Голосования

Какой теорией происхождения жизни вы придержавайтесь?
 

Узнал новое?

Поделись с друзьями:

Наша кнопка

88x31 Код




Почти решенная дилемма
(1 голос, среднее 5.00 из 5)
Биогенез. Феноменология чуда.

 

 

Нет границ в свободном поиске. Наука – не место для догм. Учёный имеет право и обязан задавать любые вопросы, ставить под сомнение любые утверждения, искать любые доказательства, исправлять любые ошибки.

Роберт Оппенгеймер


Как создать иную форму жизни? Этот вопрос кажется безумным. Действительно, как можно рассуждать об искусственной жизни, когда нет общепринятого мнения о том, как известная нам жизнь образовалась? Нет даже теории, которая была бы очевидна, доказуема, и которая удовлетворяла бы тех, кто занимается этим вопросом. Однако, несмотря на все трудности, поставленный вопрос остается правоверным для естественно-научного познания мира. Более того, этот вопрос следует считать первоочередным при рассуждении о механизмах, формирующих жизнь, поскольку, только экспериментальные данные могут служить истинным доказательством естественного возникновения жизни. Вообще, прагматичный подход даже в таком, казалось бы, безумном вопросе, может оказаться полезным, поскольку, он изначально закладывает реальные, воспроизводимые механизмы, что сразу консолидирует мнения с одной стороны, а с другой, разбивает глобальный вопрос на множество мелких технических задач, которые можно решить экспериментально. Поэтому, отвечая на этот вопрос, мы формируем сразу и целостную и правдоподобную картину происходящих событий. Теоретическому обоснованию такой возможности посвящена данная работа.

 

Почти решенная дилемма


Первичная структура в функциональном белке определяется информацией о его строении. В результате, центральным вопросом, проходящим через всю проблему происхождения жизни, становится вопрос о том – как и при каких обстоятельствах случайная нуклеотидная последовательность (ДНК или РНК) может стать информацией? Каким путем можно выявить и сохранить «полезную» информацию? И все это при той трудности, что сама последовательность нуклеотидов при случайном характере образования фактически идентична в свойствах. «Удачная» молекула, имеющая нужную и «хорошую» последовательность ничем не отличается от молекулы, в которой последовательность менее «удачная» или даже «плохая». В такой ситуации исходной точкой любых рассуждений следует считать абсолютное отсутствие какой-либо информации в молекулах при их случайном образовании. Иными словами, информации в случайно образованных молекулах нет вообще, и она может только формироваться в процессе. Здравый смысл подсказывает нам, что здесь нет случайности, что это все результат пока еще неизвестного для нас события, и если его раскрыть, то его можно воспроизвести экспериментально.

Есть только один способ выявления информации – информация должна самостоятельно осуществлять синтез белка. Рибосома – это не просто белоксинтезирующий аппарат, а, прежде всего информация, которая является «нужной», и которая будет появляться всякий раз, когда последовательность нуклеотидов оказывается «верной» даже в том случае, если она образуется случайно. Можно сказать, что только одна молекула будет выявлять себя путем необычного «помечивания», т.е., не химическим путем и не физическими свойствами, а каталитической активностью. Главное в том, что последствия её каталитической активности должны стать для системы преобразующими. Система при наличии такой активности должна трансформироваться, приобрести цикличность (повторяемость) процесса, и, в тоже время, получить возможность избегать каких-либо изменений. Именно в этом каталитическая активность рибосомы должна отличаться от других рибозимов. Очевидно, что подобные требования могут исполняться только при образовании цикла зависимости синтеза полинуклеотидов от белков. Поэтому, естественной вопрос: как разрешить данную дилемму только одной «привязкой» информации к структуре? Если исходить из представлений о цикле зависимости, то из нужных биохимических процессов нам следует выделять следующие элементы: тРНК; группа каталитических структур, осуществляющих аминоацилирование тРНК – аминоацил-тРНК-синтетазы и их гены; ген репликации и, как минимум, постоянный источник макроэргического фосфата. Однако, появление всех этих элементов одновременно – явление невероятное вообще. Поэтому, на данном пути рассуждений, мы просто обязаны поставить под сомнение тот факт, что названный набор элементов является единственным, и что эти элементы невозможно заменить.

