-u posjetite: https://science.nasa.gov/researchers/NoDD

Kliknite ovdje za informacije o mogućnostima istraživanja u svemiru i znanosti o Zemlji (ROSES) -2021 poziv za egzobiologiju.

Kliknite ovdje da pogledate blog Mogućnosti istraživanja u svemirskim i Zemljinim naukama ( ROSES )-2021.

Planetarni uslovi za život:
Istraživanja u ovoj oblasti nastoje da ocrtaju galaktičke i planetarne uslove pogodne za nastanak života. Teme od interesa uključuju formiranje i stabilnost nastanjivih planeta, stvaranje složenih organskih molekula u svemiru i njihovu isporuku na planetarne površine, modele ranih sredina u kojima je mogla doći do organske kemijske sinteze, oblike u kojima je prebiotička organska tvar sačuvana u planetarnih materijala i niz planetarnih okruženja podložnih životu.

Prebiotička evolucija:
Istraživanja u području prebiotičke evolucije nastoje razumjeti puteve i procese koji vode od nastanka planetarnih tijela do nastanka života. Strategija je da se istraže planetarni i molekularni procesi koji postavljaju fizičke i hemijske uslove unutar kojih su možda nastali živi sistemi. Glavni cilj je utvrditi koji su hemijski sistemi mogli poslužiti kao prekursori metaboličkih i replicirajućih sistema na Zemlji i drugdje, uključujući alternative za trenutnu DNK – RNA – proteinsku osnovu za život.

Rana evolucija života i biosfere:
Cilj istraživanja rane evolucije života je da se utvrdi priroda najprimitivnijih organizama i okruženje u kojem su evoluirali. Iskorištava se prilika da se istraže dva prirodna spremišta evolucijske istorije dostupna na Zemlji: molekularni zapis u živim organizmima i geološki zapis. Ovi upareni zapisi koriste se za: (i) utvrđivanje kada i u kojem okruženju se život prvi put pojavio i karakteristike prvih uspješnih živih organizama (ii) razumijevanje filogenije i fiziologije mikroorganizama, uključujući ekstremofile, čije karakteristike mogu odražavati prirodu primitivnog okruženja (iii) određuju izvornu prirodu transdukcije biološke energije, funkcije membrane i obrade informacija, uključujući konstrukciju umjetnih kemijskih sistema za testiranje hipoteza o izvornoj prirodi ključnih bioloških procesa iv) istražuju razvoj ključnih bioloških procesa i njihovu okolinu utjecaj v) ispitati odgovor biosfere Zemlje na vanzemaljske događaje vi) istražiti evoluciju gena, puteva i mikrobnih vrsta podložnih dugoročnim##8211 promjenama u okolišu relevantnim za nastanak života na Zemlji i potragu za životom drugdje i vii ) proučavaju koevoluciju mikrobnih zajednica i među U takvim zajednicama, koje pokreću velike geohemijske cikluse, uključujući procese kroz koje se nove vrste dodaju postojećim zajednicama.

Evolucija naprednog života:
Istraživanja povezana s proučavanjem evolucije naprednog života nastoje utvrditi biološke i faktore okoliša koji vode razvoju višećelijskih stanica na Zemlji i potencijalnoj distribuciji složenog života u svemiru. Ovo istraživanje uključuje studije o porijeklu i ranoj evoluciji onih bioloških faktora koji su bitni za višećelijski život, kao što su razvojni programi, međućelijska signalizacija, programirana ćelijska smrt, citoskelet, kontrola ćelijske adhezije i diferencijacije, u kontekstu porijekla naprednih život. Ovo područje istraživanja također uključuje procjenu faktora okoline, kao što su utjecaj vanzemaljaca (npr. Udari bolida, orbitalne i solarne varijacije, rafali gama zraka itd.) I planetarnih procesa (događaji “Zemlje snježne grude”, brze klimatske promjene itd. .) o pojavi i evoluciji višećelijskog života. Od posebnog interesa su masovna izumiranja.

Egzobiologija za istraživanje solarnog sistema:
Istraživanja u ovoj oblasti fokusiraju se na povezivanje onoga što je poznato o životu na Zemlji sa uslovima koji vladaju na drugim planetarnim tijelima. Ovo istraživanje uključuje procjenu preživljavanja različitih tipova Zemljinih mikroorganizama i formiranje i zadržavanje biosignatura u uslovima koji nisu na Zemlji (npr. Mars, Europa). U ovo područje istraživanja uključeni su i napori da se procijeni potencijalna nastanjivost planetarnih sredina osim onih koje se nalaze na Zemlji.

Prijavite se za najnovije vijesti, događaje i mogućnosti iz NASA-inog programa astrobiologije.


Problemi s nastankom bioloških membrana u ranoj Zemljinoj sredini od Rich Deem

Podrijetlo primitivnih membrana jedno je od zanemarenijih područja u istraživanju postanka života. Iako se masne kiseline mogu proizvesti u uvjetima rane zemlje, one su prilično otporne na sastavljanje u uvjetima pod kojima nastaju. Osim toga, ove membrane ne pružaju razuman mehanizam za transport hranjivih tvari/otpada ili bilo koji način za stvaranje protonskog gradijenta, tako da bi svaka "proizvođena ćelija" uskoro nastala uslijed nemogućnosti korištenja energije.

Teorije abiogeneze zahtijevaju da stanični život na zemlji mora započeti s određenim minimalnim brojem komponenti. Ove se komponente sastoje od nekog kemijskog mehanizma za stjecanje energije za proizvodnju rada (tj. Neke vrste metaboličkog sistema), metoda za prijenos nasljedstva (RNK, DNK ili nešto slično) i sredstva za održavanje ovih komponenti zajedno (neka vrsta membrana). Proizvodnja sve tri komponente odjednom je krajnje malo vjerojatna, tako da većina zagovornika abiogeneze pretpostavlja ili metabolizam prvi ili scenarij prve replikacije. Obje vrste teorija imaju značajne nedostatke. Međutim, kao što će se vidjeti, proizvodnja bioloških membrana u ranim zemaljskim uvjetima nije trivijalan zadatak.

