Размышления о происхождении жизни

      



      
В современной биосфере существует единый код записи биологической информации. За некоторыми (очень редкими и специфическими исключениями) он одинаков для всех организмов: от низших прокариот до человека. Этот факт (бактерии, вирусы, грибы, растения, животные, все их многочисленные виды и формы пользуются единой таблицей соответствия аминокислоты триплету нуклеотидов) наводит на мысль, что код в теперешнем виде существует очень давно. Он, по всей видимости, возникнув раз и навсегда в процессе формирования жизни, больше не менялся.
Он, однако, способен эволюционировать. Нарушения записи информации (отклонения от стандарта) в митохондриях эукариотических клеток свидетельствуют об этом. Самостоятельные же организмы, не являющиеся неотъемлемой частью клетки, сохраняют код неизменным. Существует единый для всей биосферы закон, по которому он сформирован, и этот закон неизменен и действенен до сих пор. Более того, в строении единого для всего живого кода, в возможных моделях его возникновения, лежит разгадка самого процесса возникновения жизни в земных условиях.
 
I.
 
Мы предлагаем одну из возможных молекулярных моделей возникновения жизни, объясняющую одновременно строение современного аминокислотно-нуклеотидного кода.
Прежде всего предполагается, что жизнь возникала в условиях, допускающих периодические изменения ионного состава, температуры раствора, большой (возможно, геологический) промежуток времени, а также достаточную концентрацию органического вещества, возникшего абиогенным путем.
Это необязательно должны быть коацерватные капли с концентрированным в них органическим веществом. В них, при высокой концентрации, выбор возможных веществ для возникновения жизни не мог быть велик. Скорее, это могла быть небольшая лужа, насыщенная органическим веществом, стабильная во времени и способная периодически менять качества раствора за счет стока, подпитки, пересыхания и проч. Кроме того, предполагается, что подобных резервуаров на Земле было множество, т.е. жизнь возникала как естественный процесс химической эволюции планеты повсеместно и формировалась везде по единому закону.
Первые живые объекты были вирусоподобными частицами, сочетавшими в себе аппарат репликации, транскрипции и трансляции (в отличие от современных вирусов, которые для этих процессов используют клетки, у первичных рибосомоподобных структур ничего не было для размножения, кроме органического раствора).
Первый организм должен был возникнуть на основе имеющихся в растворе молекул ДНК. В настоящее время доказано, что в растворе, содержащем мономеры (нуклеотиды) предбиологически, т.е. неферментативно, может синтезироваться полинуклеотидная цепь небольшой длины. Это должна быть именно ДНК, а не РНК. Нить ДНК способна синтезировать только связи 3-5, что обеспечивает ее регулярную структуру. Цепь РНК таким свойством не обладает, так как РНК допускает синтез не только 3-5, но и 2-5 (ОН-группа у второго атома рибозы), что нарушает ее регулярность. На одиночной цепи ДНК, как на матрице, путем подбора из раствора синтезируется вторая цепь, комплементарная данной.
Двойная спираль ДНК не несет еще никакой информации. Но об ее строении можно уже делать некоторые предположения. Она должна была состоять в основном из аденина и тимина. Т.е. для дальнейших целей из раствора отбирались молекулы именно с преимущественно адениново-тиминным составом. При изменении условий в первичном резервуаре нить ДНК должна была легко расплетаться на две комплементарные цепочки. Связь аденин-тимин двойная (в отличие от тройной водородной связи гуанин-цитозин), что должно было облегчать задачу.
В объеме должно быть наработано (за счет периодического, возможно, сезонного изменения качеств раствора) достаточное количество идентичных и комплементарных нитей ДНК.
Далее, в растворе должны были находиться небольшие цепочки аминокислот, связанные пептидной связью (протеиноиды, по терминологии современных исследователей). Здесь сразу возникает вопрос о строении подобной цепочки белка, пригодной для дальнейших целей и отбиравшейся естественным отбором, начавшим действовать в самом процессе возникновения жизни. Цепочка должна была состоять преимущественно (или только) из молекул D- или L- аминокислот, что должно было гарантировать регулярность ее построения. То, что из рацемата были отобраны и в процессе эволюции фиксированы именно L-аминокислоты, было связано, возможно, с физическими условиями в эпоху возникновения жизни (магнитным полем, освещением, космическим облучением и проч.)
Относительно аминокислотного состава протеиноида можно сказать следующее. Для дальнейших целей нить белка должна была состоять в основном (в подавляющем процентном составе, а так как нить была короткой, то возможно, за точечными исключениями) из аминокислот, способствующих образованию спиралей, а по строению радикала - гидрофобными или заряженными. Последнее было необходимо для взаимодействия между радикалами аминокислот в процессе первичной трансляции. Т.е. это были аминокислоты, принадлежащие к первому и третьему столбцам таблицы генетического кода.
Здесь впервые возникает соответствие аминокислот их кодонам, наблюдающееся в современной таблице кода. Если допустить, что третью букву кодона можно не принимать в расчет (она была добавлена позднее, первый код был двубуквенным, как считается в настоящее время), то ДНК, составленная в основном из аденина и тимина, должна соответствовать в процентном отношении именно аминокислотам первого и третьего столбцов (в таблице кодоны берутся по РНК, вместо тимина - урацил). Эта первичная информация не была однозначной и четкой, но уже несла несомненную тенденцию.
Что мог представлять собой первый информационный, т.е. живой, объект?
В растворе имеются расплетенные(комплементарные) нити ДНК и протеиноиды, отвечающие требованиям, необходимым для возникновения первичного рибосомоподобного нуклеопротеидного комплекса. Эти протеиноиды способны образовывать рыхлую спиралеподобную структуру. Не -спираль, а более разупорядоченную структуру, с диаметром большим, чем у  -спирали. Белок оборачивается вокруг одиночной нити ДНК, в свою очередь принимающей спиралеподобную форму (укладывается внутри протеиноида наподобие внутреннего каркаса).
Стабилизация "катушки" происходит за счет водородных связей на нитях ДНК и белка. Взаимная ориентация нитей такова, что ДНК способна скользить по оставшейся в растворе комплементарной нити (информационной ДНК), а белок синтезировать на себе нить белка, направление амидных связей в котором обратно данному.
Предполагается, что нить ДНК должна быть упакована внутри белковой катушки так, чтобы ее основания выступали наружу. Это более вероятно, чем обратный вариант (нить белка внутри ДНК), так как длина цепочки фосфорная кислота - рибоза - азотистое основание в среднем больше, чем длина радикала аминокислоты.

