Голосования

Какой теорией происхождения жизни вы придержавайтесь?
 

Узнал новое?

Поделись с друзьями:

Наша кнопка

88x31 Код




Чудо, которое хочет жить
(1 голос, среднее 5.00 из 5)
Биогенез. Феноменология чуда.

 


Прогенот – это, прежде всего, самодостаточная и самореплицирующаяся система, которая может формироваться только в обратимых процессах. Вся его деятельность – это балансирование в линейных, взаимозависимых реакциях. Только обратимые реакции могут стать причиной формирования автокаталитической, реплицирующей системы. Это одно из фундаментальных основ жизнетворения, и оно же является основой его раннего существования. Вопрос в том, что может обеспечить жизнеспособность Прогеноту? Что лежит в основе его эволюции? И за счет каких причин он подвергается молекулярному, естественному отбору?

Рассмотрим подробно функционирование Прогенота. В его состав входят следующие элементы:

1. Несколько аминоацилтрансферазных молекул. Они состоят из РНК, имеют общее происхождение, осуществляют обратимое аминоацилтрансферирование – переносят определенную аминокислоту с N-конца пептида на тРНК, содержащую определенную нуклеотидную последовательностью в антикодоне;

2.  Рибосома имеет общее происхождение с аминоацилтрансферазами. Но обладает отличием: переносит не аминокислоту, а пептид (пептидилтрансферирование), не различает субстрат, осуществляет реакцию только в присутствии дополнительной молекулы и только при правильном соответствии её нуклеотидов с нуклеотидами антикодона, кроме того она индуцировано гидролизует эфирную связь в пептидил-тРНК;

3. Ген репликации – одна из дополнительных молекул, в которой последовательность нуклеотидов стала информацией для первичной структуры реплицирующего фермента;

4. тРНК – переносчики аминокислот;

5. Фермент репликации – продукт трансляции, реплицирует все составные части Прогенота;

 

Реакции, которые осуществляет Прогенот – это реакции обратимого типа (исключение – рибосома), их направление определяется концентрацией участвующих метаболитов. В отличие от существующего синтеза белка, эти реакции идут без значительных энергетических затрат, что дает возможность при обратимости формировать взаимозависимость – продукты одной каталитической системы становятся субстратом для другой. Может стать приемлемым следующий вариант функционирования системы: при снижении температуры «разбираются» белки и пептиды, накапливаются аминоацил-тРНК, при повышении температуры идет синтез белков и пептидов, дальнейшее повышение – к репликации. Момент для репликации удобный, т.к. она облегчается температурой.

Если репликация и синтез олигонуклеотидов шли при незначительных энергетических затратах, то они должны были быть обратимыми. Свидетельство тому можно увидеть в строении молекул. Так, причина «клеверного листа» тРНК прекрасно описывается игрой Эйгена (Эйген, 1973). Если последовательно бросать четырехгранную кость с гранями А, У, Г, Ц и записывать случайно выпадающую последовательность оснований, а потом, используя правило спаривания оснований, выбрать именно тот способ складывания, который будет обеспечивать максимальное возможное число комплиментарно спаренных участков, то почти всегда будет формироваться структура «клеверного листа», поскольку именно такая структура более гибкая и дает большее число комбинаций. Получается, что строение тРНК есть нечто иное, как основной мотив строения тех молекул, которые были образованы случайно в обратимых реакциях.

Для функционирования системы важным становится то обстоятельство, что не все синтезируемые на рибосоме белки подвергаются разбору. Часть белков имеют компактную структуру с большим количеством внутренних связей. Они недоступны для «разбора». Кроме того, некоторые молекулы РНК так же не попадают под «разбор». Это те, которые имеют кольцевое строение, подобно кольцевым хромосомам или плазмидам. Получается, что, если такие молекулы будут представлять Прогенот, то он получает возможность избегать саморазрушения и накапливает свои многочисленные копии. Хотя, конечно, последние будут накапливаться с молекулами аналогичного строения.