Početne studije

Rane studije o mogućim prebiotičkim membranama započele su krajem 1950-ih koristeći agregatne koloidne čestice 1 i površinski aktivne tvari slične lipidima. 2 Naknadne Oparinove studije ispitivale su moguću ulogu koacervata kao membrane. 3 Iako su ovi kompleksi neprikladni kao mogući membranski materijal jer su inherentno nestabilni, nemaju sposobnost da obezbijede barijeru propusnosti i nemaju sposobnost da inkapsuliraju metabolizam, ovi materijali su još uvijek istaknuto zastupljeni u modernim srednjoškolskim udžbenicima biologije. 4

Fosfolipidi

Spontano stvaranje dvoslojnih vezikula iz fosfolipida prvi je put proučeno 1965. 5 Iako ova teorija sadrži dominantno objašnjenje za pojavu membrana, nije bez izazovnih problema. Pokazano je da će masne kiseline spontano stvarati fosfolipide u prisutnosti glicerola i fosfata pri zagrijavanju do suhoće. 6 Međutim, Monnard i Deamer ističu da bi bilo krajnje malo vjerojatno da bi priroda proizvela sve tri kemikalije na istoj lokaciji i zatim ih zagrijala do suhog. 7

Izvori gradivnih blokova membrane

Ugljovodonici dugog lanca mogu se formirati od ugljičnog monoksida i vodika u prisustvu određenih metala na visokim temperaturama. Dubokomorski hidrotermalni otvori navode se kao potencijalni izvor energije potrebne za sintezu prebiotičkih molekula, uključujući građevne blokove membrana. U tim uvjetima sintetizirane su masne kiseline i masni alkoholi. 8 Ove masne kiseline će se kombinirati s etilen glikolom kako bi nastale etilen glikolil alkanoati i bis-alkanoati, ili će se kombinirati s glicerolom u monoacilglicerole i diacilglicerole. 9 Drugi su sugerirali da su se prve membrane sastojale od visoko razgranatih poliprenilnih lanaca, umjesto alkilnih lanaca. 10 Međutim, malo je vjerovatno da bi početni materijal bio u dovoljnim koncentracijama 10 i također je malo vjerovatno da bi potrebni fosforilacijski agensi bili dostupni na ranoj Zemlji. 11

Neki istraživači su također naveli vanzemaljsko porijeklo membranskih komponenti. 12 Iako su materijali slični lipidima pronađeni u Murchisonovom meteoritu, 12 naknadnih studija sugeriralo je da su ti spojevi kontaminanti, a ne endogeni materijali. 13 Čak i da su neki gradivni blokovi membrane isporučeni iz vanzemaljskih izvora, razgradnja hidrolizom, fotokemijskom razgradnjom i pirolizom značajno bi smanjila količinu takvih materijala. 14

Sklapanje vezikula

Čak i kada bi blokovi za građenje membrane bili prisutni u dovoljnim količinama, za montažu su potrebne specifične koncentracije i drugi uslovi okoline. Sve moguće komponente osim masnih kiselina eliminirane su iz sukoba zbog nedostatka vjerojatnih sintetičkih puteva. 7, 10 Sastavljanje masnih kiselina u lipidne dvosloje zavisi od dužine lanca, koncentracije, pH i temperature. Kratkolančane masne kiseline stvaraju vezikule na sobnoj temperaturi kada je pH unutar pola pH jedinice pKa kiseline. Duže lančane masne kiseline zahtijevaju više temperature (30-70°C). 15, 16 Osim toga, koncentracija masnih kiselina mora biti prilično visoka (130 do 20 mM) da bi se formirale vezikule. 17 Prisustvo tako visokih koncentracija masnih kiselina bilo bi malo vjerovatno na prazemlji. Neki od teških uslova mogu se ublažiti prisustvom masnih alkohola sa istom dužinom ugljovodoničnog lanca kao i masna kiselina. 7, 16 Međutim, molarni odnos mora biti gotovo tačno 10:1 (kiselina:alkohol) da bi se mogao vidjeti bilo kakav značajan efekat. 18 Pored zahteva za temperaturom, pH i koncentracijom, formiranje vezikula u velikoj meri zavisi od jonske snage i prisustva određenih jona. Dakle, prisutnost natrijevog klorida na nivoima koji se nalaze u oceanima primordijalne zemlje uzrokuje da se vezikule agregiraju u ploče, a prisutnost Ca +2, Mg +2, Fe +2 u primordijalnim koncentracijama uzrokuje taloženje masnih kiselina. 18

Inkapsulacija i transport

Samo stvaranje zatvorenog mjehurića nije dovoljno da jamči funkcionalnost. Da bi bile korisne kao mehanizam uključen u naturalističko porijeklo života, membrane moraju inkapsulirati materijale neophodne za pokretanje života i biti u stanju da transportuju materijal unutar i van granica. Suvremene biološke membrane sadrže proteinske sustave koji aktivno i pasivno omogućuju razmjenu hranjivih tvari i otpada. Budući da ovi transportni sistemi ne bi bili dostupni na iskonskoj zemlji, moralo je postojati 14 drugih sistema kako bi proces bio čak i izvodljiv. Unatoč iznimno malo vjerojatnom pojavljivanju fosfolipidnih membrana u uvjetima rane zemlje, većina studija koje su ispitivale inkapsulaciju koristile su takve membrane. 19 Inkapsulacija membrana primitivnih masnih kiselina morala bi uključivati ​​ponavljajuće pucanje i ponovno zatvaranje (uz miješanje) tokom perioda promjene osmotskih gradijenata (povećanje i smanjenje koncentracije soli). 20 Promjena koncentracija otopljenih tvari imala bi dodatni problem vjerovatno promjene pH, što bi poremetilo zahtjevne uslove potrebne za sastavljanje membrane masnih kiselina. Prisutnost lokacija na kojima bi postojali ovakvi uvjeti bila bi vrlo ograničena na iskonskoj zemlji. Osim toga, da bi se neki oblik života mogao stvoriti na ovaj način, primitivni replikator i metabolički sistem moraju biti inkapsulirani u ovom trenutku. Naravno, takvi bi sustavi inkapsulirali i oslobađali materijale za svaki ciklus, pa je nejasno kakva bi se ravnoteža na kraju postigla.

Nakon što se formira stabilna membrana, potrebna je neka vrsta transportnog sistema za hranjive tvari/otpad za održavanje metabolizma protoćelije. Najlakše bi se formirali pasivni transportni sistemi, ali bi takvi sistemi automatski postigli ravnotežu, onemogućavajući daljnji transport. 21 Očigledno, zbog svoje složenosti, ne bi se očekivalo da će aktivni transportni sistem biti kodiran primitivnim replikatorom.