Первичный рибосомоподобный синтез на нем должен состоять из инициации, элонгации и терминации.
Первый этап инициации - присоединение "катушки" к комплементарной нити ДНК комплементарным концевым участком. Необходимо, чтобы комплементарный конец цилиндра присоединился именно к комплементарному концевому участку ДНК. Это, однако, возможно, так как даже короткая нить ДНК должна была представлять собой клубок, в котором обладавший некоторой протяженностью палочковидный цилиндр (катушка), своей серединой вряд ли отыскал бы комплементарный участок. Для этой цели больше подходит конец клубка, и именно комплементарный данному концу катушки. Присоединяясь к и-ДНК другим своим концом (к противоположному концу клубка) катушка, очевидно, могла работать в обратном направлении, что в целом увеличивало вероятность запуска процесса первичной трансляции.
Следующий этап инициации состоит в присоединении первой аминокислоты. На цилиндре (катушке) отыскивается первый доступный для присоединения радикал, к которому приближается (и нековалентно взаимодействует с ним) первая аминокислота. Группы   и  этой аминокислоты ориентируются выступающими из цилиндра группами  и  пептидной связи протеиноида катушки. Группы ДНК (фосфат, рибоза) в этом процессе не участвуют, так как упакованы внутрь. Возникает первый ферментативный центр. 

Следующий этап инициации и, одновременно, первый этап элонгации - присоединение второй аминокислоты к реакционному центру.

Сближение групп   и   должно привести к возникновению первой пептидной связи и одновременно, к закручиванию новосинтезированной связи двух первых аминокислот в противоположную (по сравнению с исходной цепью белка) сторону. Это с необходимостью следует из того, что формируемая цепь по направлению пептидных связей противоположна данной. В результате этого сцепление двух последних - сохраняется. Катушка закручивается вперед за счет толчка со стороны новосинтезируемой цепочки, протаскивая на последнем радикале последнюю аминокислоту (а с ней и новую цепочку) чуть-чуть вперед и вверх, а нить ДНК притягивается к очередному кодону на и-ДНК и прилипает к нему. При этом сбившееся положение последней аминокислоты на катушке восстанавливается за счет ориентации ее свободной группы   вдоль пептидной связи катушки (за счет притяжения к группе).

При этом необходимо, чтобы взаимодействие радикалов было нековалентным, но все же достаточно сильным. Этому требованию как нельзя лучше отвечают гидрофобные аминокислоты, радикалы которых вступают между собой в гидрофобное взаимодействие.
Часть аминокислот уже на этом этапе могла иметь заряженный радикал, позволявший им вступать в реакционном центре в электростатическое взаимодействие. Возникновению между ними прочной ионной связи должны были препятствовать размеры реакционного центра. Все же они должны были обладать достаточной длиной, чтобы провзаимодействовать. Такими свойствами обладают аминокислоты 3-го столбца таблицы генетического кода.
Таким образом, для первичного жизненного процесса из раствора отбираются аминокислоты 1-го и 3-го столбцов таблицы, и в нашем случае им соответствует ДНК с преобладанием аденина и тимина, то есть то, что наблюдается и сейчас.
Замечания по работе катушки. Для процесса элонгации необходимо, чтоб катушка, представляющая собой подобие цилиндра, скользила по нити ДНК, не колеблясь из стороны в сторону, оставаясь ориентированной перпендикулярно по отношению к и-ДНК. Этому мог способствовать водно-ионный чехол вокруг катушки, образованный за счет водородных и электростатических взаимодействий с раствором. Но этот же чехол должен препятствовать дальнейшему продвижению катушки по нити и-ДНК за счет ее стабилизации. Энергии, возникающей за счет разрыва связей радикал-радикал, выгиба нити новосинтезированного белка, а также энергии притяжения кодона к антикодону, могло оказаться недостаточно для этой цели. Для своей работы катушка могла использовать энергию макроэргических соединений, имевшихся в растворе, например, АТФ. АТФ из раствора могла, войдя в реакционный центр, модифицировать его за счет образования связи с очередной NН-группой амидной цепочки катушки. При этом выделяется фосфат и возникает макроэргическая связь АДФ-белок. Цепь белка деформируется (уходит в глубь катушки), связь АДФ-белок напрягается. При вступлении в реакционный центр очередной аминокислоты и возникновении амидной связи, связь АДФ-N еще более напрягается, возникают условия для ее гидролиза. Одновременно с очередным выгибом новосинтезированной нити белка гидролизуется макроэргическая связь, дающая много энергии в толчок. Не изменяя своего положения в чехле, катушка обретает возможность порвать водородные связи внутри чехла и как бы провернуться в нем, продвинуться чуть вперед, увлекая чехол за собой.
Возможный механизм использования АТФ мог быть иным. Важно, что уже на этом этапе, когда отсутствуют закодированные ферментные системы, АТФ мог использоваться первым живым объектом и это было естественным образом связано с особенностями его химического строения.
Когда нить и-ДНК, еще не имеющая точной и однозначной информации о строении белка катушки, но несущая уже зафиксированное соответствие (между избытком А и Т и гидрофобами и заряженными аминокислотами), считывается до конца, катушка соскальзывает с нити, а в растворе остается цепочка белка, по составу радикалов комплементарная данной. Эта цепочка способна войти в состав новой катушки, используя нить, идентичную и-ДНК (синтезированную на матрице катушечной нити, когда та, в свою очередь, временно, за счет свойств раствора, освобождается от белка катушки). Процесс повторяется и в растворе нарабатываются нити ДНК и белка с заданными свойствами.
 