Синтез белка на рибосоме нуждается в макроэргическом фосфате, его используют дополнительные факторы EF-Tu и EF-G – мелкие белковые молекулы, каждая гидролизует ГТФ. Однако, гидролиз ГТФ в этих белках не является абсолютно необходимым условием в синтезе белка. Существует «неэнзиматическая» транслокация, которая наглядно показывает, что транслокационный механизм – это термодинамически спонтанный процесс и он присущ самой рибосоме, а не привносится в ее работу дополнительными факторами (Спирин, 1999). Такая бесфакторная «неэнзиматическая» элангационная деятельность рибосом – хорошо известное явление, при её деятельности продукты в бесклеточных системах полностью соответствуют  матричным продуктам по генетическому коду. Все аминоацил-тРНК-синтетазы (АСР-азы) осуществляют аминоацилирование с затратой двух макроэргических фосфатов. Для образования аминоацил-тРНК требуется АТФ, значит, и система его генерации, что усугубляет проблему – это заставляет задуматься об энергопроизводящей системе, которая опять упирается в проблему строения белка и информацию о его строении. Круг замыкается, он не имеет выхода. Однако, именно эта часть проблемы содержит в себе «подсказку». Дело в том, что формирование аминоацил-тРНК в момент зарождения жизни могло осуществляться совершенно иным путем. Этот путь не должен использовать свободные аминокислоты, а значит, он не будет нуждаться в макроэргическом фосфате и, соответственно, в системе его генерации. Поэтому, прежде всего, надо искать именно этот путь, только он может дать ответы на главные вопросы.

Вновь вернемся к первой точке приложения проблемы – к рибосоме. Рассмотрим термодинамический расчет пептидилтрансферазной реакции. Следует сразу оговориться, что он не отражает действительность, поскольку не учитывает важное обстоятельство – не все субстраты в элонгационном цикле достигают активного центра из раствора, и не все продукты высвобождаются в него. Как отмечает А.С.Спирин – «все это делает невозможным даже приблизительную оценку изменения свободной энергии в самой реакции транспептидации в процессе нормального элонгационного цикла на рибосоме» (Спирин, 1986 с.188). Для формального расчета принято исходить из различий в энергии гидролиза эфирной связи в аминоацил-тРНК, что оценивается при стандартных условиях: около – 30 кДж/моль и энергией гидролиза в пептидной связи в полипептиде бесконечной длины, что оценивается около – 2 кДж/моль. Этот расчет является формальностью, он не отражает реального положения вещей – энергия связи «в полипептиде бесконечной длины» сильно занижается самим пептидом. Реальное значение DG для пептидной связи около – 20 кДж/моль (Ленинджер, 1985). В результате существует небольшой энергетический разрыв, что позволяет реакции быть реально обратимой, её константа равновесия 0,01.

Осознание возможности существования обратимого синтеза белка имеет принципиальное значение для всей проблемы происхождения жизни. В сущности, камнем преткновения в проблеме становится конфликт между наличием: одновременно иметь каталитическую структуру для синтеза информационной молекулы, и, в тот же момент иметь информационные молекулы, управляющие синтезом этих структур. Эта проблема как раз и решается самой рибосомой, поскольку она с одной стороны выступает как каталитическая структура, представляющая собой информационную молекулу. А с другой стороны, она выступает как функциональная структура, заменяющая все необходимые структуры в синтезе, т.е., она способна заменять как в структурном, так и в каталитическом плане все другие необходимые компоненты, такие как АСР-азы, проводя одну реакцию – транспептидацию.  Другими словами – и «яйцо» и «курица» – это одно и тоже явление!