Akvizicija energije

Mogući izvori energije za proto-ćelije su toplinska, kemijska i svjetlosna energija. 14 Međutim, nijedan od ovih oblika prikupljanja energije nije kompatibilan s primitivnom membranom masnih kiselina u prisustvu poznatih prebiotičkih kemikalija prisutnih u okolišu. 14 To je zato što karboksilna glava grupe membrane masnih kiselina posreduje protonsku propusnost, eliminirajući mogućnost stvaranja protonskog gradijenta. 22 Jedini način da se zaobiđe ovaj problem bio je upotreba sistema oleat-arginin, koji je usporio opadanje gradijenta. Međutim, nezasićeni oleat ne bi bio prisutan u prebiotičkom okruženju. Osim toga, sistem je bio inhibiran alkalnim kationima, koji bi bili prisutni u ranim zemaljskim okruženjima.

Pretpostavljeno je da se hvatanje svjetlosne energije proto-ćelijama događa putem inkapsuliranih spojeva željeza ili policikličnih aromatskih ugljikovodika (PAH), koji apsorbiraju svjetlost u blizini UV i plavih valnih duljina. 14, 23 Iako su ferocijanid i PAH možda bili prisutni na ranoj zemlji, ova jedinjenja ne mogu generisati protonski gradijent kada su zatvorena u membranama masnih kiselina. 24

Rast i podjela

Primitivne membrane moraju imati sposobnost rasta i replikacije bez pomoći biomolekularnih mašina kako bi funkcionirale u hipotetičnoj proto-ćeliji. 25 Sporo dodavanje micela mirisoleata u sistem vezikula mirisoleinska kiselina/miristoleat dovodi do toga da je 90% dodane masne kiseline ugrađeno u originalne vezikule, uzrokujući njihov rast. 25 Drugi su koristili osmotski otečene oleatne vezikule da izazovu rast putem fuzije vezikula i vezikula. 22 Međutim, budući da je prisustvo ovih nezasićenih masnih kiselina na ranoj Zemlji malo vjerovatno, relevantnost ovih studija za porijeklo života je upitna. Kada se razmatra u kontekstu svjetskog scenarija RNK, zahtjev za prisutnošću dvovalentnih kationa od strane ribozima doveo bi do taloženja masnih kiselina, što bi poremetilo membrane. Do podjele membrana može doći kada dostignu određenu veličinu. 26 Sposobnost da se to dogodi ovisi o veličini membrane i njenom sastavu. Međutim, budući da su studije rađene samo sa membranama nezasićenih masnih kiselina, nejasno je kakav bi značaj bio za fisiju membrana zasićenih masnih kiselina u ranim zemaljskim okruženjima.

Nerealna istraživanja

Osim problema da je većina studija o porijeklu membrana ispitivala membrane sastavljene od materijala koji nikada ne bi postojali na iskonskoj Zemlji, postoji još fundamentalniji problem koji ima tendenciju da muči gotovo sva istraživanja o porijeklu života. Jednom kada je spoj proglašen "prebiotičkim", istraživači odmah počinju koristiti visoko pročišćeni proizvod u izuzetnim koncentracijama. Prema Robertu Shapiru:

"Posmatranje određene organske kemikalije u bilo kojoj količini (čak i kao dio složene smjese) u jednom od gore navedenih izvora opravdalo bi njezinu klasifikaciju kao" quotprebiotic "," tvari za koju se navodno pokazalo da je prisutna na ranoj Zemlji. Jednom kada dobije ovo priznanje, hemikalija se može koristiti u čistom obliku, u bilo kojoj količini, u drugoj prebiotičkoj reakciji. Proizvodi takve reakcije također bi se smatrali "queprebiotic" i upotrijebili u sljedećem koraku u slijedu. "27

Zaključak

Podrijetlo bioloških membrana, poput podrijetla replikacije i metabolizma, puno je problema i izaziva iznimno nevjerojatnu kemiju. Iako su neki od gradivnih blokova potencijalnih membrana mogli biti sintetizirani na ranoj Zemlji, oni koji se koriste u modernim biološkim membranama (fosfolipidi) nisu mogli biti. Stoga se mora pretpostaviti neka vrsta primordijalne membrane koja je kasnije odbačena u korist modernih membrana. Međutim, čak i ovaj scenarij pati od nepremostivih problema. Vanzemaljska sinteza i isporuka građevnih blokova membrane ostaju nedokazani. Iako su takvi materijali mogli biti sintetizirani u blizini hidrotermalnih otvora u ranim morima, montaža takvih materijala prilično je problematična. Uslovi koji zahtijevaju visoke koncentracije, tačan pH i temperaturu, plus odsustvo visokog natrijuma i male količine određenih jona metala, sprečavaju sastavljanje takvih komponenti u ranim okeanima Zemlje. Uvjeti koji bi mogli koncentrirati masne kiseline na dovoljne razine da formiraju membrane također bi koncentrirali otopljene tvari koje ometaju stvaranje tih membrana. Inkapsulacija protoćelijskog replikatora i metaboličkog sistema bila bi prilično problematična, jer bi uslovi koji bi podstakli takvu aktivnost verovatno doveli do stanja koja bi potpuno poremetila primitivnu membranu. Primitivne membrane moraju biti u stanju da transportuju hranljive materije i otpad, iako bi pasivni transportni sistemi lako dostigli ravnotežu i ne bi se očekivalo da se aktivni transportni sistemi proizvode odmah po inkapsulaciji. Akvizicija energije je problematična jer membrane masnih kiselina ne mogu generirati protonski gradijent. Membrane sastavljene od nezasićenih masnih kiselina ili fosfolipida mogu stvarati protonske gradijente, ali se ne bi očekivalo da su postojale u okruženjima na ranoj Zemlji. Gotovo sve studije koje su ispitivale rast i podjelu membrana koristile su nezasićene membrane masnih kiselina, koje ne bi bile prisutne na ranoj Zemlji. Zbog ovog problema, ove studije imaju sumnjivu relevantnost za postanak života na zemlji.

Korištenje visoko pročišćene kemikalije u iznimno velikim količinama u istraživanjima podrijetlom života u najboljem je slučaju upitno. Očigledno je da su takvi eksperimenti u osnovi pogrešni, budući da takvi uslovi nikada nisu mogli postojati ni u jednom ranom zemaljskom okruženju. Nijedan hemičar nije bio prisutan prije 4 milijarde godina kada je život prvi put nastao, osim ako se ne smatra vrhunskim hemičarom. Kao što je Kristijan De Duve sa Univerziteta Rokfeler jednom retorički upitao, "Da li je Bog napravio RNK?" 27 Možda je napravio više od same RNK?