II.

Какова вероятная роль РНК в данном процессе, каковы дальнейшие пути усовершенствования работы катушки?
На нити и-ДНК, используя ее как матрицу, могли синтезироваться короткие цепочки РНК, необязательно регулярные, т.е. со связями 3-5 и 2-5. Для дальнейших целей необходимо, чтоб эти короткие цепочки сворачивались в компактную структуру. Нерегулярное их строение должно было способствовать лишним изгибам направления цепочки, т.е. сворачиванию. Кроме того, известно, что РНК лучше, чем ДНК образует в одноцепочечном состоянии спиралеподобные структуры и глобулы.
Главное в этих коротких цепочках РНК было то, что определенные участки их последовательности были комплементарны участкам и-ДНК (кодонам).

Теперь мы имеем в растворе наработанные путем катушечного синтеза протеиноиды, ДНК, и-ДНК и некоторое подобие будущих транспортных РНК.
В данный момент уже необходимо, чтобы предбиологический раствор претерпел локальную концентрацию, чтобы все белки и нуклеиновые кислоты, имеющие общее происхождение, были собраны, так сказать, "под одной крышей".
Это могло произойти в результате концентрации первичных биомолекул внутри пространства, окруженного мембраной жироподобного вещества. Такие вещества (липиды) также способны синтезироваться небиологически, т.е. неферментативно, в условиях, напоминающих первичную Землю.
Липидная мембрана могла ограничить начальный процесс синтеза на катушке, а затем сконцентрировать белки и нуклеиновые кислоты за счет притока их мономеров извне и превращения их внутри в полимеры (возникал естественный перепад концентраций мономеров извне и снаружи за счет их использования внутри капли). Это, очевидно, уже была предклетка.

Первичный синтез ДНК на матрице и белка на катушке претерпевал постоянные сбои в работе и в результате обрывов процесса возникали короткие (более короткие, чем исходные) цепочки белков и ДНК.
Если теперь мы имеем два коротких участка ДНК, комплементарных друг другу, и один из них свернут внутри короткого участка белка, то, присоединяясь к участку короткой и-ДНК, отрезок катушки мог создать первый ферментоподобный объект, имитирующий аминоацил-т-РНК-синтетазу (ключевой фермент современного рибосомного синтеза).
В растворе есть РНК, комплементарная кодону на участке и-ДНК, предшествующему тому кодону, с которым слипается катушка. И есть аминокислота, радикал которой комплементарен радикалу, выступающему из ферментативного центра.
 
Радикал аминокислоты из раствора комплементарен радикалу на участке катушки, антикодон РНК - кодону, предшествующему месту слипания катушечной ДНК и и-ДНК. При сближении групп   аминокислоты и ОН - группы рибозы аденина (или другого концевого нуклеотида РНК) происходит синтез связи аминокислота - РНК, возникает первая транспортная система. В этом процессе с самого начала мог использоваться АТФ, как в современном синтезе, где он присоединяется к   - группе вступающей в реакцию аминокислоты.
Как теперь, используя т-РНК, работает катушка? Очевидно, теперь, в результате двойного соответствия (радикала аминокислоты и антикодона) процесс ускоряется. т-РНК, присоединяясь к антикодону на и-ДНК, ориентирует аминокислоту радикалом к комплементарному радикалу на катушке, свободной   -группой - к свободной   -группе предшествующей аминокислоты.
 
Сближение групп   и   приводит к возникновению пептидной связи. Пептидная связь изгибается (как и в прежнем варианте, без т-РНК), что дает напряжение в связь белок-т-РНК за счет толчка катушки вперед, а радикала аминокислоты, связанной с т-РНК, - вперед и вверх (притяжение к комплементарному радикалу). Напряженная связь гидролизуется, катушка наклоняется вперед, к следующему кодону на и-ДНК, подтягивая новосинтезируемую цепь белка. На и-ДНК открывается новый участок, доступный для т-РНК, а РНК на предшествующем участке соскальзывает с него (за счет свойств раствора и непрочной фиксации на антикодоне).