Конечно, это только теоретически рибосома способна разбирать белки. В действительности этого произойти не может, поскольку истинным субстратом для неё выступают не белки (пептиды), а пептидил-тРНК, которых просто не существует в свободном виде. Причина тому – терминирующий гидролиз, который проходит в присутствии высвобождающего фактора. Считается, что гидролиз осуществляется самим пептидилтрансферазным центром рибосомы, так как его ингибиторы подавляют гидролиз. Но не исключается, что фактор высвобождения приносит какую-то нуклеофильную группу, которая принимает участие в катализе. Принципиальным моментом, в нашей ситуации становится наличие сразу двух каталитических активностей у рибосомы, и только одна из них – гидролиз, действительно необратимая реакция. В результате этой реакции рибосома движется в одном направлении, но если бы гидролиз не существовал, то рибосома теоретически могла бы двигаться в обоих направлениях. Конечно, движение рибосомы в ту или иную сторону само по себе не имеет значения, поскольку белок в такой ситуации будет просто собираться и разбираться без каких-либо последствий. Отсутствует главное – генетический год. Вопрос в том, как он может быть сформирован?

Попробуем ответить на поставленный вопрос. Рибосома не обладает субстратной специфичностью, она «слепа» в отношении аминокислот и нуклеотидов, входящих в тРНК, это универсальная белоксинтезирующая машина. Но, если помимо существования такой машины присутствуют другие структуры, которые выявляют себя таким же образом с помощью каталитической активности в отношении одного и того же вида реакции, но при этом обладают индивидуальной субстратной специфичностью, то это совершенно меняет всю картину. Предположим, что существует не одна рибосома, а целая группа рибосомоподобных частиц, которые различают субстрат и могут использовать в синтезе белка только определенные аминоацил-тРНК (только глицин-тРНК или только валин-тРНК и т.д.), т.е. имеют субстратную специфичность и синтезированный ими белок состоит только из глицина или валина и т.д. При этом частицы способны не только узнавать аминокислоты, но и различать нуклеотидную последовательность субстрата, с которого переносится аминокислота. Такую ситуацию легко представить, при этом, если реакция белкового синтеза имеет обратимость, в таком случае получается целая группа каталитических структур, осуществляющих ни что иное, как кодирование аминокислот. В данном случае, речь не идет о нарушении основной догмы молекулярной биологии, по которой информация идет в одном направлении от нуклеиновых кислот к белкам, речь идет о обратимости транспептидационной реакции. Рибосомоподобные частицы сами строят гомополимерные белковые молекулы, используя в качестве субстрата аминоацилированные тРНК, они не нуждаются в дополнительных инструкторных молекулах. Поскольку они не используют АТФ, то эти частицы можно назвать рибозимными аминоацил-тРНК-синтазами, или, по типу катализируемой реакции – рибозимными аминоацилтрансферазами. Их так же можно назвать кодосомами т.к. реакция, проходящая в обратном направлении, формирует генетический код. Последний термин предпочтителен, он подчеркивает структурную близость с рибосомой. Но его применение может ввести в заблуждение, т.к. в литературе под термином «кодосомы» часто подразумеваются истинные аминоацил-тРНК-синтетазы (АСР-азы).