Несколько иная ситуация складывается с олигонуклеотидами, транспортирующими аминокислоты. Такие молекулы должны подвергаться изменениям – реакциям добавления и удаления нуклеотидов. Но в аминоацилированом состоянии, при соблюдении полярности как специфических, так и неспецифических каталитических систем, положение аминокислоты затрудняет изменения. Получается, что те олигонуклеотиды,  которые уже участвуют в синтезе белка, минимум в два раза меньше подвержены изменениям по сравнению с другими. Это преимущество позволяет накапливать молекулы, которые будут способны участвовать в белковом синтезе, даже в том случае, если они образуются совершенно случайно. Просто удивительно, как специфический синтез белка отражается на строении молекул – там, где он возникает, идет постепенное превращение всех коротких олигонуклеотидов в тРНК однотипного строения. Все эти события взаимозависимы, и они возможны только при игре по «сбору-разбору» материала.

Выходит, что те молекулы, которые уже участвуют в специфическом синтезе белка, обладают определенной выгодой – они менее изменяемы по сравнению с другими. Это позволяет им существовать и создавать автокаталитический цикл даже при примитивной и незначительной реплицирующей способности. Микроскопические скопления воды в гигроскопичной среде, содержащие компоненты этой системы, будут легко переносить её составные части при делении и слиянии водяных капель. Это позволяет процессу распространяться и занимать новые области, богатые субстратом. Всякий раз, когда Прогенот попадает в новые области среды, в них тут же вовлекаются новые молекулы. Ситуация чем-то напоминает инфицирование – туда, куда попадает Прогенот, идет неминуемое копирование его компонентов. Это истощает субстрат – неспецифическое образование белка заменяется на специфический, подконтрольный синтез. И, если каталитические реакции неспецифических белков имели значение для биогенеза (например, осуществляли примитивную репликацию), то появляется ответ на вопрос: почему жизнь одна? Возникнув однажды, она просто не оставляет никаких шансов для возникновения другой.

 

Вообще, белок, участвующий в такой системе, можно разделить на три группы.

1.    Неспецифические молекулы – в основном, пептиды беспорядочного строения. Они образуются при термическом синтезе и выступают донорами аминокислот тРНК;

2.    Неспецифические гомополипептиды – образуются и разбираются аминоацилтрансферазами (кодосомами);

3.    Специфические белки – синтезируются рибосомой.

 

Последняя группа будет делиться на те, которые могут выступать субстратом для «разбора» и те, которые для него недоступны. Подобное  деление приводит к реализации эффектов только функциональных белков, а, следовательно, в дальнейшем и к сохранению информации об их строении. Возникает механизм отбора эффективных генов. Кроме того, в такой ситуации получается, что все функциональные белки Прогенота просто обязаны быть компактными и термостабильными белками.

Построение филогенетического древа микроорганизмов, проведенное К.Вузом и сотрудниками, по рибосомным РНК указывает на то, что в основании древа располагаются гипертермофильные микроорганизмы, которые разошлись от общей гипотетической предковой формы (Woese, Fox, 1977; Woese, et al., 1990). Реконструкция её главных характеристик указывает на то, что предок был гипертермофильным организмом, он свободно обменивался генетическим материалом (Woese, 1998). Последнее обстоятельство идеально удовлетворяет гигроскопичная среда – за счет временных, непостоянных скоплений воды, Прогенот свободен в перемещении и переносе содержимого. Такая непостоянная дискретность – очень простое явление, оно определяется средой, что облегчает проблему – нет необходимости иметь мембраны и в тоже время дает достаточную свободу в перемещении содержимого.

Описанный Прогенот – это самая настоящая предбиологическая форма жизни. С одной стороны, к свойствам живого его можно отнести за счет наличия авторепликации – способности сохранять себя и передавать информацию поколениям; его примитивная репликация позволяет ему совершать множество ошибок, которые могут накапливаться и проявляться значимыми изменениями. С другой стороны, предполагаемый Прогенот не имеет своей собственной энергопроизводящей системы, он не способен противостоять изменениям, и его деятельность полностью зависима от природных периодически повторяющихся явлений – главным из которых становится температурное колебание. Оно обеспечивает его регулярным фосфорилированием субстратов, регулярным образованием неспецифических белков/пептидов (доноров аминокислот), и, наконец, периодическое колебание температуры приводит к периодическому смещению равновесия в основополагающих реакционных процессах.