Povezane stranice

Povezani materijali

Porijeklo života: Biblijski i evolucijski modeli suočeni od Fazale Rana i Hugh Ross. Vjerovatno najsnažniji naučni argument protiv ateizma je problem prirodnog porijekla života. Upravo ovaj problem doveo me do toga da sam početkom 1970 -ih postao deist kao student biologije na USC -u. Problemi za ateiste od tada nisu postali ništa bolji. U stvari, posljednjih 30 i više godina istraživanja otkrilo je još više problema od onih koji su postojali kada sam prvi put proučavao teorije. Fuz Rana (biohemičar) i Hugh Ross (astrofizičar) udružili su se u pisanju the definitivnu ažurnu analizu porijekla života. Knjiga ispituje porijeklo života iz perspektive hemije, biokemije, astronomije i Biblije. Uz naturalističke modele predstavljen je biblijski model stvaranja kako bi se čitatelju pomoglo da odluči koji od njih bolje odgovara podacima. Ovo je odlična knjiga koju možete pokloniti vašim prijateljima koji ne vjeruju, jer predstavlja model stvaranja koji se može provjeriti i koji je očigledno superiorniji od bilo kojeg naturalističkog modela.


Biološke membrane

tanke granične strukture molekularne veličine na površini ćelija i subcelularnih čestica, kao i kanalići i vezikuli koji probijaju protoplazmu. Biološke membrane nemaju debljinu od 100 angstrema (& Aring). Njihova najvažnija funkcija je reguliranje transporta iona, šećera, aminokiselina i drugih metaboličkih proizvoda. Izraz "ldquobiological membrana" rdquo se u početku koristio za opisivanje svih vrsta graničnih struktura pronađenih u živim organizmima: tkiva pokrova, želučane i crijevne sluznice, stijenke krvnih žila i bubrežnih kanala, mijelinski omotači živčanih vlakana, membrane crvenih krvnih zrnaca itd. . Sredinom 20. stoljeća demonstrirano je da u većini graničnih struktura efektivnu barijernu funkciju ne obavljaju svi elementi ovih složenih formacija, već samo stanične membrane. Elektronsko-mikroskopskim studijama i rendgenskom difrakcijskom analizom bilo je moguće pokazati da je struktura površinskih membrana crvenih krvnih zrnaca, nervnih i mišićnih ćelija, bakterija, plazmaleme biljnih ćelija i drugih slična strukturi membrana subcelularne strukture, kao što su endoplazmatski retikulum, mitohondrije, ćelijska jezgra, lizozomi i hloroplasti. Biološke membrane zauzimaju ogromno područje (na primjer, samo na površini ljudskog tijela membrane pokrivaju površinu od nekoliko desetaka tisuća četvornih metara) i igraju univerzalnu regulatornu ulogu u metabolizmu. Stoga je proučavanje strukture i funkcija bioloških membrana jedan od najvažnijih ciljeva citologije i molekularne biologije. Funkcije bioloških membrana su raznolike (vidi tabelu 1). Pokrivajući ćeliju i odvajajući je od vanjskog medija, biološke membrane osiguravaju morfološki integritet ćelija i subcelularnih čestica i njihovu snagu i elastičnost. Održavajući neravnomjernu raspodjelu kalija, natrija, klora i drugih iona između protoplazme i vanjskog medija, oni potiču razvoj razlika u bioelektričnim potencijalima. Svojstva bioloških membrana uvelike su odgovorna za stvaranje i provođenje pobude u živčanim i mišićnim stanicama, kao i na mjestima kontakta između njih, odnosno u sinaptičkim završecima. Biološke membrane mitohondrija su mjesto strogo uređenog rasporeda enzima koji učestvuju u sintezi energetski bogatih spojeva.

Funkcionalna svojstva bioloških membrana usko su povezana s njihovom strukturnom organizacijom i ona uvelike određuju nju. Proučavajući propustljivost staničnih membrana 1902. godine, njemački naučnik E. Overton primijetio je da tvari koje su lako topive u lipidima najlakše prelaze membrane i pretpostavio je da su lipidi prisutni u površinskim staničnim membranama. 1926. američki biolozi E. Gorter i F. Grendel izolirali su lipide iz hemoliziranih ljudskih crvenih krvnih zrnaca i složili ih u monomolekularni sloj na površini vode. Ukupna površina ovog sloja bila je približno dvostruko veća od površine crvenih krvnih zrnaca. Iz toga su zaključili da su lipidi bioloških membrana raspoređeni u bimolekularnom sloju. Površinska napetost ćelijske membrane (0,1 milinjutona po m, ili dina po cm) manja je od one sloja čistog lipida (10 milnjutona po m, ili dina po cm) i blizu je površinskom naponu proteina.

Tabela 1. Neke funkcije bioloških membrana
FunkcijaTip ol membrana
Aktivni transport supstanciSve vrste
Opća i selektivna difuzija malih molekula i jonaSve vrste
Regulacija transporta jona i metaboličkih produkata unutar ćelijaSve vrste
Elektroizolacijska svojstvaMyelin
Generiranje živčanih impulsaMembrane nervnih ćelija
Transformacija svjetlosne energije uMembrane od kloroplasta
hemijska energija adenozin trifosfata (ATP)
Transformacija energije biološke oksidacije u energiju visokoenergetskih fosfatnih veza u molekuli adenozin trifosfata (ATP)Membrane mitohondrija
Fagocitoza, pinocitoza, antigena svojstvaMembrane specijaliziranih ćelija

Stoga su pretpostavili da je bimolekularni lipidni sloj bioloških membrana prekriven s dvije strane slojevima proteina (& ldquosandwich & rdquo struktura). Proučavanje ćelijske površine polarizacijskim mikroskopom otkrilo je da su molekuli lipida raspoređeni okomito na staničnu površinu, a proteinski molekuli paralelni s njom. Korištenjem metode električne provodljivosti omogućeno je mjerenje kapaciteta stanične membrane koja je iznosila 1 mikrofarad po kvadratnom cm, te izračun debljine sloja lipida, za koju se pokazalo da je 55 & Akutna. Na osnovu ovih nalaza, engleski biolozi J. F. Danielli i H. Davson predložili su 1935. model biološke membrane u velikoj mjeri konzistentan sa savremenim shvatanjima o strukturi bioloških membrana.