Хочу обратить внимание на то, что в такой ситуации будет возникать вырожденность генетического кода. Она будет формироваться аминоацилтрансферазами и будет зависеть от их сродства к субстратам – аминокислотам и нуклеотидной последовательности антикодона, которую они обязаны распознавать. В таком случае, если появляется частица с теми же каталитическими свойствами, но не наделенная субстратной специфичностью и допускающую в каталитический карман еще и дополнительную полинуклеотидную молекулу при её правильной геометрической конфигурации нуклеотидов с нуклеотидами её субстрата, то она превращается в первую настоящую рибосому. Эта первая рибосома будет либо создавать пептид на пептидил-тРНК с различной аминокислотной последовательностью, согласно последовательности нуклеотидов в дополнительной молекуле, либо разбирать пептидил-тРНК, насаживая различные аминокислоты на субстратные молекулы, но только при условии совпадения конфигураций дополнительных нуклеотидных молекул с нуклеотидами основного субстрата. Теоретически, выбор движения рибосомы и аминоацилтрансфераз (кодосом) в ту или иную сторону будет зависеть от точки химического равновесия системы. Но поскольку рибосома еще и высвобождает белок, то её движение становится односторонним, чего нельзя сказать о аминоацилтрансферазах (кодосомах), которые в силу простоты строения могли просто не включать дополнительные факторы и тем самым иметь возможность проводить реакцию обратимо. В такой ситуации между рибосомой и аминоацилтрансферазами формируется замкнутый круг, где продукты одного участника становятся субстратом для другого. Ценность такого круга в том, что он идет без энергетических затрат и далеко не все белковые продукты образованные рибосомой будут подвергаться разбору.

При таком подходе становится понятно, что и рибосома и все аминоацилтрансферазы (кодосомы) имеют общее происхождение. Все современные тРНК имеют одинаковую нуклеотидную последовательность в аминоакцепторной зоне. Это -ССА на 3/-конце, куда присоединяется аминокислота под действием АСР-аз. Такое совпадение не случайно и маловероятно, чтобы в одно и тоже время появилась группа молекул с одинаковыми каталитическими свойствами и с одинаковым сродством к одной и той же части субстрата. Строение главной части рибосомы 23S-рРНК показывает, что она состоит из самостоятельных структурных блоков, их можно «разобрать», не нарушая структуры оставшихся блоков. После разбора остается небольшой самостоятельный фрагмент молекулы,  ответственный за транспептидацию. Считается, что в ходе эволюции к нему добавлялись новые строительные блоки (Bokov, Steinberg, 2009). Важным моментом становится то, что этот фрагмент состоит двух симметричных лопастей, и мог образоваться только в результате дупликации одной из частей. Учитывая это обстоятельство, можно с большой уверенностью полагать, что аминоацилтрансферазы (кодосомы) и каталитический домен рибосомы образовались от одной молекулы, которая просто продублировалась с некоторыми изменениями. Это и привело с одной стороны к образованию каталитических структур, наделенных специфичностью в отношении субстратов, т.е. к кодосомам, а с другой, к молекуле неспецифичной к субстрату, но с большим активным центром, который стал вмещать дополнительную (инструкторную) молекулу, а реакцию проводить только при правильном соответствии нуклеотидов. Кроме того, эта молекула стала опосредованно проводить гидролиз, т.е. она стала осуществлять все то, что характерно для рибосомы.

Следует особо подчеркнуть, что при таком подходе для возникновения жизни нужна только одна молекула с нужными каталитическими свойствами, которая должна попасть в условия примитивной, часто ошибочной репликации. Причем, как бы странным это не казалось, нужна именно ошибочная репликация, поскольку только она может дать молекулы с разнообразным сродством к субстрату, и в тоже время сохранит «правильное» строение в каталитической части. Вопрос в том, возможна ли репликация без информации о ней? Как это ни странно, такая возможность существует, есть данные, подтверждающие существование примитивной репликации (Orgel, 1992; Ekland, Bartel, 1996). Она может идти на минеральной подложке или при участии белков, даже, если те образуются случайно. В рамках концепции «мира РНК» предполагается, что РНК сама может реплицировать РНК. Вообще в нашей ситуации не имеет значение, как достигается репликация, важно только то, что это редкое явление существует как таковое.