Ранний Прогенот – это крайне уязвимая система, она полностью зависима от среды и неспособна противостоять её изменениям. Вопрос в том, что может повысить надежность процессов? Ответ в данном случае очевиден – энергетический обмен. Можно считать, что энергетическое обеспечение Прогенота шло своим эволюционным путем. Оно было не только тесно связано с развитием Прогенота, но и определяло его. При этом наиболее вероятными представляются следующие этапы энергетического обеспечения Прогенота:

1.  Использование готовых фосфорилированных продуктов.

2.  Использование неорганических полифосфатов.

3.   Генерация и использование АТФ.

 

Спонтанное фосфорилирование субстратов ведет к образованию продуктов с небольшим запасом энергии, что означает существование обратимых реакций. Неорганические полифосфаты – это линейные молекулы ортофосфорной кислоты, в которых фосфорные остатки, как и в молекуле АТФ, связаны макроэргическими фосфоангидридными связями. Эти молекулы богаты энергией, и они могут служить её источником для многих реакций. Неорганические полифосфаты обнаружены практически во всех организмах (Кулаев, 1975). Установлено, что у эволюционно древних бактерий некоторые реакции идут с использованием неорганических полифосфатов вместо АТФ, как это делают современные бактерии. Принято считать, что первые живые организмы использовали высокомолекулярные полифосфаты для биоэнергетических функций и только потом стали использовать АТФ (Кулаев, 1975b; Кулаев, 1996). Образование неорганических полифосфатов идет при нагревании сухой смеси, что совпадает с условиями термического синтеза белка. Получается, что Прогенот при наличии цикла «дня и ночи» может приобретать сразу два важных продукта.

Возможно, что ранний Прогенот одновременно имел возможность использовать в синтетических процессах любые доступные фосфаты, как высокоэнергетические фосфаты – полифосфаты, так и низкоэнергетические – различные фосфорилированные соединения. Но преимущества в использовании макроэргических фосфатов очевидны – только они способны трансформировать процесс с обратимого в необратимый. Этот момент становится ключевым при смене условий существования Прогенота, т.к. именно смена условий существования Прогенота сделает недоступным ранее успешное получение энергетически ценных фосфатов. В результате чего одним из условий выхода Прогенота из среды становится необходимость перехода на иной энергетический источник, а, значит, и на иные системы его генерации, которые будут уже доступны для него в новых условиях.

Уход от температурной зависимости нашелся в виде какой-то одной, пока еще единственной химической реакции, сопряженной с образованием АТФ. Переход на химический источник энергии стал для Прогенота величайшей «находкой», он изменил ход основополагающих процессов. Именно он позволил Прогеноту перейти на необратимый синтез белка и полинуклеотидов.  Он расширил метаболизм и сделал его независимым от ранних условий существования – это первая предпосылка к выходу из среды.

Получается, что Прогенот изменялся и приспосабливался неоднократно. Но тогда возникает вопрос: каковы генетические возможности гибкости и приспособляемости Прогенота? Прогенот – это самовоспроизводящаяся система, которая бесконечно создает свои копии. Но эта система несовершенна, она с определенной периодичностью дает сбои. Измененные молекулы также структурированы, они копируются и накапливаются в среде. Кроме того, накопление разнообразного генетического материала идет в результате объединения цельных полинуклеотидных молекул и их фрагментов, а также в результате вырезания и утраты какой-то части генетического материала. Как известно, реакции по обмену генетическим материалом могут проходить самостоятельно, без участия специализированных ферментов (Chetverina et al., 1999). Все это способствует накоплению различных молекул. Эти молекулы – своего рода библиотека нуклеиновых кислот, которая нестабильна и части которой разбросаны по всей области среды. С ними могут проходить различные изменения, но ни одно из них не приводит к какому-либо ущербу для репликации. Это связано с тем, что продукты их трансляции – белки, в которых также сохраняется ограниченная каталитическая активность. Получается, что какие бы молекулы не синтезировались, каким бы строением они не обладали, они все равно будут иметь ограниченный набор каталитических реакций. Ситуация напоминает изначальное положение вещей, когда в условиях термического синтеза могли образовываться различные белковые молекулы, но каким бы строением они не обладали, они все равно в силу отсутствия в среде различных ионов, кофакторов и неполного аминокислотного состава, будут иметь только определенные виды каталитических реакций. Различия в ситуациях заключаются в том, что при неспецифическом термическом образовании белка строение молекул повторить фактически не возможно, тогда как во втором случае они легко воспроизводимы, поскольку это уже не просто белки, а продукты определенных генов.