Analizom difrakcije rendgenskih zraka, elektronskom mikroskopom i optičkim i biohemijskim metodama pokazalo se da su površinske ćelijske membrane i membrane supćelijskih čestica &mdashmitohondrija, jezgra, mikrozomi, lizozomi i drugi&mdaslične strukture. Sastoje se od bimolekularnog lipidnog sloja (uglavnom fosfolipida) debljine 35 & Aring i dva nelipidna sloja od po 20 A (američki istraživač J. Robertson). Vanjska površina mnogih bioloških membrana prekrivena je mukopolisaharidima, a unutrašnja je obložena strukturnim ili enzimskim proteinom. Pretpostavlja se da postoji elektrostatička privlačnost između molekula fosfolipida i proteina. Mitohondrijske membrane se po strukturi donekle razlikuju od površinskih staničnih membrana (slika 1). Čini se da su fosfolipidi i proteini u unutrašnjoj membrani mitohondrija međusobno povezani stabilnom hidrofobnom interakcijom i formiraju komplekse (jedinice koje se ponavljaju) od kojih je izgrađena cijela membrana.

Značajan napredak postignut je u razumijevanju strukture i funkcija bioloških membrana proučavanjem njihovih modela i mdashartificial fosfolipid membrane koje se sastoje od bimolekularnog sloja fosfolipida. Fizička svojstva takvog filma slična su onima prirodnih bioloških membrana, debljine je do 61 i Aringa i ima kapacitet od 1 mikrofarad po kvadratnom cm. Dodavanjem male količine proteina u otopinu za kupanje umjetne membrane naglo se smanjuje njen otpor (približno 1.000 puta), približavajući se električnom otporu prirodnih bioloških membrana. Pod određenim uvjetima, električne oscilacije mogu nastati u takvoj "ldquorekonstruiranoj" membrani koja po amplitudi, trajanju i uvjetima nastanka podsjeća na električne oscilacije koje se nalaze u pobuđenim živčanim vlaknima. Dodavanjem antibiotika poput valinomicina ili gramicidina u otopinu koja kupa membranu inducira selektivnu propusnost za kalijeve i natrijeve ione. Biološke membrane se intenzivno proučavaju, a očekuje se da će njihova struktura i funkcije biti potpuno razjašnjene u bliskoj budućnosti.


Reference

  1. Brown, D. A. i London, E. (1998). Funkcije splavova lipida u biološkim membranama. Godišnji pregled ćelijske i razvojne biologije, 14(1), 111-136.
  2. Fujimoto, T. i amp Parmryd, I. (2016). Interleaflet Coupling, Pinning, and Leaflet Asimetrija&mdash Glavni akteri u formiranju nanodomena plazma membrane. Granice u ćelijskoj i razvojnoj biologiji, 4.
  3. Stillwell, W. (2013). Uvod u biološke membrane: od dvoslojeva do splavova. 1e. Academic Press. Elsevier. 367 str.
  4. Luckey, M. (2014). Membranska strukturna biologija: s biokemijskim i biofizičkim osnovama. 2e. Cambridge University Press. 411p.
  5. Harder, T., Scheiffele, P., Verkade, P., & Simons, K. (1998). Struktura lipidnog domena plazma membrane otkrivena krpljenjem komponenti membrane. Journal of cell biology, 141(4), 929-942.
  6. Sommer, A., Bhakdi, S., & Reiss, K. (2016). Kako membranska asimetrija regulira funkciju ADAM17 sheddase. Ćelijski ciklus, 15(22), 2995.
  7. Zwaal, R. F., Comfurius, P., & amp Bevers, E. M. (2004). Scott sindrom, poremećaj krvarenja uzrokovan neispravnim kodiranjem membranskih fosfolipida. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molekularna i ćelijska biologija lipida, 1636(2), 119-128.
  8. Takar, M., Wu, Y., & amp Graham, T. R. (2016). Esencijalni protein Neo1 iz kvasca koji pupi igra ulogu u uspostavljanju aminofosfolipidne asimetrije plazma membrane. Journal of Biological Chemistry, 291(30), 15727-15739.
  9. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A., Scott, M. (2013). Biologija molekularnih ćelija . 7e. New York: Scientific American Books. 1154p.
  10. Bacia, K., Schwille, P., & amp Kurzchalia, T. (2005). Sterolna struktura određuje razdvajanje faza i zakrivljenost tečno uređene faze u modelima membrana. Zbornik radova Nacionalne akademije nauka Sjedinjenih Američkih Država, 102(9), 3272-3277.
  11. Arashiki, N., Saito, M., Koshino, I., Kamata, K., Hale, J., Mohandas, N.,. & amp Takakuwa, Y. (2016). Neprepoznata funkcija kolesterola: regulira mehanizam koji kontrolira membransku fosfolipidnu asimetriju. Biochemistry, 55(25), 3504-3513.
  12. Risselada, H. J., & Marrink, S. J. (2008). Molekularno lice lipidnih splavova u modelnim membranama. Zbornik radova Nacionalne akademije nauka, 105(45), 17367-17372.
  13. Arkhipov, A., Yin, Y., & amp Schulten, K. (2008). Opis četverorazrednog opisa membranskog oblikovanja prema BAR domenama. Biofizički časopis, 95(6), 2806-2821.
  14. Zimmerberg, J. i Kozlov, M. M. (2006). Kako proteini proizvode zakrivljenost stanične membrane. Recenzije prirode Molekularna ćelijska biologija, 7(1), 9-19.
  15. Barbot, M., Jans, D. C., Schulz, C., Denkert, N., Kroppen, B., Hoppert, M.,. & Meinecke, M. (2015). Mic10 oligomerizira kako bi savio unutrašnje membrane mitohondrija na spojevima kristala. Ćelijski metabolizam, 21(5), 756-763.
  16. Purdie, J. A., & amp Sanderson, J. M. (2016). Asimetrija podešavanja membrane. Biophysical Journal, 110(3), 85a.
  17. Richter, R. P., B & eacuterat, R., & amp Brisson, A. R. (2006). Formiranje čvrstih lipidnih dvoslojeva: integrirani pogled. Langmuir, 22(8), 3497-3505.
  18. Marquardt, D., Geier, B., & Pabst, G. (2015). Asimetrične lipidne membrane: prema realnijim modelima. Membrane, 5(2), 180-196.
  19. Markones, M., Zorzin, C., Kalie, L., Fiedler, S. i amp Heerklotz, H. (2017). Podešavanje asimetrije membrane: kontrolirano upijanje negativno nabijenih lipida u vanjski list liposoma. Biophysical Journal, 112(3), 43a.

