что представляют собой полученные в лабораторных условиях коацерваты
Коацервативные характеристики, связь с источником жизни
коацерваты это организованные группы белков, углеводов и других веществ в растворе. Термин coacervado происходит от латинского coacervare и это означает «кластер». Эти молекулярные группы имеют некоторые свойства клеток; Из-за этого русский ученый Александр Опарин предположил, что коацерваты дали начало этим.
Опарин предположил, что в примитивных морях, вероятно, существовали подходящие условия для формирования этих структур, начиная от группировки рыхлых органических молекул. То есть в основном коацерваты считаются предклеточной моделью.
Эти коацерваты будут способны поглощать другие молекулы, расти и развивать более сложные внутренние структуры, подобные клеткам. Позже эксперимент ученых Миллера и Юри позволил воссоздать условия первобытной Земли и образования коацерватов..
черты
— Они генерируются путем группировки разных молекул (молекулярный рой).
— Они организованы макромолекулярные системы.
— Они обладают способностью к самостоятельному отделению от раствора, в котором они находятся, образуя изолированные капли.
— Они могут поглощать органические соединения внутри.
— Они могут увеличить свой вес и объем.
— Они способны увеличивать свою внутреннюю сложность.
— Они имеют изолирующий слой и могут самосохраняться.
Отношения с происхождением жизни
В 1920-х годах биохимик Александр Опарин и британский ученый Дж. Б. С. Холдейн независимо друг от друга выдвинули сходные представления об условиях, необходимых для возникновения жизни на Земле..
Оба предположили, что органические молекулы могут быть сформированы из абиогенных материалов в присутствии внешнего источника энергии, такого как ультрафиолетовое излучение.
Еще одно его предложение заключалось в том, что примитивная атмосфера обладает восстанавливающими свойствами: очень мало свободного кислорода. Кроме того, они предположили, что он содержит аммиак и водяной пар, среди других газов.
Они подозревали, что первые формы жизни появились в океане, теплые и примитивные, и что они были гетеротрофными (они получали предварительно сформированные питательные вещества из соединений, существующих на примитивной Земле) вместо того, чтобы быть автотрофными (генерируя пищу и питательные вещества из солнечного света). или неорганические материалы).
Опарин полагал, что образование коацерватов способствовало образованию других более сложных сферических агрегатов, которые были связаны с молекулами липидов, которые позволяли им удерживаться вместе электростатическими силами, и которые могли быть предшественниками клеток..
Действие ферментов
Работа Oparin coacervates подтвердила, что ферменты, необходимые для биохимических реакций метаболизма, функционировали больше, когда они содержались в мембраносвязанных сферах, чем когда они были свободны в водных растворах..
Холдейн, который не был знаком с коацерватами Опарина, считал, что сначала образуются простые органические молекулы и что в присутствии ультрафиолетового света они становятся все более сложными, что приводит к появлению первых клеток.
Идеи Холдейна и Опарина легли в основу многих исследований по абиогенезу, происхождению жизни из безжизненных веществ, которые проводились в последние десятилетия..
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..
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..
Коацерват
Коацерват (от лат. coacervātus — «собранный в кучу») — капли или слои с большей концентрацией коллоида (разведённого вещества), чем в остальной части раствора того же химического состава.
Содержание
Коацервация
Коацервация — расслоение коллоидной системы с образованием коллоидных скоплений ( коацерватов) в виде двух жидких слоев или капель. Коацервация может возникать в результате частичной дегидратации дисперсной фазы коллоида, являясь начальной стадией коагуляции.
Сущность явления коацервации заключается в отмешивании из однородного коллоидного раствора слоя или капель, связанном с переходом от полного смешивания к ограниченной растворимости.
Коацерватные капли
Коацерватные капли — это сгустки подобно водным растворам желатина. Образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Коацерваты способны адсорбировать различные вещества. Из раствора в них поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, проходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду.
Коацерваты имеют важное значение в ряде гипотез о происхождении жизни на Земле. Коацерваты в таких гипотезах представляют некие праорганизмы (протоорганизмы).
Каждая молекула имеет определенную структурную организацию (атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве). Вследствие этого в разноатомных молекулах образуются полюсы с различными зарядами. Например, молекула воды H2O образует диполь, в котором одна часть молекулы несет положительный заряд, а другая — отрицательный. Кроме этого, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируют на ионы.
В силу таких особенностей химической организации вокруг молекул образуются водные «рубашки» из определенным образом ориентированных молекул воды. Молекулы, окруженные водной «рубашкой», могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты. Коацерватные капли возникают также при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом полимерные молекулы «собираются» в многомолекулярные фазово-обособленные образования.