Вернемся к кодосомам, они обязаны различать, по крайней мере, два из трех нуклеотида в антикодоне. Можно считать, что доисторическая вырожденность генетического кода была обусловлена либо разнообразием кодосомных молекул, либо полным отсутствием информационного значения у третьего нуклеотида в триплете. Каким бы вариантом ни определялась вырожденность, она все равно делает генетический код достаточно подвижным, что становится выгодно для его дальнейшей эволюции. Получается, что природа имеет возможность перебирать варианты генетического кода и делать она это может до первого успешного нуклеотидного сочетания среди инструкторных молекул – гена репликации! Только ген репликации, среди множества других иРНК может остановить случайный перебор различных вариантов кодирования. Это произойдет в результате того, что после «находки» рибосомой этого гена система вынуждена кардинально измениться, так как после его появления все белки и нуклеотиды, которые будут находиться в среде, будут просто переработаны в составные части Прогенота, размножая его и прекращая тем самым случайный перебор других вариантов кодирования. Можно даже сказать, что рождение жизни начинается с момента появления молекулы с пептидилтрансферазными каталитическими свойствами, продолжается при примитивном копировании и окончательно свершается при появлении единственной молекулы, содержавшей информацию о копировании, т.е. единственного настоящего гена.

Выходит, окончательный акт рождения зависит от появления гена репликации. Конечно, событие это не частое, и видимо, есть определенная вероятность его появления. Пожалуй, здесь будет уместным провести следующую аналогию. Предположим, мы ищем какое-то слово «WORD», но нам не важно буквенное сочетание, нам важен смысл, которое оно означает. В таком случае «WORD» будет иметь множество синонимов – молекул с аналогичной функцией. Оно также будет звучать на различных языках – различных вариантов генетического кода, и в каждом языке будет находиться своё множество синонимов. Безусловно, определенная вероятность событий есть, но она в этом случае будет напоминать уже не "поиск  иголки в стоге сена", а, скорее, "поиск крупного предмета в сене". При таком подходе и при таких событиях, происхождение жизни становится совершенно неизбежным событием, которое  зависит только от времени существования самой системы.

 

Вернемся к вопросу искусственной жизни. Мы можем использовать рибосомный центр для создания различных аминоацилтрансфераз (кодосом). Так, можно реконструировать систему и получить первый искусственный Прогенот с собственным генетическим кодом и потенциалом к эволюции. Он будет состоять фактически из РНК, в его состав будет входить группа кодосомных молекул, рибосома, тРНК, ген репликации. Продуктом деятельности станет белок – фермент репликации, который будет копировать все составные части. Эта самая простая и жизнеспособная система, она функционирует только за счет смещения химического равновесия системы: пептидная - сложноэфирная связь (система «собирает» и «разбирает» белки). В этом она полностью зависит от среды и условий. Все это представляется реальным в осуществлении. Трудность состоит только в подборе подходящей среды.

Вообще, среда – это одно из самых загадочных явлений проблемы. Она является обязательным компонентом жизнетворения, и должна выполнять ряд функций изначально несвойственных Прогеноту, но совершенно необходимых для его существования. Очевидно, что она имеет сложный химический состав, понять который можно только при исследовании функций.

Перечислим свойства среды:

1. Она должна быть гигроскопичным материалом.

2. Она должна отвечать за правильное формирование полинуклеотидов. В естественных условиях эту роль могли выполнять минералы. Известно, что олигонуклеотиды могут образовываться на твердой подложке с различными минералами: карбоната кальция, каолинита, цеолита и т.д. (Кернс-Смит, 1985).  За счет дефектов в своей структуре, они могут способствовать правильной ориентации реагирующих компонентов, что обеспечивает синтез небольших олигонуклеотидов. Есть основания полагать, что минеральная подложка может быть ответственна за формирование нуклеотидного остова только из правовращающихся сахаров, т.к. минералы могут адгезировать молекулы с определенной оптической активностью. Следует отметить, что в отношении оптической активности аминокислот складывается совершенно иная ситуация: все кодосомы имеют общее происхождение, поэтому они могут просто «унаследовать» оптическую активность к субстрату. В таком случае, рибосома просто обязана собирать белки из хирально чистых аминокислот. Это вполне правдоподобно, т.к. активный центр, распознающий иной оптический изомер, должен иметь принципиально иное строение.