Dodatne reference:

Faller, R., Predavanje: Osnove membrane i lipida. U: Membrane Biology, UC Davis. 11. aprila 2017.


Institut za istraživanje kreacije

Drugi članak ove serije uključivao je raspravu o Foxovoj shemi, odnosno toplinskom modelu, za prevladavanje termodinamičke barijere za stvaranje proteina (polimeri aminokiselina), te raspravu o drugim shemama polimerizacije. Istaknuto je da Foxov toplinski model uključuje niz uvjeta i događaja, od kojih bi većina imala tako nestajući niski red vjerojatnosti na bilo kojoj vjerovatno primitivnoj zemlji, da bi ukupna vjerojatnost protenoidnih mikrosfera nastalih prirodnim procesima bila nula . Nadalje je istaknuto da bi se, u svakom slučaju, polimeri proizvedeni takvim postuliranim procesom sastojali od nasumično raspoređenih aminokiselina bez značajne biološke aktivnosti i stoga Foxov model nema veze s porijeklom živih sistema.

Problem prevazilaženja termodinamičke barijere u polimerizaciji aminokiselina i nukleotida, koliko god se činilo da je nerešiv, zatamnjen je daleko većim problemom - porijeklom visoko uređenih, visoko specifičnih sekvenci u proteinima, DNK i RNK koje daju ove molekule sa svojim čudesnim biološkim aktivnostima. Proteini općenito imaju od stotinjak do nekoliko stotina aminokiselina raspoređenih u preciznom redoslijedu ili slijedu. U proteinima se nalazi dvadeset različitih vrsta aminokiselina, pa se može reći da protein "četvrti jezik" ima dvadeset slova. Kao što slova abecede moraju biti raspoređena u preciznom slijedu za pisanje ove rečenice, ili bilo koje rečenice, tako i aminokiseline moraju biti raspoređene u preciznom slijedu kako bi protein posjedovao biološku aktivnost.

Human growth hormone has 188 amino acids arranged in a unique and precise sequence. Ribonuclease, an enzyme that catalyzes the hydrolysis of ribonucleic acids (RNA), has 124 amino acids arranged in its own unique sequence. Bovine glutamate dehydrogenase, another enzyme, has six identical chains of 506 amino acids each. The alpha chain of human hemoglobin, the red blood protein, has 141 amino acids, and the beta chain has 146 amino acids. Hemoglobin is a complex which includes four protein molecules, two each of the alpha and beta proteins, plus iron, plus a complex chemical called heme.

The particular amino acid sequence of each of these protein molecules is responsible for their unique biological activity. Furthermore, a change of a single amino acid generally destroys or severely diminishes this activity. For example, some individuals inherit a defective gene which causes the amino acid valine to be substituted for glutamic acid at position 6 in the beta chain of their hemoglobin. The other 286 amino acids (the remaining 145 in the beta chain and the 141 in the alpha chain) remain unchanged&mdashonly one out of 287 amino acids is affected. The defect, however, causes sickle cell anemia, a disease that is invariably fatal.

The genetic messages are encoded in the genes, which are composed of DNA, via the specific sequence of the nucleotides. There are four different nucleotides, but each "letter" of the genetic "language" consists of a set of three of the four nucleotides. Sixty-four such sets (4 3 ) can be derived from these four nucleotides, and thus the genetic "language" has an alphabet of 64 "letters." Genes generally have from a hundred or so of these sets up to several thousand of the sets. This would require the precise ordering of three times that many nucleotides, since there are three in each set. The various kinds of RNA would have equal complexity.

As mentioned earlier in the section of the last article in this series, in which Fox's scheme was being discussed, when amino acids and nucleotides are combined, or polymerized, by chemical methods, the amino acids in polypeptides (proteins) and the nucleotides in polynucleotides (DNA and RNA) so derived are arranged in disordered, or random sequences, just as a string of letters typed by a monkey would be randomly arranged. For biologically active molecules to have arisen on the earth by naturalistic processes, there would have had to be some machinery or mechanism in existence to cause ordering of the subunits in a precise or nearly precise fashion.

The ordering mechanism would have had to be highly efficient, since the precise structures required for biological activity impose the severest restraints on the structures of these molecules, just as writing this sentence correctly allows one way, and one way only, for the letters composing it to be arranged. No such ordering mechanism has yet been suggested, nor could any exist under natural conditions. Once ordered sequences, such as enzymes, DNA and RNA, as well as complex energy-coupling and energy-generating systems existed, one might imagine how these ordered sequences could have been duplicated, but that would never explain the origin of these ordered sequences in the first place.

Some have imagined that random processes, given the four or five billion years postulated by evolutionists for the age of the earth, could have generated certain ordered sequences by pure chance. The time required for a single protein molecule to arise by pure chance, however, would exceed billions of times five billion years, the assumed age of the earth.

For example, only seventeen different amino acids (one of each) can be arranged in over 355 trillion (17 factorial) different ways. Put another way, 17 people could line up over 355 trillion different ways (if you don't believe it, get 16 friends together and try it!). Furthermore, if one were to arrange a sequence of 17 amino acids, and could choose from 20 (the number of different amino acids found in proteins) instead of 17, and were allowed to repeat amino acids (as would have been the case in the origin of proteins), about ten sextillion sequences could be obtained (20 17 , or 10 22 )!

Immense as these numbers are, it could be argued that their origin even by completely random processes would have a finite probability in five billion years. But 17 is far too short for biological activity. Proteins, DNA, and RNA usually contain hundreds of subunits. A sequence of 100 might be more realistic. One hundred amino acids of 20 different kinds could be arranged in 20 100 , or 10 130 different ways. What would be the probability of one unique sequence of 100 amino acids, composed of 20 different amino acids, arising by chance in five billion years?

Let it be illustrated in the following fashion. The number of different ways the letters in a sentence containing 100 letters of 20 different kinds could be arranged would be equal to the number of different protein molecules just mentioned (10 130 ). A monkey typing 100 letters every second for five billion years would not have the remotest chance of typing a particular sentence of 100 letters even once without spelling errors.