Процесс продолжается до случайного обрыва его работы либо до конца и-ДНК. Интересно отметить, есть сведения, что под воздействием некоторых антибиотиков современные рибосомы способны использовать для прочтения не РНК, как обычно, а ДНК. Это до некоторой степени, должно служить подтверждением вероятности данной модели.
В первичном синтезе (без т-РНК) соответствие кодона и аминокислоты было неопределенным. Теперь же, с возникновением т-РНК и аминоацил-т-РНК-синтетаз (АР), каждому кодону в процессе отбора начинает соответствовать строго определенная аминокислота.
Вокруг короткого участка ДНК, входящего в АР, мог в принципе, обернуться любой короткий участок белка катушки, подходящий по длине, ведь это не регламентируется прямым соответствием между нуклеотидным и аминокислотным составом. Но из всех образовавшихся в растворе АР лучше всего создавать связь между т-РНК и аминокислотой будут те, у которых помимо нужной т-РНК к участку связывания подошла аминокислота наиболее подходящая по радикалу аминокислоте в реакционном центре. В процессе же на катушке (или на нескольких различных катушках, имеющихся под мембраной) данному кодону не всегда соответствует данная аминокислота. Значит, в растворе имеются несколько АР, связывающих данный кодон с разными аминокислотами. Либо несколько АР, связывающих данную аминокислоту с несколькими кодонами. Последнее имеет место и в современном синтезе.
Каким образом из системы выбраковываются АР, связывающие данный кодон с разными аминокислотами, и остается соответствие кодона одной (или группе аминокислот с определенными свойствами, например, гидрофобными по радикалу)?
Прежде всего, необходим механизм, обеспечивающий фиксированное строение АР, т.е. чтобы они не возникали случайно, путем оборачивания любого участка белка вокруг любого участка ДНК. Это могло обеспечиваться возникновением терминаторных кодонов, прерывающих синтез белка в строго определенном месте. Само возникновение терминаторов, т.е. кодонов, не соответствующих никакой аминокислоте и в результате этого обрывающих синтез, должно закрепляться отбором, как выгодное для процесса самого синтеза и для возникновения первых генов, участков строго определенной длины, хотя возможно, еще неопределенного (не строго определенного) состава. Теперь отрезки белка данной длины выберут из раствора отрезки ДНК строго определенной длины. Такой выбор из раствора по длине до сих пор используется вирусами при самосборке их вирионов.
Важно то, что отрезки ДНК, входящие теперь в состав АР тоже обладают определенной последовательностью нуклеотидов, так как их возникновение связано с прерыванием синтеза цепи ДНК на матрице в строго фиксированном месте. Это прерывание могло осуществляться неким белком, еще не строго кодированным, но обладающим уже минимумом свойств, присущем современной полимеразе (в данном случае ДНК-полимеразе, но РНК-полимераза должна, очевидно, иметь тот же источник происхождения). Этот белок, как и современный, должен был ускорять матричный синтез и прерывать его в строго определенном месте.
Процесс возникновения жизни осуществлялся, таким образом, по принципу обратной связи: формирование соответствия кодон - аминокислота  приводило к возможности записи первой информации, а запись, в свою очередь, приводила к возможности усовершенствовать код при помощи записанных белков.
Первичное распределение аминокислот по триплетам было связано со свойствами ДНК, входящих в состав первичных рибосом (катушек). Аденин более гидрофобен, чем тимин. Значит, ДНК с преимущественным адениновым составом, скорее всего, войдет в состав катушки с гидрофобными аминокислотами. Катушка с заряженными аминокислотами возьмет из раствора тиминовую ДНК. Теперь оставшиеся в растворе АР с центром, кодирующим соответствие тиминового (т.е. со второй буквой Т в триплете) кодона заряженной аминокислоте окажется не у дел, так как все тиминовые цепочки вошли в состав катушек, а в растворе остались только адениновые и-ДНК, кодирующие соответствие адениновый кодон - заряженная аминокислота. А с адениново-гидрофобной, способной считывать информацию с тиминовой и-ДНК, катушкой данная аминокислота-т-РНК тоже не провзаимодействует из-за несоответствия радикала. Хотя, скорее всего, здесь возникают две системы - гидрофобная и заряженная - отдельно, ограниченные друг от друга мембранами и создающие свой набор АР, каждая по отдельности.
Внутри этих систем синтез лишних АР мог выбраковываться за счет терминаторных кодонов. Именно, пока еще существует вероятность образования катушки из бывшей и-ДНК и новосинтезированной нити белка (их ориентация противоположна ориентации ДНК и белка в прежней катушке), т.е. катушки "запрещенного", но еще вероятного типа, тиминово-гидрофобного, например. Но если для синтеза необходима терминация, то при обратном прочитывании, т.е. для того, чтоб возникла АР с "запрещенным" соответствием, необходимо, чтоб терминаторный кодон сработал и при его обратно-комплементарном прочтении. Но этого нет. При обратном прочтении это уже другой кодон (терминаторный ТАА, например, и лейциновый ТТА), он прочитывается и "ненужной" АР не возникает. Для работы же тиминово-гидрофобных катушек, т.е. считывающих информацию с адениновых ДНК, все меньше находится в растворе аминоацил-т-РНК и они, и без того маловероятные, вообще перестают действовать. Так в "гидрофобной" предклетке создается строгое соответствие первого столбца таблицы строго тиминовым кодонам. И также - в "заряженной" клетке создается соответствие заряженных аминокислот (3-й столбец таблицы) адениновым кодонам. Если бы эти системы взаимодействовали с самого начала, то они, очевидно, мешали бы друг другу, используя друг у друга катушечную ДНК в качестве информационной и наоборот. Здесь возникла бы конкуренция из-за сырья (ДНК), что в конечном счете, привело бы к выживанию только одной системы (гидрофобной или заряженной) и ее дальнейшей эволюции отдельно. Взаимодействие же этих систем могло происходить уже позднее, когда возникли настоящие рибосомы и отпала нужда в катушках. Но и поныне белки состоят по большей части именно из гидрофобных и заряженных участков, чередующихся друг с другом. Такое строение белков отражает их функции и закреплено отбором. Но возможно также, что эти первичные блоки, из которых построены современные белки, являются дериватами первых "катушечных" генов.