Коацерватная теория
Автором этой теории является советский биохимик академик А. И. Опарин (1924 г.). Позже Опарина и независимо от него к аналогичным выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.
Опарин полагал, что переход от химической эволюции к биологической требовал возникновения индивидуальных фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей средой.
По теории А. И. Опарина коацервация сыграла большую роль на одном из этапов возникновения жизни на Земле.
Естествознание.ру
Коацервация и коацерваты
Коацервацией называется процесс расслоения коллоидного раствора на богатый коллоидными веществами жидкий осадок и свободную от коллоидов жидкую среду. Этот осадок, или коацерват, представляет собой жидкое тело, отделенное от окружающей его среды очень резкой гранью. Подобно этим коацерватам, протоплазма клеток пропитана водой и имеет жидкую консистенцию. Но, так же как и коацерваты, капелька ее при помещении в воду не смешивается с последней, а образует шарик, ясно ограниченный от окружающего его раствора.
До появления коацерватов все органические вещества были как бы слиты с массой окружающей их жидкой водной среды. После образования коацерватов органические вещества сконцентрировались в ее определенных точках, причем между средой и коацерватом всегда имелась резкая граница.
Всякое живое существо так же более или менее резко обособлено от внешней среды, в результате чего между ними устанавливаются сложные взаимоотношения, носящие название обмена веществ. В зачаточном виде такой обмен веществ был свойственен и первичным комплексным коацерватам. Обладая способностью адсорбировать различные вещества из окружающего их раствора, коацерваты могли разрастаться за счет этих веществ.
Появившись, коацерваты эволюционировали. Другими словами, эволюция коацерватов привела к появлению на земле простейших первых организмов.
Эти первичные организмы могли существовать и расти только в результате адсорбции и усвоения (т. е. ассимиляции) органических веществ, растворенных в окружающей их водной среде. Таким образом, способность к питанию органическими веществами возникла раньше способности организмов превращать неорганические соединения в органические вещества. Первичные простейшие организмы были, следовательно, организмами гетеротрофными. Аутотрофные организмы появились позднее, так как для этого способа питания необходимо наличие высоко дифференцированных структур, возникших уже на основе длительной эволюции живых организмов. Это относится как к зеленым аутотрофам, так и ко всем видам организмов, способных к хемосинтезу.
Что касается диссимиляции, то самым древним ее способом является маслянокислое, а затем молочнокислое и спиртовое брожения. Способность к кислородному дыханию, так же как и к аутотрофному питанию, появилась, очевидно, позднее.
Что представляют собой полученные в лабораторных условиях коацерваты
Никто не отыщет удачно природу вещи в самой вещи — изыскание должно быть расширено до более общего.
В 1970 г. в издательстве «Наука» вышла моя небольшая книжка «Биотический круговорот». В предисловии я охарактеризовал ее как попытку наведения порядка в «мыслительном хозяйстве» научного работника, занимающегося биологией более 40 лет. Книжка быстро разошлась, вызвав многочисленные отклики.
По-видимому, в наше время — время научно-технической революции — особенно усилилась потребность в синтетических исследованиях. Огромный фактический материал, накопленный различными биологическими дисциплинами, требует новых подходов, новых точек зрения, новых понятий. Ясно, что новые подходы, а тем более новые понятия, возникают не сразу. Кроме того, решение подобной задачи не под силу одному исследователю. Многих из тех, кто пытается идти по этому пути, ожидают и разочарования, и неудачи. Но, однако, идти надо! Английский философ-материалист Ф. Бэкон справедливо говорил: «Ведь опасность не совершить попытку и опасность испытать неудачу не равны. Ибо в первом случае мы теряем огромные блага, а во втором — лишь небольшую человеческую работу».
Представление об эволюции биосферы родилось не сразу. Ему предшествовал длительный период становления эволюционных идей. Развитие научной теории эволюции органического мира началось с появления трудов Дарвина.
В ходе развития дарвинизма ясно наметилось несколько периодов. Вторая половина XIX в. прошла под флагом борьбы за дарвинизм как материалистическую теорию эволюции. Наряду с английским биологом Т. Хаксли и немецким эволюционистом Э. Геккелем большую роль в отстаивании и развитии дарвинизма сыграли русские биологи К. А. Тимирязев, братья А. О. и В. О. Ковалевские, И. И. Мечников.
Следующий период, начавшийся с конца прошлого века, характеризуется проникновением эволюционных идей в конкретные биологические дисциплины. Процесс этот не шел гладко. Почти в каждой дисциплине можно проследить острую борьбу передовых материалистических представлений с идеалистическими воззрениями. В эмбриологии возродился воинствующий витализм, в палеонтологии и сравнительной анатомии появились многочисленные разновидности идеализма. Зародившаяся в начале нашего века генетика первоначально заняла позиции антидарвинизма: преувеличивалось значение внезапных наследственных изменений (мутаций) и отрицалась роль естественного отбора, высказывались идеи о возможности эволюции при постоянстве наследственных факторов.