In fact, if one billion (10 9 ) planets the size of the earth were covered eyeball-to-eyeball and elbow-to-elbow with monkeys, and each monkey was seated at a typewriter (requiring about 10 square feet for each monkey, of the approximately 10 16 square feet available on each of the 10 9 planets), and each monkey typed a string of 100 letters every second for five billion years (about 10 17 seconds) the chances are overwhelming that not one of these monkeys would have typed the sentence correctly! Only 10 41 tries could be made by all these monkeys in that five billion years (10 9 x 10 16 x 10 17 divided by 10 = 10 41 ). There would not be the slightest chance that a single one of the 10 24 monkeys (a trillion trillion monkeys) would have typed a preselected sentence of 100 letters (such as "The subject of this Uticaj article is the naturalistic origin of life on the earth under assumed primordial conditions") without a spelling error, even once.

The number of tries possible (10 41 ) is such a minute fraction of the total number of possibilities (10 130 ), that the probability that one of the monkeys would have typed the correct sentence is less than the impossibility threshold. The degree of difference between these two numbers is enormous, and may be illustrated by the fact that 10 41 times a trillion(10 12 ) is still only 10 53 , and 10 53 times a trillion is only 10 65 , 10 65 times a trillion is only 10 77 , etc. In fact, 10 41 would have to be multiplied by a trillion more than seven times to equal 10 130 . Even after 10 41 tries had been made, there would still be much, much more than 10 129 arrangements that hadn't yet been tried (10 41 is such an insignificantly small number compared to 10 130 that 10 130 - 10 41 is about equal to 10 130 minus zero!).

Considering an enzyme, then, of 100 amino acids, there would be no possibility whatever that a single molecule could ever have arisen by pure chance on the earth in five billion years. But if by some miracle it did happen once, only a single molecule would have been produced, yet billions of tons of each of many different protein, DNA, and RNA molecules would have to be produced. The probability of this happening, of course, is absolutely nil. It must be concluded, therefore, that a naturalistic origin of the many biologically active molecules required for the most primitive organism imaginable would have been impossible.

Origin of Stable, Complex, Biologically Active Systems

The problem of explaining the manner in which the above macromolecules became associated into systems that would have had even the most rudimentary ability to function as metabolically active systems capable of assuring their own maintenance, reproduction, and diversification is tremendously more complex and difficult than any attempts to explain the origin of the macromolecules themselves. Green and Goldberger have stated, " . the macromolecule-to-cell transition is a jump of fantastic dimensions, which lies beyond the range of testable hypothesis. In this area all is conjecture. The available facts do not provide a basis for postulating that cells arose on this planet." 1 Kerkut, in his little book exposing the fallacies and weaknesses in the evidence usually used to support evolution (although he, himself, is not a creationist) said, "It is therefore a matter of faith on the part of the biologist that biogenesis did occur and he can choose whatever method of biogenesis happens to suit him personally the evidence for what did happen is not available." 2

Nevertheless, there are those who persist in attempts to provide a rational explanation for bridging the vast chasm separating a loose mixture of molecules and a living system. The extent of this chasm is enormous when we view the two extremes &mdash an ocean containing a random mixture of macromolecules &mdash proteins, nucleic acids carbohydrates) and other molecules essential for life, in contrast to an isolated, highly complex, intricately integrated, enormously efficient, self-maintaining and self-replicating system represented by the simplest living thing.

Assuming that there was, at one time, an ocean full of these marvelous macromolecules that somehow had become endowed with at least some measure of "biological" activity, one must explain, first of all, how these macromolecules disassociated themselves from this dilute milieu and became integrated into some crude, but functional and stable system.

We can say immediately that under no naturally occurring conditions could complex systems spontaneously arise from a random mixture of macromolecules. There is absolutely no tendency for disordered systems to spontaneously self-organize themselves into more ordered states. On the contrary, all systems naturally tend to become less and less orderly. The more probable state of matter is always a random state. Evolution of life theories thus contradict natural laws. Nevertheless, evolutionists persist in speculating that life arose spontaneously.

Oparin's Coacervate Theory

Because of limitation of space, only one theory, that of A. I. Oparin, the Russian biochemist and pioneer in origin of life theories, will be discussed. Most of the basic objections to his theory are applicable to Fox's microspheres and all similar suggestions. Oparin has proposed that coacervates may have been the intermediates between loose molecules and living systems (a review of Oparin's proposals may be found in Kenyon and Steinman 3 ). Coacervates are colloidal particles which form when macromolecules associate with one another and precipitate out of solution in the form of tiny droplets. Complex coacervates are those that form between two different types of macromolecules. For instance, such a coacervate will form between a histone, which is a basic protein, and a nucleic acid, which is acidic. Another example is the coacervate that will form from a complex of gelatin (basic, and thus positively charged) and negatively charged gum arabic.

Oparin, and others, have claimed that complex coacervates possess properties that may have enabled them to form protocells. It was shown that certain coacervates absorbed enzymes from the surrounding medium and that these enzymes were able to function inside the coacervate. 4,5 It should be understood, however, that the association of macromolecules to form coacervates, and the absorption of molecules from the surrounding medium, is due to simple chemical and physical phenomena, and is thus not selective, self-organizing or stable. Basic histones and nucleic acids form coacervates simply because one is basic, thus positively charged, and one is acidic, and thus negatively charged. There is a simple electrostatic attraction between the two. Basic histones, of course, would attract bilo koji acidic, or negatively charged, particles, and nucleic acids would attract bilo koji basic, or positively charged, particles. This attraction would not be selective, and if a chaotic mixture prevailed in the medium, the coacervates would be a chaotic mixture.

Enzyme activity is only useful when it is coordinated with other enzyme activities. We have already given reasons why it would have been impossible for any one particular macromolecule, such as a protein enzyme, to have been formed in any significant amount. But suppose that it did just happen that a few enzyme molecules were absorbed into a coacervate. The action of this enzyme would have been meaningless and useless unless some other enzyme was also present which produced the substrate for the first enzyme, and unless there was another enzyme that could utilize its product. In other words, it would be useless for a coacervate to convert glucose1-phosphate into glucose-6-phosphate unless it also possessed a source of glucose-1-phosphate and unless it could further utilize the glucose-6-phosphate once it was produced. A factory that has no source of raw materials, or which has no market for its product must shut down in a short time. Living systems are extremely complex, having hundreds of series of metabolic pathways perfectly coordinated and controlled. Substrates are passed along these pathways as each enzyme performs its highly specialized chemical task, and coordination in space and time is such that each enzyme is provided with a controlled amount of substrate, and the successive enzyme is there to receive the substrate and in turn to perform its task. Each chemical task performed is useful and purposeful because it is coordinated in a marvelous way with all the other activities of the cell.

Without this coordination, enzyme activity would not only be useless, it would be destructive. Let us assume, for example, that a proteolytic enzyme (this is an enzyme which catalyzes the hydrolysis, or breakdown, of proteins) somehow did arise in the "primordial soup" and this enzyme was absorbed into a coacervate or one of Fox's proteinoid microspheres. The results would be totally disastrous, for the enzyme would "chew up" all the protein in sight, and that would be the end of the coacervate or microsphere! Similarly, a deaminase would indiscriminately deaminate all amines, a decarboxylase would decarboxylate all carboxylic acids, a DNAse would break down all DNA, and an RNAse would break down all RNA. Uncontrolled, uncoordinated enzymatic activity would be totally destructive.

Such control and coordination in a coacervate, microsphere, or other hypothetical system would have been nonexistent. The complex metabolic pathways and control systems found in living things owe their existence to the highly complex structures found only within living things, such as chloroplasts, mitochondria, Golgi bodies, microsomes, and other structures found within the cell. Some of these are enclosed within membranes, and the cell, itself, is of course, enclosed within a very complex, dynamically functioning multi-layered membrane. Control and coordination, absolutely essential to any living thing or to any metabolically active system, could only exist through the agency of complex structures similar to those mentioned above, but they, in turn, can only be produced by complex, metabolically active systems. One could not arise or exist in the absence of the other. They must have coexisted from the beginning, rendering evolutionary schemes impossible.

Another very serious objection to the idea of Oparin's coacervates is their inherent instability. They form only under special conditions, and readily dissolve with dilution, shift in pH, warming, pressure, etc. This instability has been cited by Fox 6 , by Young 7 , and by Kenyon and Steinman. 8 Instability is a most fundamental objection to any type of system that can be proposed to bridge the gap between molecules and living cells. All of these proposed models, whether they be Oparin's coacervates, Fox's microspheres, or any other model, suffer this basic and fatal weakness. One of the reasons living cells are stable and can persist is that they have membranes that protect the system within the membrane and hold it together. The membrane of a living cell is very complex in structure and marvelous in its function. A coacervate or a protein microsphere may have a pseudomembrane, or a concentration or orientation of material at the point of contact with the surrounding medium that gives it the appearance of having a membrane. There are no chemical bonds linking the macromolecules in this pseudomembrane, however, and it is easily broken up, and the contents of the coacervate or microsphere are then released into the medium.

Since these coacervates have this inherent instability, no coacervate could have existed for a length of time that would have had any significance whatsoever to the origin of life. Even if we could imagine a primitive "soup" concentrated sufficiently in macromolecules to allow coacervates to form, their existence would have been brief. Any organization that may have formed in these coacervates by any imaginable process would then have been irretrievably lost as the contents of the coacervate spilled out into the medium.

Theories that attempt to account for the origin of stable metabolic systems from loose macromolecules thus suffer from a number of fatal weaknesses. First is the requirement that the necessary macromolecules be produced in sufficiently vast amounts to saturate the primeval seas to the point where complex coacervates or protenoid microspheres would precipitate out of solution. Secondly, such globular products are inherently unstable and would easily be dissolved or disintegrated, spilling their contents out into the medium. Geological ages, however, would have been required for a loose system to evolve into a stable, living cell, assuming such a process were possible at all. As we have seen above, however, there is no tendency at all for complex systems to form spontaneously from simple systems. There is a general natural tendency, on the other hand, for organized systems to spontaneously disintegrate to a disordered state. Thirdly, even if it were imagined that a coacervate of some kind could accrete or inherently possess some catalytic ability, this catalytic ability would have been purposeless, and thus useless, and actually destructive.

The Origin of the First Completely Independent, Stable, Self-Reproducing Unit&mdashThe First Living Cell

The simplest form of life known to science contains hundreds of different kinds of enzymes, thousands of different kinds of RNA and DNA molecules, and thousands of other kinds of complex molecules. As mentioned above, it is enclosed within a very complex membrane and contains a large number of structures many of which are enclosed within their own membrane. The thousands of chemical reactions which occur in this cell are strictly coordinated with one another in time and space in a harmonious system, all working together towards the self-maintenance and eventual reproduction of this living cell. Every detail of its structure and function reveals purposefulness its incredible complexity and marvelous capabilities reveal a master plan.

It seems futile enough to attempt to imagine how this amazingly complex system could have come into existence in the first place in view of the vast amount of contradictory evidence. Its continued existence from the very start, however, would have required mechanisms especially designed for self-maintenance and self-reproduction. There are numerous injurious processes which would prove fatal for the cell if repair mechanisms did not exist. These injurious processes include dimerization of the thymine units in DNA, deamination of cytosine, adenine, and guanine in DNA and RNA, deamidation of glutamine and asparagine in proteins, and the production of toxic peroxides, just to cite a few. The cell is endowed with complex, defense mechanisms, in each case involving an enzyme or a series of enzymes. Since these defense mechanisms are absolutely necessary for the survival of the cell, they would have had to exist from the very beginning. Life could not have waited until such mechanisms evolved, for life would be impossible in their absence.

The ultimate fate of a cell or any living thing is death and destruction. No dynamically functioning unit therefore can survive as a species without self-reproduction. The ability to reproduce, however, would have had to exist from the very beginning in any system, no matter how simple or complex, that could have given rise eventually to a living thing. Yet the ability to reproduce requires such a complex mechanism that the machinery required for this process would have been the poslednji thing that could possibly have evolved. This dilemma has no solution and thus poses the final insuperable barrier to the origin of life by a naturalistic process.

We conclude that a materialistic, mechanistic, evolutionary origin of life is directly contradicted by known natural laws and processes. The origin of life could only have occurred through the acts of an omniscient Creator independent of and external to the natural universe. "In the beginning God created" is still the most up-to-date statement we can make concerning the origin of life.


Pogledajte video: Лекция 7. Репарация ДНК. (Oktobar 2022).