что такое коацерватные капли

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.

Источник

Коацерватные капли

1. Коацерватная теория:автором этой теории является отечественный биохимик академик А. И. Опарин(1924 г.). Позже Опарина, независимо от него к аналогичным выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн. Опарин полагал, что переход от химической эволюции и биологической требовал возникновения индивидуальных фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей средой.

Желательно объединить статьи «Коацерватные капли», «Коацерват», «Коацервация».

Смотреть что такое «Коацерватные капли» в других словарях:

Возникновение жизни — Возникновение жизни или абиогенез процесс превращения неживой природы в живую. В узком смысле слова под абиогенезом понимают образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.… … Википедия

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 1 Коацервация 2 Коацерватные… … Википедия

Биопоэз — Возникновение жизни процесс превращения неживой природы в живую. В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории: Теория биохимической эволюции Теория панспермии Теория стационарного состояния жизни Теория… … Википедия

Зарождение жизни — Возникновение жизни процесс превращения неживой природы в живую. В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории: Теория биохимической эволюции Теория панспермии Теория стационарного состояния жизни Теория… … Википедия

Зарождение жизни на Земле — Возникновение жизни процесс превращения неживой природы в живую. В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории: Теория биохимической эволюции Теория панспермии Теория стационарного состояния жизни Теория… … Википедия

Происхождение жизни — Возникновение жизни процесс превращения неживой природы в живую. В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории: Теория биохимической эволюции Теория панспермии Теория стационарного состояния жизни Теория… … Википедия

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ — Вопрос о П. ж., о возникновении живых существ является одной из центр, проблем естествознания. Диалектич. материализм рассматривает П. ж. как естеств. закономерный процесс в развитии материи. Теологи и философы идеалисты связывают возникновение… … Биологический энциклопедический словарь

Абиогенез — Абиогенез образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов. Александр Опарин (справа) в лаборатории … Википедия

Химическая эволюция — или пребиотическая эволюция этап предшествовавший появлению жизни[1][2][3], в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу… … Википедия

Коацервация — (от лат. coacervatio собирание, накапливание) расслоение коллоидной системы с образованием коллоидных скоплений (коацерватов) в виде двух жидких слоев или капель. Коацервация может возникать в результате частичной дегидратации дисперсной фазы… … Википедия

Источник

Ватные капли Зарождение жизни объяснили без участия бога

Немецкие и американские ученые описали механизм, благодаря которому протоклетки, предшественники первых живых организмов, начали расти и делиться. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает издание Quanta Magazine.

Вопрос о том, как возникла жизнь, волнует людей с давних времен. Исторически было предложено несколько концепций, из которых научную ценность, по всей видимости, представляет лишь гипотеза о первичном бульоне. Остальные оказались несостоятельными. Гипотеза божественного сотворения (креационизм), возникшая еще во времена позднего неолита, ненаучна; теория вечного существования жизни противоречит астрономическим и палеонтологическим данным; концепция панспермии — занесения жизни на Землю извне, принципиально не решает проблемы и приводит к вопросу о том, как жизнь возникла в другом мире.

Предположение, что на ранних этапах возникновения жизни небольшие капельки могли образоваться посредством сегрегации молекул в сложных смесях путем разделения фаз в так называемом первичном бульоне (коацервате), было высказано советским биологом Александром Опариным, а позднее — британским ученым Джоном Холдейном. Эти коацерватные капельки, согласно гипотезе, обеспечили возникновение химических реакционных центров, однако неясно, каким образом они росли и размножались.

В новом исследовании ученые рассмотрели поведение капель в системах, которые при помощи внешнего источника энергии поддерживаются в далеком от термодинамического равновесия состоянии. В этих системах капли растут за счет добавления капельного материала, вырабатываемого в ходе химических реакций. Оказалось, что рост капли, происходящий из-за химических процессов, приводит к нестабильности ее формы и вызывает деление на две меньшие капельки.

Это означает, что химически активные капли демонстрируют циклы роста и деления, которые напоминают пролиферацию — разрастание ткани организма путем размножения клеток делением. Разделение активных капель, как полагают авторы, служит моделью для пребиотических протоклеток, в которых химические реакции в капельке играют роль пребиотического метаболизма.

Материалы по теме

Живой Энцелад

Жидкие капли представляют собой самоорганизующиеся структуры, которые сосуществуют с окружающей жидкостью. Поверхность, разделяющая две сосуществующие фазы, придает каплям определенную форму (сферическую из-за поверхностного натяжения). Кроме того, многие вещества могут диффундировать через поверхность коацерватной капли. Сегрегация среды в капельки концентрирует материал в ограниченном объеме и способствует протеканию специфических химических реакций.

Ученые понимают термодинамику зарождения капли, однако им до сих пор неясно, как она может расти и размножаться, то есть обладать ключевыми особенностями, присущими живому организму. Обычно считают, что капельки растут за счет поглощения материала из перенасыщенной среды или переконденсации (созревания Оствальда) — переносе растворенного вещества от мелких частиц к крупным с помощью растворения. В последнем случае мелкие капли исчезают, остаются лишь крупные; также допускается, что мелкие капли могут непосредственно объединяться в более крупные. Описанные процессы приводят к росту размеров капель и уменьшению их числа с течением времени, тогда как протоклетка должна, достигнув характерного размера, разделиться на две. Так как же коацерватным каплям это удается?

Авторы полагают, что капельки, которые химическим топливом поддерживаются вдали от термодинамического равновесия, могут иметь необычные свойства — в частности, при наличии химических реакций созревание Оствальда может быть подавлено, в результате чего несколько капель могут стабильно сосуществовать с характерным размером, заданным скоростью реакции. В этом случае сферические капельки, подверженные химическим реакциям, спонтанно расщепляются на две более мелкие дочерние капли одинакового размера. Таким образом, полагают ученые, химически активные капли растут, а затем делятся и, следовательно, размножаются, используя в качестве топлива поступающий материал. Это означает, что в присутствии химических реакций, приводимых в действие из внешнего источника, капельки ведут себя подобно клеткам. Такие активные капли могут представлять собой модели для выращивания и деления протоклеток с примитивным метаболизмом, представляющем собой простые химические реакции, поддерживающиеся внешним топливом.

Материалы по теме

Внесистемная позиция

Капельки служат небольшими резервуарами для пространственной организации специфических химических реакций. Появление капель требует разделения фаз на две сосуществующие жидкие фазы различного состава. Разделение фаз обусловлено молекулярным взаимодействием, в котором молекулы, имеющие сродство друг к другу, понижают свою энергию, если они находятся близко друг к другу. Жидкость может расслоиться, если уменьшение энергии, связанное с молекулярными взаимодействиями, преодолевает эффекты увеличения энтропии путем смешивания. Если эти взаимодействия сильны, формируется поверхность, отделяющая сосуществующие фазы. Капли могут стать химически активными, если материал поверхности образуется и разрушается химическими реакциями.

Рассмотрим, например, модель простой капли (рисунок а). В ней присутствует минимальное число необходимых условий для формирования и размножения коацерватной капли: две фазы, поверхность раздела фаз и внешний источник энергии, удерживающий систему от состояния термодинамического равновесия. Капля образована материалом D капельки, который генерируется внутри капли из высокоэнергетического предшественника N, который играет роль питательного вещества. Капельный материал может разлагаться на более низкую энергетическую составляющую W (отходы), которые покидают капельку в результате диффузии. Капля может выжить, если N непрерывно подается, а W — постоянно удаляется. Это может быть достигнуто путем рециркуляции N с использованием внешнего источника энергии, например, некоторого топлива или солнечного света.

Физика таких активных капель, согласно авторам, не сложна. Проще всего ее понять на примере простой модели с двумя компонентами A и B (рисунок b). Фаза материала капли B отделяется от растворителя. Он может спонтанно преобразоваться химической реакцией B → A в молекулы типа A, которые растворимы в фоновой жидкости и оставляют капельку. Обратная реакция A → B не протекает спонтанно, потому что B имеет более высокую энергию, чем A. Новый материал капель B может быть получен второй реакцией A + C → B + C`, которая связана с топливом C. Здесь C` представляет собой низкоэнергетический продукт реакции молекул топлива. Разница химических потенциалов µ(C) − µ(C`) > 0, обеспечиваемая топливом, позволяет достичь высокоэнергетического состояния B из менее энергетического A. Разность µ(C) − µ(C`) может поддерживаться постоянной, если концентрации C и C` задаются внешним резервуаром. В этом случае система удерживается вдали от состояния термодинамического равновесия.

Комбинация разделения фаз и неравновесных химических реакций изучена учеными и в непрерывной модели. Используя эту модель, авторы обнаружили, что сферические капли, которые являются химически активными, могут испытывать нестабильность формы и разделиться на две более мелкие капли (рисунок с). Капля сначала растет до тех пор, пока она не достигнет своего стационарного размера. Затем капля начинает удлиняться и образует гантелеобразную форму. Эта гантель разделяется на две меньшие капли одинакового размера. В результате меньшие капельки снова начинают расти до тех пор, пока не произойдет новое деление.

Ученые отмечают, что смоделированные ими явления возможно наблюдать непосредственно на эксперименте (размеры капель имеют порядки микрометра). Авторы отмечают, что нестабильность капель, обусловленная внешним притоком энергии и приводящая к делению капли, может быть сравнена с неустойчивостью Муллинса-Секерки, часто обсуждаемой в контексте роста кристаллов. В отличие от последней, нестабильность формы (фактически — деление) смоделированных капель может возникнуть и в случае неподвижной нерастущей капли.

Материалы по теме

Объяснить все

Какие типы молекул могли образовывать такие капли? Современные клетки обладают рядом химических структур, которые не отделены мембраной от клеточной цитоплазмы, а образуются путем разделения фаз от цитоплазмы. Многие из них являются жидкими и состоят из молекул РНК и РНК-связывающих белков. Гипотеза мира РНК предполагает, что на ранних этапах жизни РНК одновременно была носителем генетической информации и выступала в качестве фермента (рибозимы). Объединение РНК с простыми пептидами, возможно, было достаточным для организации коацерватных каплей.

Авторы отмечают, что трансформация химически активных капель в первые делящиеся клетки с мембранами представляют собой большую проблему для понимания ранней эволюции. В отличие от внутренней и внешней среды капли, поверхность раздела этих сред амфифильна. Липиды, не имеющие сродства к внешней и внутренней среде капли, при их наличии во внешней среде коацерватов могли бы накопиться как раз на такой амфифильной поверхности. Специалисты полагают, что коацерваты могли получить мембраны задолго до того, как первые протоклетки научились делиться.

Источник

Коацерватные капли – как живые

Синтетическая биология уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства биологических объектов

Красная мицеллярная оболочка вокруг зеленой липосомы с ферментом, расщепляющим глюкозу. Иллюстрация Physorg

Русский ученый Александр Опарин (1894–1980) сделал 3 мая 1924 года доклад о происхождении жизни. На следующий год ученый стал читать курс лекций студентам МГУ, назвав его «Химические основы жизненных процессов». Это было характерно для времени, когда главным объектом изучения были коллоиды. Примеры коллоидов, известных нам в обиходе, – студень, холодец, кисломолочные продукты. Химия в 1920-х была одной из ведущих наук, и поэтому было не совсем понятно, почему Опарин обратился к ботаникам.

Это могло быть связано с тем, что «растениеводы» имели богатый опыт изучения одноклеточных фотосинтезирующих систем, которые и ядра-то не имеют. Ботаники также считали, что фотосинтез позволяет делать органику (те же глюкозу и крахмал) из СО2 и воды. О том, что это квантовый процесс, в те годы никто и не догадывался. Точно так же, как никто не представлял себе роли нуклеиновых кислот (над умами довлело определение, согласно которому «жизнь – это форма существования белковых тел…»).

Было также известно, что органическую мочевину, из которой делают удобрения для выращивания зерновых, можно легко получать из СО2 и аммиака. Поэтому не было ничего удивительного в том, что, «отмотав назад» в истории развития, ученые пришли к простой мысли о зарождении жизни из абиотических составляющих. Из всего этого можно сделать вывод, что Опарин не говорил студентам ничего революционного, однако его имя прочно связали с коацерватами, причем смысла латинского названия никто не понимал. Приходилось толковать его как некий первичный бульон.

Интересно, что перевод этого слова дан в энциклопедическом словаре, где coacervat называется скоплением. Сегодня мы знаем, что тот же корень, например, в слове «карцер» и недавно введенном в научный обиход понятии «аккреционный», характеризующем диск вокруг черной дыры.

Опарин прожил долгую жизнь, многие годы возглавляя Институт биохимии. Но помнят его за те далекие коацерватные капли, представляющие нечто «собранное» в ограниченном объеме коллоидного раствора. При этом никто так и не сказал, каковы механизмы этой каплевидной концентрации и как накопленное в их полости обменивается с внешней средой. Один из примеров – это эритроцит, или красная кровяная клетка, которая накапливает в себе гемоглобин, но в то же время и поглощает воду, а также кислород и углекислый газ через свою мембрану…

И вот наука доросла до синтетической биологии, которая уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства живых клеток. Определенного успеха добились на этом пути сотрудники университетов Бристоля и Бордо, описавшие метод получения функционирующих как «живые» коацерватных капель (Nature Communications). Наружную оболочку капель ученые сделали из нитей-мицелл из молекул миристиновой (тетрадеканоевой) кислоты. Она присутствует в орехах и пальмовом масле, кокосах, в спермацете китов.

Поскольку миристиновая кислота относится к органическим кислотам, ее мицеллы реагируют на защелачивание среды (повышение рН). Это ее свойство было использовано авторами для выпускания из каплевидного «карцера» молекулярного «гостя» – молекул фермента глюкоз-оксидазы (GOx), окисляющего глюкозу. В результате образуется перекись водорода Н2О2. Среди мицелл биоинженеры разместили антагонистические к GO молекулы энзима под названием «пероксидаза хрена» (HRP – Horse-Radish Peroxydase).

Включению активности GO во внутренних капсулах-липосомах, окруженных двойной мембраной из фосфолипидов, способствует добавление в раствор небольшого количества глюкозы. GO окисляет ее до глюконо-дельта-лактона и перекиси, которая действует на пероксидазу во внешней оболочке коацерватной капли. Продукты энзима повышают рН, что приводит к «разрыхлению» мицелл и освобождению внутренних капсул с GO.

Таким образом химическая синергия двух ферментов порождает антагонизм липосом с окружающей их оболочкой из мицелл. Преимуществом полученной системы ученые считают спонтанный характер «захвата» липосом с GO и последующую дезинтеграцию системы в результате добавления глюкозы. Это стимулирует активность двух противоположных по своему действию ферментов.

Предложенные в Бристоле и Бордо капли с энзимной активностью могут использоваться для моделирования самых разных биохимических процессов. Например, процесса захвата мечниковскими макрофагами микробов. Так происходит со многими внутриклеточными патогенами, например с туберкулезной палочкой. В коацерватных каплях могут осуществляться также различные процессы органической и неорганической химии, что сделает их намного дешевле и чище с точки зрения получаемых продуктов без разного рода примесей.

Фундаментальная биология говорит, что митохондрии – внутриклеточные энергостанции клеток – в свое время попали в формирующиеся клетки в виде микробов-симбионтов. На это указывает их двойная оболочка (у бактерий и кокков она тоже состоит из двух фосфолипидных мембран). Думается, что коацерваты могут применяться весьма широко.

Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.

Источник

Что такое коацерватные капли

Используя содержание текста «Теория Опарина − Холдейна», ответьте на следующие вопросы.

1. Что такое коацерватные капли?

2. Какие свойства живого были присущи коацерватным каплям?

3. Какая проблема не была решена с помощью теории Опарина — Холдейна?

Теория Опарина — Холдейна.

В 1924 году будущий академик Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни». Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их коацерватные капли, или просто коацерваты. Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана («бульона»). В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества.

Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях 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.

Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн. Теория была обоснованна, но не решала одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём 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.

1. Коацерватные капли — это зоны повышенной концентрации веществ, отделённые от окружающей среды.

2. Рост, размножение, обмен веществ.

3. Теория не способна ответить на вопрос, как возникло наследование информации о структуре сложных молекул.

Источник