Мы рассматриваем распределение двух типов аминокислот (гидрофобов и заряженных) по двум типам ДНК (адениновой и тиминовой). Распределение остальных аминокислот будет рассмотрено далее (в III-м пункте обзора). Здесь важно отметить то, что рассматриваются уже триплеты, а не дуплеты нуклеотидов, как в первичном синтезе. Если ранее катушке с преимущественной второй буквой А (или Т) соответствовал определенный состав аминокислот (гидрофобный или заряженный), то теперь это закрепляется за счет того, что прочитывающая информацию т-РНК имеет выгиб антикодона и главной становится именно вторая буква, соответствующая выступающей части антикодона. Это вовсе не значит, что катушка теперь стала откатываться "дальше" в процессе синтеза. Скорее всего, она и раньше брала шаг, длиной в триплет (через две буквы). Но отсчет велся по дуплетам, потому что соответствие просто было вероятностным, и мы приблизительно считали, что в насыщенной аденином (или тимином) ДНК каждой аминокислоте соответствует вторая буква А (или Т). Она, в принципе, могла быть и первой. Теперь этого не происходит, так как антикодон состоит из трех букв (как это свойственно выгибу нити РНК) и узнающий тип кодона (адениновый или тиминовый) нуклеотид соответствует центральной, т. е. второй букве. Теперь оставшаяся первая буква начинает нести информационную нагрузку о положении аминокислоты в рамках столбца (в классе аминокислот). Это возможно, связано с ее прежней ролью распределения аминокислот по комплементарности в первичной катушке, где такое соответствие возникало случайно, вероятностно, т.е. соответствие данной аминокислоты данному дуплету по длине вошедшей в катушку ДНК. Теперь это соответствие закрепляется, причем именно в том виде, как это есть в таблице кода, а не ином (это связано с возможностью перехода по второй букве, будет рассмотрено ниже).
Кроме того, из-за строения РНК возникает необходимость нагрузить информацией и третью букву кодона. Природа справилась с этой проблемой просто и эффективно: она оставила третью букву для дублирования. В современном коде мутация по третьей букве кодона не ведет к замене аминокислоты на какую-либо иную, т.е. число вредных мутаций таким образом сокращается и строение белка чаще, чем если бы этого не было, остается в результате мутации прежним, т.е. полезным, проверенным отбором. В процессе работы первичных тиминово-заряженных и адениново-гидрофобных систем т-РНК только "помогала" синтезу. Процесс шел по-прежнему за счет взаимодействия радикалов аминокислот и выгиба спирали новосинтезированного белка. За счет этого возникло первое соответствие аминокислота-кодон и было закреплено отбором.
В дальнейшем должны были возникать системы, синтез белка в которых зависел только от информации на цепи и-ДНК, но не зависел от радикалов катушки. Это было выгодно предклетке, так как позволяло ей, в принципе, синтезировать любой белок, а не только комплементарный по радикалам белку на катушке. Для этого было необходимо создание ферментативного центра, однозначным образом ориентирующего группы   и   при возникновении пептидной связи. Т.е. если этот белок (синтетаза) уже мог кодироваться и синтезироваться, сначала допустим, еще на катушке, то в дальнейшем он мог, объединившись с катушечной ДНК и и-ДНК, создать первый рибосомоподобный объект, состоящий из двух субъединиц. Если малая субъединица представляет собой объединение и-ДНК с белком, а большая - объединение катушечной ДНК с белком и с первичной синтетазой и если белок малой субъединицы способен вступать во взаимодействие с любым участком нити какой-либо иной (некатушечной) и-ДНК, то принцип работы этой системы может быть такой. Верхняя субъединица, несущая и-ДНК за счет белка, за счет своей, рибосомной и-ДНК, прикрепляется к выступающему из большой субъединицы участку катушечной ДНК. К триплету на свободной (нерибосомной) и-ДНК подходит первая т-РНК с аминокислотой. Этот первый триплет расположен так, что с него т-РНК за счет притяжения соскальзывает на большую субъединицу и прикрепляется к участку белка на нем. Первый триплет расположен между субъединицами и, возможно, присоединение к нему первой т-РНК происходит еще до объединения субъединиц. Именно, когда комплекс полностью собран, во взаимодействии первой т-РНК и первого триплета возникает напряжение и она переходит на "пептидильный" участок большой субъединицы. Теперь процесс синтеза должен до некоторой степени имитировать катушечный синтез, от которого происходит. Когда к свободному кодону на и-ДНК подходит следующая т-РНК, полимераза (в современном синтезе она носит название пептидил-трансфераза) ориентирует   -группу новоприбывшей т-РНК-аминокислоты по отношению к связи СО-рибоза предшествующей. При этом новоприбывшая т-РНК-аминокислота, оставаясь связанной с триплетом и-ДНК, входит в так называемый "аминоацильный" участок большой субъединицы.
Полимераза (пептидил-трансфераза) переносит первую аминокислоту с первой т-РНК на  -группу следующей. Возникает пептидная связь, которая, как и в катушечном синтезе, изгибается, что дает толчок субъединицам и они, как и раньше, за счет участков комплементарной ДНК в той и в другой субъединице, заворачиваются друг по другу: одна (меньшая) вверх, другая (большая) - вниз. При этом и-ДНК, связанная с малой субъединицей, протаскивается вперед, но при дальнейшем притяжении субъединиц друг к другу и возвращении их в исходное положение (это происходит за счет взаимодействия их белков) участок ДНК, бывший прежде сцепленным с малой субъединицей (1-й кодон) не возвращается на прежнее место. Это, очевидно, связано с направленностью связей в цепочке ДНК и тем, что она "заякоривает" между субъединицами и неспособна проталкиваться обратно. Весь комплекс, таким образом, делает ход по и-ДНК, а связанная теперь с новосинтезированной цепочкой белка т-РНК, сохранившая связь с кодоном, протаскивается вместе с и-ДНК вперед и, вступая в пептидильный участок на большой субъединице, вытесняет с него предыдущую т-РНК. Возможно, вытеснение обусловлено тем, что т-РНК взаимодействует с субъединицей не только своей нуклеиновой частью, но и аминокислотной, и когда аминокислота ею утрачивается в процессе синтеза, она остается связанной со своим участком непрочно и следующая, имеющая на себе уже комплекс аминокислот, т-РНК ее легко вытесняет.

 

В современном рибосомном синтезе используются не ДНК в качестве рибосомных и информационных молекул, а РНК. Такая замена могла произойти позднее, когда возникли ферменты, способные синтезировать регулярную структуру РНК на ДНК-матрице (РНК-полимеразы). РНК стала использоваться в рибосомном синтезе, а ДНК осталась для записи информации. Такая необходимость могла возникнуть в связи с тем, что две системы мешали друг другу, используя одни и те же молекулы нуклеиновой кислоты и для репликации (комплементарного считывания) и для рибосомного синтеза. До сих пор у наиболее древних (прокариотических) клеток эти два процесса сопряжены (синтез РНК на матрице и ее трансляция). Полное разделение матричного синтеза РНК (как прежде - ДНК) и рибосомного синтеза произошло позднее, у ядерных клеток.
Рибосомы являются органеллой, общей для всех клеток, наряду с обязательным наличием мембраны и информационной ДНК. Они, таким образом, лежат в основе происхождения жизни. На древность и общность их происхождения указывает тот факт, что они имеют общий план строения у всех организмов и у очень больших групп их (прокариот, растений, животных) вообще не отличаются у разных видов даже по нуклеотидному составу их РНК и аминокислотному составу белков.

III.

Рассмотрев модель, с помощью которой можно объяснить начальные этапы формирования кода, рассмотрим сам код и дальнейшие возможные этапы его развития.
Мы имеем два столбца таблицы кода, принадлежащие исключительно гидрофобным и заряженным аминокислотам, соответствующие 2-й букве Т и А. В таблице используется запись по РНК, здесь Т соответствует У (урацил). Мы также в дальнейшем будем использовать запись по РНК, как принято. II-й столбец таблицы принадлежит аминокислотам слабозаряженным и коротким по радикалу. IY-й столбец состоит из серина, входящего также и во II-й столбец, из аминокислот глицина и цистеина. Глицин и цистеин имеют большое значение для вторичной и третичной упаковки белка. Мутации кодонов этих аминокислот, приводящие к их замене, будут выбраковываться отбором. Кроме того, в состав IY-го столбца входит аргинин, аминокислота заряженная и с длинным радикалом, а также редкая аминокислота триптофан (гидрофобная).
Создается впечатление, что II-й и IY-й столбцы, соответствующие кодонам со 2-й буквой Ц и Г (цитозин и гуанин, комплементарные основания с тройной водородной связью) создавались на основе мутаций первичного кода с А и Т уже после того, как были в общем сформированы столбцы I-й и III-й. Они как бы заполняли информационную брешь, формируясь за счет новых, возникших на основе мутаций, вариантов аминоацил-т-РНК-синтетаз. В конце концов каждой наличной в растворе аминокислоте стал соответствовать хотя бы один кодон из 64-х возможных, т.е. произошло информационное заполнение.
Как в рамках каждого столбца происходило распределение аминокислот по триплетам?
Прежде всего заметим, что третья буква имеет дублирующий характер. Большинство точечных мутаций по третьей букве не приводит к замене аминокислоты. Или, если такая замена происходит, то замена равноценная, т.е. гидрофоб меняется на гидрофоб, кислотная на кислотную, щелочная на щелочную. Например, в III-м столбце точечная мутация по третьей букве заменит аспаргин на равноценный ему по свойствам (щелочной) лизин. А точечная мутация третьей буквы в кодоне аспаргиновой кислоты (недублирующая) приведет к замене ее на глутаминовую кислоту, т.е. тоже на кислотную.
Замена же первой буквы большинства кодонов в таблице имеет явную и очень интересную тенденцию. Причем, следует отметить, что точечная мутация по второй букве (т.е. переход по ячейкам строк, а не столбцов) имеет ту же тенденцию, но более слабо выраженную. Это очевидно, связано со стабилизирующей ролью второй буквы, как главной при узнавании ее антикодоном т-РНК.
Рассмотрим столбцы. В первом столбце замена первой буквы ведет к переходу на одну из ячеек столбца. Качество аминокислоты при этом остается прежним, гидрофобным. Гидрофобные аминокислоты комплементарны друг другу по радикалу (способны слипаться друг с другом). Значит, мутация по первой букве в первом столбце ведет к замене аминокислоты на химически комплементарную.
Во втором столбце слабозаряженная аминокислота (или гидрофобная, как аланин) с коротким радикалом меняется на такую же по свойствам. Здесь третья буква является полностью дублирующей в каждой ячейке. Дублирующей цели служит, очевидно, и первая буква, но уже в рамках столбца. Любая мутация во втором столбце, не затрагивающая второй буквы, служит целям стабилизирующего отбора, так как в целом не меняет свойств белка. Тенденция же замены аминокислоты на комплементарную по радикалу здесь не выявляется, очевидно, потому что здесь собраны аминокислоты вообще друг другу некомплементарные и для дальнейших целей отбора по этому признаку непригодные. Для этого они слабозаряжены и слишком коротки по радикалу, чтобы вступать в необходимые взаимодействия друг с другом.
Возьмем сразу IY-й столбец, оставляя III-й для дальнейшего рассмотрения. Здесь любая мутация цистеинового или глицинового кодона скорее всего будет выбракована отбором, поэтому данные аминокислоты мы исключим из рассмотрения. Серин с триптофаном мутационно не связаны. Здесь необходимы две точечных мутации в записи белка на ДНК (которые мы рассматриваем, а не мутации в общеупотребительном смысле, приводящие обязательно к замене аминокислоты). Две мутации в записи кода, произошедшие в одном кодоне маловероятны. В принципе же любая аминокислота в рамках кода может быть заменена на любую другую, но очевидно, только в результате последовательных точечных мутаций, каждая из которых поочередно подвергается воздействию естественного отбора. Замена серина на аргинин (и наоборот) отмеченную по первому столбцу тенденцию не нарушает, так как серин слабокислотный, а аргинин - основной, здесь замена аминокислоты на химически комплементарную прослеживается. Нарушает тенденцию только замена триптофана на аргинин, они друг другу некомплементарны и друг друга не дублируют. Но триптофан, вообще, используется в составе белка в небольших количествах, а следовательно мутация в его (единственном) кодоне маловероятна. Мутация же аргининового кодона, приводящая к замене на триптофан также маловероятна. Аргинин записывается шестью кодонами и только мутация по первой букве в двух из них (ЦГГ и АГГ) может привести к замене на триптофан. Остальные мутации будут или дублирующими аргинин, или приводящими к замене его на серин.
Рассмотрим III-й столбец. Здесь собраны аминокислоты с длинным радикалом и заряженные. В рамках каждой ячейки наблюдается дублирование свойств, за исключением первой (тирозин), где возможна замена на терминаторный кодон. В рамках второй и третьей ячеек наблюдается четкое дублирование свойств не только по третьей, но и по первой букве, здесь собраны аминокислоты со строго основными свойствами и точечная мутация, не выводящая за пределы ячеек, сохраняет качество кодируемой аминокислоты.
Переход от тирозина к 4-й ячейке слабодублирующий. Переходы 2-4, 4-2, 3-4, 4-3, а также переходы 1-2, 2-1, 1-3, 3-1 - все меняют аминокислоту на химически комплементарную ей по радикалу (основную на кислотную и наоборот). Т.е. здесь отмеченная нами тенденция прослеживается явно.
Таким образом, в столбцах, несущих наиболее реакционно-способные аминокислоты (I-м и III-м) прослеживается явная тенденция замены аминокислоты на химически комплементарную.
Если же проследить переходы по строкам, то можно отметить, что они в целом являются дублирующими. Это связано с особой ролью второй буквы, как главной, узнаваемой в кодоне. Мутация по ней, так же как и любая мутация в рамках столбца (по 1-й или по 3-й букве) не должна сильно менять свойств белка, что и достигается дублирующим переходом. Однако и здесь наблюдается тенденция к переходу по химической комплементарности, в III-й строке, например. В целом можно сказать, что таблица представляет собой некую матрицу перехода не только по столбцам, но и по строкам, выражающую вероятность замены на химически комплементарную аминокислоту, либо вероятность дублирования свойств (имеются в виду переходы по ячейкам). Именно необходимость сохранения тенденции не только по столбцам, но и по строкам, повлияла на такое распределение аминокислот по ячейкам, какое мы наблюдаем в современной таблице кода. Возможно, в земных условиях таблица вообще не могла быть иной, что подтверждает общность ее для всех земных организмов. Причина, по которой часть переходов (точечных мутаций) в таблице является дублирующей, понятна. Это необходимо для предохранения записи от ошибок на уровне трансляции, т.е. на уровне белка, если в ДНК допущена ошибка. Для чего необходима замена аминокислоты на химически комплементарную по радикалу? И почему это свойство таблицы, возникнув, очевидно, в незапамятные времена, сохраняется до сих пор? Вернемся к процессам, описанным в I-й части обзора. Мы имеем небольшой объем, ограниченный мембраной, в котором нарабатываются нити ДНК и белка, а также РНК. Причем, здесь уже произошло распределение аминокислот по столбцам кода. Каким образом возникла необходимость такого распределения их по триплетам, чтобы любая возможная точечная мутация (исключая дублирующие мутации, необходимость в которых тоже возникла сразу) приводила к замене аминокислоты на химически комплементарную ей по радикалу?
Очевидно, это следует из свойств самой предклетки. Чтобы сохранить свою целостность, ей требовалось стабилизировать липидную мембрану. Это позволяло уберечься от внешних воздействий, например, от механического воздействия волн. Мембрана стабилизируется белками. Современные структурные белки построены из глобул. За счет слипания глобул и цепочек, свернутых в спирали, происходит формирование агрегатов. Так построены тубулин, актин, миозин, флагеллин, гистоновые комплексы современных хромосом, гемоглобины и прочие белки современной клетки. Белки предклетки, становясь в результате мутаций и накопления свойств, структурными, должны были использовать то же свойство - способность к слипанию в агрегаты. Причем, не к беспорядочному слипанию, а такому, которое дало бы, например, первую цепочку, построенную из глобул. Для этого глобулы должны слипаться друг с другом только в строго определенных участках. В современных белках эти участки носят название детерминант.
В детерминантах имеется пространственная возможность для взаимодействия белковых глобул. Обычно это выступающие из свернутой глобулы участки цепочки белка. Сами эти участки состоят из аминокислот, радикалы которых способны к слипанию, т.е. химически комплементарные радикалам на антидетерминанте, слипающемся участке второй глобулы. Только те предклетки, код которых допускал замену части аминокислот на химически комплементарные, могли сформировать первые структурные белки. Механизм их возникновения мог быть таким. В объеме уже, вероятно, были дуплицированные гены, ведь сами первичные катушки представляли собой идентичные объекты, т.е. с записью одной и той же информации. Впоследствии, с развитием катушечного синтеза и кода, часть катушечных белков, нарабатываясь в объеме, могла использоваться для других целей. Возможно, эти белки уже могли быть достаточно длинными, в отличие от первичных протеиноидов, и могли сворачиваться в глобулы. Если теперь запись аминокислотной последовательности одного из идентичных белков претерпела точечную мутацию на участке, выступающем из глобулы, то, по свойствам кода, это с большой вероятностью будет замена на аминокислоту, комплементарную по радикалу, т.е. способную слипаться с аминокислотой, находящейся на том же месте в прежнем белке. Теперь остается подождать только еще одной мутации, на другом подходящем месте того же, т.е. мутировавшего, или же прежнего белка. 

Очевидно, только клетки с таким строением кода могли передавать его потомству, так как только они выжили. Но структурные белки могли уже на этом этапе способствовать размножению клеток, их первичному делению, которое осуществлялось механически. Именно, объем, стабилизированный структурными белками, достигал благодаря притоку мономеров и липидов из раствора определенного размера, наращивая одновременно мембрану. Мембрана могла увеличиваться за счет слипания с мелкими капельками и включения их в свой объем (эндоцитоз в современной терминологии). Затем клетка просто дробилась на части, например, в зоне прибоя, и для каждой из образовавшихся частичек хватало материала для продолжения процесса жизни.
Каким образом вышло так, что код, раз возникнув, не менялся? То, что меняться он может, доказывает мутировавший код митохондрии, произошедший, по всей видимости, от первичного, общего для всех, кода. Митохондрия-органелла клетки, возникшая путем симбиоза из аэробной бактерии. Когда митохондрия была еще свободноживущим самостоятельным организмом, код у нее был обычный. Впоследствии, став частью клетки, митохондрия изменила свой код, приспособив его для более компактной записи информации. Это было возможно, потому что геном органеллы дублировался геномом клетки и те функции, для которых был необходим стандартный код, исполнялись клеткой. Что же это за функции?
Очевидно, клетка должна продолжать создавать новые структурные белки. Но дело в том, что структурные белки, раз возникнув, обычно более не меняются. Клетка имеет некий стандартный набор белков (белки домашнего хозяйства), который постоянен и неизменен у всех клеток данного вида, и новые мутации в этих хорошо проверенных отбором белках обычно выбраковываются. Таким образом, информации о наличных структурных белках клетке рано или поздно становилось достаточно и необходимость в новых детерминантах постепенно отпала. Но та информация, тот способ ее записи, который был использован ранее, в принципе, мог измениться. Это сопряжено с большими трудностями (необходимо переписать заново, не меняя смысл записи, все наличные белки, т-РНК, рибосомы, аминоациладенилатсинтеразы и прочее, что определяет соответствие определенной аминокислоты определенному кодону). Но то, что такое возможно, доказывает мутировавший код митохондрий.
Значит, в клетке сохраняется какая-то функция, для которой по-прежнему необходим стандартный код.
Из всех интенсивно мутирующих белков клетки наиболее часто меняющими свой аминокислотный состав являются белки, связанные с иммунной системой. Это иммуноглобулины млекопитающих (и других позвоночных), рецепторы для инфекционного агента, которые есть во всех без исключения организмах - бактериях, растениях, животных. Это также, так называемые антигены вирусов, ответственные за связывание с рецептором клетки. У всех этих групп белков есть одно общее свойство: они активно меняют состав своих детерминант.
Для иммуноглобулинов эти изменения связаны с необходимостью "подобрать" новую детерминанту для еще не встречавшегося патогена. Для рецепторов - наоборот, так изменить наличную детерминанту, чтоб она перестала связывать вирус. Для вирусного антигена - как суметь так изменить детерминанту, чтобы снова можно было инфицировать клетку.
Детерминанты вирусов, рецепторов к ним и иммуноглобулинов меняются по тому же принципу, по которому были построены ранее структурные белки.
Предположим, клетка имеет рецептор для вируса (это может быть обычный белок мембраны клетки, связанной с "домашним хозяйством" на котором есть детерминанта для вируса). Теперь, если она заменит аминокислоту в соей детерминанте на химически комплементарную по радикалу, то это, скорее всего, будет аминокислота, по свойствам идентичная аминокислоте вируса, и они не провзаимодействуют.
Теперь вирус мутирует, чтоб снова иметь возможность заражать клетку. Он меняет аминокислоту в своей детерминанте на химически комплементарную, т.е. способную снова реагировать с детерминантой клетки. Это, очевидно, и есть то свойство, общее для всех ныне живущих организмов, для которого был сохранен стандартный код, возникший еще в древности.


2001 год.