3. Среда должна обеспечивать регулярное смещение равновесия «пептидная « сложноэфирная связь». Существует много причин колебания равновесия, но две из них особо привлекают своей простотой: колебания гигроскопичности среды и термозависимая абсорбция ингредиентов.

Среда обязана непрерывно производить неспецифические белковые/пептидные молекулы. Они будут донорами аминокислот  в аминоацилировании тРНК, что в свою очередь будет обеспечивать аминокислотами  уже специфический синтез белка на матричной основе. Неспецифические белки/пептиды могут образовываться регулярно, спонтанно, из аминокислот при высыхании среды и повышении температуры. Их синтез может идти при относительно небольшом повышении температуры. Так, если смесь безводных аминокислот содержит фосфаты, то полимеризация идет при 65°С, причем полученные таким способом белки имеют хоть и слабые, но многочисленные каталитические свойства (Фокс, Дозе, 1975). Последнее обстоятельство означает, что среда не может содержать все виды органических молекул, которые существуют в живых организмах, так как их одновременное наличие в среде позволяло бы существовать сразу всем видам каталитических реакций в случайно образованных белковых структурах, что представляло бы собой настоящий метаболический хаос, который невозможно организовать. Поэтому, первоначальный состав среды должен быть именно таким, который будет обеспечивать протекание реакций преимущественно трансферазного характера.

Почти все ферменты для проявления каталитической активности нуждаются в коферментах и/или в ионах металлов. Целый ряд из существующих ферментов в отсутствии кофакторов активностью вообще не обладают. Если молекула белка при случайном образовании получит  «удачную» с точки зрения структуру, с потенциальной каталитической активностью, то её активность все равно будет зависеть от состава среды. В результате состав среды формирует «направленность» процесса, он способен исключать возможные, но ненужные реакции, даже если молекулы образуются случайно.

Отдельного внимания заслуживают гидролитические ферменты. Они не нуждаются в коферментах, однако, каталитический гидролиз на раннем этапе должен отсутствовать, т.к. его деятельность будет уничтожать все достижения системы. Анализ структур активных центов гидролаз показывает, что, несмотря на огромное разнообразие типов субстратов, катализируемых гидролазами, число типов структур активных центров гидролаз весьма ограничено (Варфоломеев, Пожитков, 2000). В каждом центре есть свои необходимые аминокислоты, такие, как серин, гистидин, аспарагиновая, глутаминовая кислота. Для некоторых обязательны ионы металлов, такие как Zn2+; Co2+; Ni2+; Mg2+; Mn2+. Выходит, что механизм каталитического гидролиза формирует фактически один и тот же набор инструментов, и отсутствие какой-то части набора будет минимизировать возможность гидролитической активности в случайно образованных белковых структурах.

Все перечисленные свойства может удовлетворить только «твердая» среда, периодически накапливающая влагу. Вообще, многие органические соединения, в особенности эфиры фосфорных кислот представляют собой сильно гигроскопичные соединения. Они способны поглощать влагу из атмосферы, что при естественных условиях биогенеза означает существование циклов «дня и ночи». Это событие вполне правдоподобно, поскольку концентрация водяного пара в доисторическом периоде, как принято считать, была высокой. Трудно поверить в другое – в обратимый синтез белка и полинуклеотидов, в то, что эти процессы когда-то шли при небольших энергетических затратах. Мы действительно этого не наблюдаем ни в одном живом организме. Но мы и не можем это наблюдать. Изменение условий среды, выход из неё и переход к более эффективным способам получения энергии, несомненно, уничтожили все ключевые механизмы раннего этапа биогенеза, поэтому в настоящее время существование обратимых реакций в синтезе жизненно важных молекул становится просто не допустимым явлением.

 


Автор:  Кандидат медицинских наук Роман Александрович Жоголь,  Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Автор готов принять участие в обсуждении данной статьи.

 

 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить