Коацерват

История

В начале 20-го века ученых заинтересовала стабильность коллоидов, как дисперсий твердых частиц, так и растворов полимерных молекул. Было известно, что соли и температура часто могут быть использованы для флокуляции коллоида. Немецкий химик Ф. В. Тибаккс сообщил в 1911 году, что флокуляцию можно также вызвать в некоторых растворах полимеров путем их смешивания. В частности, он сообщил о наблюдении опалесценции (мутной смеси) при смешивании равных объемов подкисленного 0,5% «промытого» раствора желатина и 2% раствора гуммиарабика. Tiebackx не проводил дальнейшего анализа природы хлопьев, но вполне вероятно, что это был пример сложной коацервации.

Голландский химик Х.Г. Бунгенберг-де Йонг в своей докторской диссертации (Утрехт, 1921) сообщил о двух типах флокуляции в растворах агара: один приводит к суспензионному состоянию, а другой — к эмульсоидному состоянию. Он наблюдал за эмульсоидным состоянием под микроскопом и описал маленькие частицы, которые сливались в более крупные частицы (тезис, стр. 82), что, скорее всего, было описанием сливающихся капель коацервата. Несколько лет спустя, в 1929 году, Бунгенберг-де Йонг вместе со своим научным руководителем Х. Р. Крютом опубликовал основополагающую статью под названием «Коацервация. Частичная смешиваемость в коллоидных системах ». В своей статье они приводят еще много примеров коллоидных систем, которые флокулируются в эмульсоидное состояние, либо путем изменения температуры, путем добавления солей, сорастворителей, либо путем смешивания двух противоположно заряженных полимерных коллоидов, и иллюстрируют свои наблюдения с помощью первого микроскопа. изображения капель коацервата. Они называют это явление коацервацией, производным от приставки co и латинского слова acervus (куча), которое относится к плотным каплям жидкости. Таким образом, коацервация переводится как «собираться в кучу». С тех пор Бунгенберг-де Йонг и его исследовательская группа в Лейдене опубликовали ряд статей о коацерватах, включая результаты по самокоацервации, солевым эффектам, межфазному натяжению, многофазным коацерватам и коацерватам на основе поверхностно-активных веществ.

Тем временем русский химик Александр Опарин опубликовал новаторскую работу, в которой изложил свою теорию протоклеток о происхождении жизни. В своей первоначальной модели протоклеток Опарин черпал вдохновение в описании Грэхэмом коллоидов в 1861 году как веществ, которые обычно дают мутные растворы и не могут проходить через мембраны. Опарин связал эти свойства с протоплазмой и предположил, что осадки коллоидов образуются в виде сгустков или комков слизи или желе, некоторые из которых имеют структурные особенности, напоминающие протоплазму. По словам Опарина, протоклетки могли образоваться в результате осаждения коллоидов. В своих более поздних работах Опарин уточнил свою модель протоклетки. Он описал работу Bungenberg-de Jong по коацерватам в своей книге 1938 года и предположил, что первыми протоклетками были коацерваты.

За этим последовали и другие исследователи, а в 1930-х и 1940-х годах Бунгенберг-де Йонг, Опарин, Коэтс, Банк, Лангмюр и другие сообщили о различных примерах коацервации. В 1950-х и 1960-х годах акцент сместился на теоретическое описание феномена (сложной) коацервации. Воорн и Овербек разработали первую теорию среднего поля для описания коацервации. Они оценили полную свободную энергию смешения как сумму членов энтропии смешения и электростатических взаимодействий среднего поля в приближении Дебая-Хюккеля . Вейс и Араньи предложили дополнить эту модель этапом электростатической агрегации, на котором образуются симметричные растворимые агрегаты с парными зарядами с последующим разделением фаз на жидкие капли.

В последующие десятилетия, примерно до 2000 г., научный интерес к коацерватам угас. На смену теории Опарина о роли коацерватов в возникновении жизни пришел интерес к гипотезе мира РНК. Возобновление интереса к коацерватам возникло, когда ученые признали актуальность и универсальность взаимодействий, лежащих в основе сложной коацервации в самосборке и реагирующих материалах.

С 2009 года коацерваты стали связаны с безмембранными органеллами, и возобновился интерес к коацерватам как протоклеткам.

Вероятности случаются

Теорию относительности пока еще никто не отменил, и несколько ярких примеров помогут показать, как совершенно невероятное с точки зрения математика все же случается. К примеру, если бы люди жили по 100 000 лет, то в 100% (то есть все без исключения) погибали бы в авиакатастрофах. А вот реальный факт – вероятность выигрыша в американскую лотерею Cool Million просчитана точно и это 1 к 5 200 000. А американка Валери Вильсон в 2002 и в 2006 выигрывала главный приз. Или еще пример – в Болгарии в 2009 году проводили расследование работы лотереи «6 из 41». А все потому, что с разницей в четыре дня в разных тиражах выпали шесть одинаковых цифр. При этом вероятность такого события – 3,61 • 10−14. Так что невероятное на нашей планете случается.

Гипотезы о возникновении жизни на Земле

Вопрос о возникновении жизни вызывал немало споров в биологии. Было выдвинуто множество гипотез, каждая из которых имеет свои отличительные черты:

  • Метафизическая гипотеза, или креационизм. Она основана на возникновении живых организмов по воле Творца. В Библии описан этот процесс довольно детально в хронологической последовательности. Здесь религиозные утверждения ставятся выше законов естественного мира.
  • Гипотеза самопроизвольного возникновения жизни. Она зародилось в эпоху Античности. Ее сторонниками были многие философы (Аристотель, Фалес, Эмпедокл и другие). В дальнейшем с развитием науки возникло течение «виталистов», предполагавших существование некоторой «жизненной силы», которая оживляет неживую материю.
  • Гипотеза стационарного состояния. Она полностью опровергает эволюционное развитие и основывается на вечном существовании жизни. Ее сторонники смогли даже оправдать палеонтологические доказательства, объясняя останки умерших животных обычным уменьшением, а затем исчезновением данной популяции на какой-либо местности.
  • Гипотеза панспермии. Это полная противоположность предыдущего пункта. Она не считает жизнь вечной, но говорит о контакте с инопланетными существами, т. е. попадании жизни на нашу планету из просторов Вселенной. Это довольно интересное предположение, имеющие доказательства, но они слишком малы, чтобы считать данную гипотезу единственно справедливой.
  • Научная, или гипотеза биохимической эволюции. Она объясняет возникновение жизни посредством законов химии и физики. Эту идею предложил биохимик А. И. Опарин.

Коацерват

Коацерваты термодинамически равновесны, и это их коренное отличие от биологических неравновесных структур. Опыты показали, что коацерваты способны адсорбировать ферменты и в некоторых отношениях вести себя подобно клеткам, хотя, разумеется, речь идет лишь о небольшом числе функциональных аналогий.

Коацерваты получаются особенно легко, если смешивать два гидрофильных коллоида с противоположными зарядами.

Вязкость смесей гуммиарабика с желатиной в зависимости.

Коацерват может быть диспергирован прибавлением электролитов, которые уменьшают электростатическое взаимодействие и, следовательно, уменьшают притяжение противоположно заряженных частиц друг к другу. Чем выше валентность, тем сильнее действует ион на процесс диспергирования коацервата.

Вязкость смесей гуммиарабика с желатиной в зависимости.

Коацерваты делятся Бунгенберг-де — Ионгом на простые и сложные.

Коацерват экстрагируют смесью, обладающей большей растворяющей способностью; экстракцию повторяют несколько раз. Можно также визуально определить появление кристал-лич.

Коацерват — это упорядоченный агрегат, состоящий из коллоидных капелек, удерживаемых вместе электростатическими силами.

Коацерватами называются каплевидные сгустки. Они возникают в тех случаях, когда в растворах высокомолекулярных соединений сольватные оболочки ( шубы) ионизованных макромолекул отчасти состоят из других заряженных молекул и сливаются. Коацервация является одной из форм процесса, противоположного перемешиванию: коацерватная фаза содержит макромолекулы в гораздо более высокой концентрации, чем остальная жидкая фаза.

Хотя коацерваты не имеют структуры или имеют ее в малой степени, их удобно рассмотреть именно в этой главе. Коацервация впервые была описана Бунгенберг-де — Ионгом и Кройтом. Слово коацерва-ция производится от латинского acervus ( груда или куча), соединенного с приставкой со ( вместе), и означает буквально скопление.

Оптимальное отношение гуммиарабика к желатине в зависимости от рН ( Бунгенберг-де — И онг.

Образование коацервата легко проследить по измерениям вязкости. Вязкость смеси желатины и гуммиарабика определяется в области, где. Затем определяется вязкость смеси того же состава в области рН, где происходит коацервация. Найдено, что вязкость коацервата всегда меньше, чем вязкость соответствующей смеси, в которой не может образоваться коацерват, и что вообще падение вязкости пропорционально степени образования коацервата. Падение вязкости при образовании коацервата является результатом потери гидрофильными коллоидами присущей им гидратации.

Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны избирательно извлекать и накапливать из окружающей среды различные соединения. Состав конкретного коацервата, вероятно, зависел от состава окружающей его среды.

Физико-химические свойства коацерватов во многом напоминают свойства протоплазмы. Согласно теории Опарина, коацервация имела большое значение в истории возникновения первых живых организмов на земле.

Физико-химические свойства коацерватов в ряде отношений напоминают соответствующие свойства протоплазмы, что привлекает к ним внимание биологов; согласно А. И

Опарину, коацервация имела большое значение для пространственного отделения и организации коллоидных веществ в истории возникновения жизни на Земле.

Белково-коацерватная теория Опарина

Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть

разделён на три этапа:

-Возникновение органических веществ

-Возникновение белков

-Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли

из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их окислами в нём содержались водород,

аммиак, вода и простейший углеводород — метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента

появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться

сложным химическим изменениям и превращениям.

В результате такого усложнения молекул

могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно

синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Большой

победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков:

синтезирован гормон инсулин, управляющий углеводным обменом.

Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло

явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка

органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего

раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя

многомолекулярные комплексы — коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных

полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные

образования — видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в

коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили

различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров.

За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние

образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен

веществ. Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все

специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных

синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул

(например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в

росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата,

а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить

решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях —

единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано,

что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных

абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» – колониями

самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие

синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз— методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз— методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Вопр

Предыдущая11121314151617181920212223242526Следующая

Дата добавления: 2016-06-13; просмотров: 1057;

Коацерваты в биологии

Безмембранные органеллы (MLO), также известные как биомолекулярные конденсаты , представляют собой форму компартментализации клеток . В отличие от классических мембраносвязанных органелл (например, митохондрии , ядра или лизосомы ), MLO не отделены от своего окружения липидным бислоем . MLO в основном состоят из белков и нуклеиновых кислот, удерживаемых вместе слабыми межмолекулярными силами.

MLO присутствуют в цитоплазме (например, стрессовые гранулы , процессинговые тела ) и в ядре (например, ядрышко , ). Было показано, что они выполняют различные функции: они могут хранить и защищать клеточный материал в стрессовых условиях, они участвуют в экспрессии генов и контролируют передачу сигнала .

В настоящее время широко распространено мнение, что MLO создаются через LLPS. Это было впервые предложено после наблюдения, что тельца Кахаля и проявляют свойства жидкости, а позже было подтверждено, показывая, что жидкие конденсаты могут быть восстановлены из очищенного белка и РНК in vitro. Однако вопрос о том, следует ли называть MLO жидкостями, остается спорным. Даже если изначально они жидкие, со временем некоторые из них созревают в твердые вещества (гелеобразные или даже кристаллические, в зависимости от степени пространственного упорядочения в конденсате).

Многие белки, участвующие в формировании MLO, содержат так называемые внутренне неупорядоченные области (IDR), части полипептидной цепи, которые могут принимать множество и образовывать случайные клубки в растворе. IDR могут обеспечивать взаимодействия, ответственные за LLPS, но со временем конформационные изменения (иногда вызываемые мутациями или посттрансляционными модификациями ) могут приводить к образованию структур более высокого порядка и затвердеванию MLO. Некоторые MLO выполняют свою биологическую роль в качестве твердых частиц (например, стабилизированное β-пластинчатой структурой), но во многих случаях преобразование из жидкости в твердое приводит к образованию патологических агрегатов. Примеры белков, разделяющих жидкую фазу и склонных к агрегации, включают FUS , TDP-43 и hnRNPA1 . Агрегаты этих белков связаны с нейродегенеративными заболеваниями (например, боковым амиотрофическим склерозом или лобно-височной деменцией ).

Абиогенез и что такое коацерваты

Коацерват

Современный читатель может быть сторонником любой теории происхождения жизни на Земле – от теории космического заноса до вечности существования цивилизаций.

Но читатель думающий должен знать, что большинство ученых придерживается наличия добиологического периода в образовании жизненных форм – абиогенеза. И главной теоретической базой в этом вопросе является теория Опарина-Холдейна или теория коацерватных капель.

Что такое коацерваты и каковы тезисы теории абиогенеза в эволюции всего живого – в этой статье.

Возникновение термина

Обоснование теории коацерватов принадлежит российскому ученому начала 20 века А. И. Опарину. В 1924 году он опубликовал свои работы по результатам изучения растворов, насыщенных высокомолекулярными соединениями.

Он доказал, что в них формируются устойчивые зоны повышенных концентраций этих веществ, которые и получили название коацерваты в биологии.

Что такое коацерватные капли – это молекула высокомолекулярного вещества (белок), вокруг которой образуются «рубашки» из воды и низкомолекулярных соединений.

Теория Опарина-Холдейна

Именно этот процесс называется коацервация коацерват. Что такое коацерваты и теорию Опарина поддержал в 1929 году англичанин Дж. Холдейн, и именно их фамилии вошли в название добиологического или химического периода возникновения жизни на планете. Теория предполагает самозарождение высокомолекулярных органических веществ в период раннего становления атмосферы и литосферы нашей планеты.

В 1953 году химики Стенли Миллер и Гарольд К Юри решили поставить эксперимент в среде, близкой по составу и условиям к предбиотической на Земле. В колбу они поместили смесь метана, аммиака, водорода и добавили воды.

Про теорию предбиологической эволюции и что такое коацерваты узнал и заговорил весь мир.

Желатин в стакане

Что такое коацерваты легко проиллюстрировать, смешав желатин, гуммиарабику или альбумин и воду. Первоначально прозрачные растворы сначала станут мутными, а затем в них появятся мелкие сгустки, плавающие в растворе. Это и есть первоначальные коацерваты.

Что такие соединения могут делать? Обособленные частички могут адсорбировать различные вещества и обладать четко структурированной структурой, что определяет их индивидуальность.

В процессе химической эволюции происходил отбор на более устойчивые формы, которые и стали основой для возникновения живых форм.

В первичном океане в доисторические времена появляются первые частично обособленные от окружающей среды частицы. Они обмениваются со средой веществами (прообраз более сложного обмена веществ), быстро распадаются или сохраняют целостность какое-то время.

Капли растут (увеличиваются в размере) и делятся. И вот уже появляется структура более высшего порядка – мельчайшие комочки живого, которым присущи процессы синтеза и распада, развития, роста и размножения.

С этого момента начала свое историческое развитие жизнь на планете Земля.

Проблема теории коацерват

Все вышесказанное красиво в теории. Но, несмотря на успехи биологов в ее подтверждении, все, что мы сегодня создали в первичных бульонах, далеко от настоящей жизни и строения клетки.

И даже созданная в 2008 году американскими биологами «протоклетка» и японская везикула с оболочкой, способная делиться (2011), не доказывают, что все именно так и было много миллиардов лет назад на нашей планете.

Все эти эксперименты только дают пищу для построения гипотез возможного пути абиотического периода эволюции жизни.

Невероятность событий

Математик из Британии Фред Холл подсчитал вероятность случайного возникновения живой клетки в первичном бульоне. Скажем лишь, что в своих расчетах он задействовал весь современный арсенал компьютеров. При некоторых идеальных условиях, такая вероятность составит 1/10*40000. Это ничтожно малая величина, которая сводит вероятность такого события практически на нет.

Вероятности случаются

Теорию относительности пока еще никто не отменил, и несколько ярких примеров помогут показать, как совершенно невероятное с точки зрения математика все же случается. К примеру, если бы люди жили по 100 000 лет, то в 100% (то есть все без исключения) погибали бы в авиакатастрофах.

А вот реальный факт – вероятность выигрыша в американскую лотерею Cool Million просчитана точно и это 1 к 5 200 000. А американка Валери Вильсон в 2002 и в 2006 выигрывала главный приз. Или еще пример – в Болгарии в 2009 году проводили расследование работы лотереи «6 из 41». А все потому, что с разницей в четыре дня в разных тиражах выпали шесть одинаковых цифр.

При этом вероятность такого события – 3,61 • 10−14. Так что невероятное на нашей планете случается.

Теория коацерватов

Теория коацерватов является теорией, выраженной биохимиком Александром Опарином, и предполагает, что происхождению жизни предшествовало образование смешанных коллоидных единиц, называемых коацерватами..

Коацерваты образуются при добавлении в воду нескольких комбинаций белков и углеводов. Белки образуют пограничный слой воды вокруг них, который четко отделен от воды, в которой они взвешены.

Эти коацерваты были изучены Опарином, который обнаружил, что при определенных условиях коацерваты могут стабилизироваться в воде в течение нескольких недель, если им дают метаболизм или систему для производства энергии..

Ферменты и глюкоза

Для этого Опарин добавил в воду ферменты и глюкозу (сахар). Коацерват поглощает ферменты и глюкозу, а затем ферменты заставляют коацерват объединять глюкозу с другими углеводами в коацервате..

Это привело к увеличению размера коацервата. Отходы реакции глюкозы были удалены из коацервата.

Как только коацерват стал достаточно большим, он начал самопроизвольно распадаться на более мелкие коацерваты. Если структуры, полученные из коацервата, получают ферменты или способны создавать свои собственные ферменты, они могут продолжать расти и развиваться.

Впоследствии последующие работы американских биохимиков Стэнли Миллера и Гарольда Юри показали, что такие органические материалы могут образовываться из неорганических веществ в смоделированных условиях ранней Земли..

Своим важным экспериментом они смогли продемонстрировать синтез аминокислот (основных элементов белков), пропуская искру через смесь простых газов в замкнутой системе..

ссылки

  1. Евреинова Т.Н., Мамонтова Т.В., Карнаухов В.Н., Стефанов С.Б., Хруст У.Р. (1974). Коацерватные системы и происхождение жизни. Происхождение жизни, 5(1-2), 201-205.
  2. Фенчел Т. (2002). Происхождение и ранняя эволюция жизни. Издательство Оксфордского университета.
  3. Гелий Л. (1954). Теория коацервации. Новый левый обзор, 94(2), 35-43.
  4. Ласкано, А. (2010). Историческое развитие исследований происхождения. Перспективы Колд Спринг Харбор в биологии, (2), 1-8.
  5. Melnyk, A., Namieśnik, J. & Wolska, L. (2015). Теория и недавние применения методов экстракции на основе коацервата. TrAC — Тенденции в аналитической химии, 71, 282-292.
  6. Новак В. (1974). Коацерватная коацерватная теория происхождения жизни. Происхождение жизни и эволюционная биохимия, 355-356.
  7. Новак В. (1984). Современное состояние теории коацерват-в-коацерват; происхождение и эволюция клеточной структуры. Происхождение жизни, 14, 513-522.
  8. Опарин А. (1965). Происхождение жизни. Dover Publications, Inc.

приложений

В настоящее время коацерваты являются очень важным инструментом для химической промышленности

Во многих химических процедурах требуется анализ соединений; Это шаг, который не всегда прост, и, кроме того, это очень важно

По этой причине исследователи постоянно работают над созданием новых идей для улучшения этого важного шага в подготовке образцов. Цель этого всегда состоит в том, чтобы улучшить качество образцов перед выполнением аналитических процедур

В настоящее время для предварительного концентрирования образцов используется много методов, но каждый, помимо многочисленных преимуществ, также имеет некоторые ограничения. Эти недостатки способствуют постоянному развитию новых методов экстракции, более эффективных, чем существующие методы..

Эти исследования также основаны на нормативных актах и ​​экологических проблемах В литературе содержится основание для вывода о том, что так называемые «методы зеленой экстракции» играют жизненно важную роль в современных методах подготовки образцов..

«Зеленые» техники

«Зеленый» характер процесса экстракции может быть достигнут за счет снижения потребления химических продуктов, таких как органические растворители, поскольку они токсичны и вредны для окружающей среды..

Процедуры, обычно используемые для подготовки образцов, должны быть безопасными для окружающей среды, быть простыми в реализации, иметь низкую стоимость и иметь более короткую продолжительность для выполнения всего процесса..

Этим требованиям отвечает применение коацерватов при приготовлении образцов, так как они представляют собой коллоиды, богатые тензоактивными веществами, а также функционируют в качестве экстракционной среды..

Таким образом, коацерваты являются многообещающей альтернативой для приготовления образцов, поскольку они позволяют концентрировать органические соединения, ионы металлов и наночастицы в разных образцах..