Проникновение материалистических эволюционных идей в конкретные науки произошло в основном лишь в первой трети нашего столетия. Велика заслуга советских ученых, всегда выступавших в первых рядах борцов за материалистическую эволюционную теорию. Талантливые ученики Н. К. Кольцова: С. С. Четвериков, А. С. Серебровский, М. М. Завадовский, Б. Л. Астауров, Н. П. Дубинин, школы академиков Н. И. Вавилова, В. Н. Сукачева, А. Н. Северцова, А. И. Опарина, а также биологи, связавшие свои исследования с практикой сельского хозяйства, И. В. Мичурин и М. Ф. Иванов сделали очень много для подведения эволюционного фундамента под конкретные исследования.
К 40-м годам во всех биологических науках накопился огромный фактический материал, в той или иной мере конкретизирующий общие положения эволюционной теории. Возникла задача синтеза многочисленных и весьма разрозненных исследований. В Советском Союзе эту титаническую работу осуществил И. И. Шмальгаузен, за рубежом — английский биолог Дж. Хаксли. Были заложены основы учения о факторах, путях и закономерностях эволюционного процесса.
С возникновением синтетической теории эволюции начался третий период в развитии эволюционных идей, прекрасно охарактеризованный К. М. Завадским (1971).
Эволюционные представления всегда отражали уровень развития производительных сил общества. Низкому уровню, экстенсивным формам ведения сельского хозяйства соответствовала идея постоянства органических форм, их независимости друг от друга. Когда возникла необходимость интенсификации сельского хозяйства, побуждаемая потребностями роста товарной продукции, реальными единицами хозяйственной деятельности стали порода и сорт. Только тогда появилась теория эволюции видов. «Социальный генезис учения Дарвина можно проследить во всех деталях»[1], — писал Н. И. Вавилов.
Эволюционное учение по мере развития начинает оказывать всевозрастающее влияние на практику выведения новых пород и сортов культурных животных и растений. В результате «селекция на наших глазах превращается в научную дисциплину, изучающую проблемы эволюции управляемой человеком, другими словами, становится экспериментальной эволюцией»[2].
Таким образом, третий период в развитии эволюционной теории характеризуется не только синтезом огромного фактического материала, накопленного различными биологическими дисциплинами, но и четкой формулировкой практической задачи — целенаправленного преобразования пород и сортов сельскохозяйственных организмов. Человеческое сознание становится важным фактором эволюции этой группы живых существ.
В процессе преобразующей деятельности создатели новых пород и сортов первоначально обращали внимание лишь на немногие виды, доставляющие продукты питания и сырье для промышленности или в той или иной степени вредящие производству. Подобное ограничение объекта воздействия в действительности оказывалось лишь кажущимся. Виды в природе не существуют изолированно друг от друга. И потому, преобразуя, казалось бы, лишь отдельные формы, творцы новых пород и сортов всегда имели дело со сложными комплексами организмов, связанных между собой теснейшими взаимозависимостями. Следовательно, в процессе селекции осуществлялось не только сознательное преобразование отдельных видов, но и не вполне сознаваемая перестройка отношений между разными видами. В результате возникли вредители сельскохозяйственных культур, злостные сорняки и т. п.
Такая же перестройка происходила (и тоже помимо воли человека) при развитии промышленности, транспорта, строительстве городов.
Более 100 лет тому назад, в канун появления основного труда Дарвина, К. Маркс и Ф. Энгельс писали: «. Определенное отношение к природе обусловливается формой общества, и наоборот. Здесь, как и повсюду, тождество природы и человека обнаруживается также и в том, что ограниченное отношение людей к природе обусловливает их ограниченное отношение друг к другу, а их ограниченное отношение друг к другу — их ограниченное отношение к природе, и именно потому, что природа еще почти не видоизменена ходом истории. »[3]
В настоящее время природа, в частности органический мир, претерпевает в результате хозяйственной деятельности общества колоссальные видоизменения.
Время «ограниченного отношения человека к природе», о котором писали К. Маркс и Ф. Энгельс, безвозвратно ушло. «. человеческое общество все более выделяется по своему влиянию на среду. Это общество становится в биосфере. единственным в своем роде агентом, могущество которого растет с ходом времени со все увеличивающейся быстротой. Оно одно изменяет новым образом и с возрастающей быстротой структуру самих основ биосферы», — писал основатель биогеохимии В. И. Вернадский[4].
Иначе говоря, человек всем ходом хозяйственной деятельности определяет направление эволюции биосферы и собственной биологической эволюции. Переживаемая нами научно-техническая революция неизбежно оказывается и революцией всей биосферы.
Коацерват
Содержание
Термодинамика [ править ]
Термодинамика сегрегированных LLPS может быть описана с помощью модели смешения полимеров Флори-Хаггинса (см. Уравнение). [8] [9] В идеальных растворах полимеров свободная энергия смешения (Δ mix G) отрицательна, потому что энтропия смешения (Δ mix S, комбинаторная в подходе Флори-Хаггинса ) отрицательна и все энтальпии взаимодействия принимаются как эквивалент (Δ mix H или χ = 0). В неидеальных решениях Δ mixH может быть отличным от нуля, и процесс достаточно эндотермический, чтобы преодолеть энтропийный член и способствовать состоянию без смешивания (синяя кривая сдвигается вверх). Растворенные вещества с низким молекулярным весом вряд ли достигнут такой неидеальности, в то время как для растворенных веществ полимера с увеличением сайтов взаимодействия N и, следовательно, уменьшением энтропийного вклада простая коацервация более вероятна.
Δ m i x G = k B T [ ϕ N ln ϕ + ( 1 − ϕ ) ln ( 1 − ϕ ) ] + Δ mix H <\displaystyle \Delta _
) при разных температурах (или другом параметре взаимодействия). В качестве альтернативы, минимизируя изменение свободной энергии размешивания в отношении состава ( ), определяют спинодальную кривую. Условия смеси по сравнению с двумя кривыми определяют механизм разделения фаз: зарождение-рост капель коацервата (когда бинодальную область пересекают медленно) и спинодальный распад. [10] [11] ∂ 2 Δ mix G ∂ x 2 = 0 <\displaystyle <\frac <\partial ^<2>\Delta _ <\operatorname
Ассоциативный LLPS сложнее описать, поскольку оба растворенных полимера присутствуют в разбавленной и плотной фазах. Комплексные коацерваты на электростатической основе являются наиболее распространенными, и в этом случае растворенные вещества представляют собой два полиэлектролита с противоположным зарядом. Подход Воорна-Овербека применяет приближение Дебая-Хюккеля к энтальпийному члену в модели Флори-Хаггинса и рассматривает два полиэлектролита одинаковой длины и одинаковой концентрации. [12] [13] Сложные коацерваты представляют собой подмножество водных двухфазных систем (ATPS), которые также включают сегрегативно разделенные системы, в которых обе фазы обогащены одним типом полимера.
Коацерваты в биологии [ править ]
В настоящее время широко распространено мнение, что MLO создаются через LLPS. Это было впервые предложено после наблюдения, что тельца Кахаля [21] и гранулы P [22] проявляют свойства жидкости, а позже было подтверждено, показывая, что жидкие конденсаты могут быть восстановлены из очищенного белка и РНК in vitro. [20] 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). [14]
История [ править ]
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 в 1911 г. сообщил [29], 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.
Тем временем русский химик Александр Опарин опубликовал новаторскую работу, в которой изложил свою теорию протоклеток о происхождении жизни. [32] В своей первоначальной модели протоклеток Опарин черпал вдохновение из описания 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 первые протоклетки были коацерватами. [33]
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 после того, как ученые осознали актуальность и универсальность взаимодействий, лежащих в основе сложной коацервации при естественном производстве биологических материалов и их самосборке.
С 2009 года коацерваты стали связаны с безмембранными органеллами, и возобновился интерес к коацерватам как протоклеткам.
Гипотеза Коацервата о происхождении жизни [ править ]
Русский биохимик Александр Опарин и британский биолог Дж. Б. С. Холдейн независимо друг от друга выдвинули в 1920-х годах гипотезу о том, что первые клетки в океанах ранней Земли могли быть, по сути, коацерватными каплями. Холдейн использовал термин « первичный суп» для обозначения разбавленной смеси органических молекул, которые могли образоваться в результате реакций между неорганическими строительными блоками, такими как аммиак, диоксид углерода и вода, в присутствии ультрафиолетового света в качестве источника энергии. [35] Опарин предположил, что простые строительные блоки с возрастающей сложностью могут организовываться локально или самостоятельно собираться, чтобы сформировать протоклетки с живыми свойствами. [36] Он провел эксперименты на основе коллоидных агрегатов Бунгенберга де Йонга (коацерватов) для инкапсуляции протеиноидов и ферментов в протоклетках. Дальнейшая работа химиков Сидни Фокса, Каору Харада, Стэнли Миллера и Гарольда Юри еще больше укрепила теорию о том, что неорганические строительные блоки могут усложняться и приводить к образованию клеточно-подобных структур. [37]