С этого момента становится понятна дальнейшая судьба Прогенота – стратегия его молекулярной эволюции. Теперь, при наличии геномной библиотеки, части которой разбросаны по всей области среды, Прогенот приобретает способность противостоять любым неблагоприятным факторам. Попадание какой-либо органической молекулы или иона металла в среду, где обитает Прогенот, будет приводить к открытию новых, ранее не существовавших каталитических реакций. За счет огромного разнообразия белковых структур появляется огромное разнообразие реакций. И, фактически, все эти реакции будут приводить к уничтожению Прогенота. Уничтожение распространяется по всей среде по мере распространения губительного фактора. Но за счет наличия у Прогенота «геномной библиотеки», появляется возможность найти в какой-то части среды именно тот Прогенот, который будет содержать подходящий ген. Продукт подходящего гена – это белок, в котором хоть и откроется какая-то каталитическая активность (что почти обязательный атрибут для третичных структур), но она все равно позволит сохранить саморепликацию. Этот Прогенот выживет, а «удачный ген» станет его неотъемлемой частью, он  размножится по всей среде и будет вновь готов к встрече уже с другим неблагоприятным фактором. Такое событие повторяется неоднократно, и каждый раз находится среди огромной массы ненужных генов подходящее генетическое решение, которое становится его составной частью, неизбежно открывая для него новые каталитические реакции,  усложняя его деятельность. Формируется забавный феномен – с какими бы трудностями ни сталкивался бы Прогенот, он все равно находит гены «выживания». Можно сказать, что в этом заключается настоящее бессмертие Прогенота – обладание потенциальной информацией сводится к её бесконечному поиску. В этом суть и основа понимания генетической селекции.

Открытие каталитических реакций идет параллельно с процессом  самоорганизации. Множество каталитических реакций формируют метаболические пути, но из всего этого разнообразия будут сохраняться только удачные варианты организации, те, которые дают не только выжить Прогеноту, но и позволяют достаточно эффективно конкурировать за субстрат с другими вариантами организаций Прогенотов. К сожалению, постоянные изменения в молекулах не дают возможность проследить последовательность развития метаболизма. Вероятно, мы никогда не узнаем весь ход исторических событий. Сейчас важнее другое – возможность воспроизведения индуцированного раскрытия метаболизма в лабораторных условиях. Таким путем можно «обучать» Прогенот, давать ему возможность «созревать» в среде и проходить различные этапы развития.

Эффективность случайного подбора генов не вызывает сомнений. Природа часто демонстрирует нам высокую эффективность метода подбора генов «вслепую». Достаточно вспомнить пример с иммуноглобулинами: на любой чужеродный агент синтезируется подходящая белковая молекула. Но организм не имеет заранее подходящего гена, он его создает из весьма ограниченного набора, их общее количество около 700. Их случайная комбинация создает около 25 миллионов вариантов строения белка, и это только за счет непосредственного соединения генетических сегментов (Ройт, 1991). При этом, даже не учитывается все вообразимое разнообразие комбинаций сплайсинга, смещения рамки считывания, ошибки репликации и комбинации отдельных генетических фрагментов! Очевидно, что подходящий ген для Прогенота, среди огромного разнообразия генетического материала, будет находиться всегда, причем, очень быстро и даже не один.

Этот далекий от темы пример демонстрирует нам не только эффективность подбора генов «вслепую», но и эффективность самого принципа генообразования – образование новой молекулы путем комбинаций старых. Различия в примерах только в том, что иммуноглобулины образуются при комбинации молекул с участием специализированных структур, тогда как гены Прогенота комбинируются при спонтанных неконтролируемых реакциях. Последнее означает, что в условиях описанного отбора поиск новых вариантов строения генов будет идти в результате перетасовки уже отобранных и проверенных в работе генов. Такому свидетельству служат многочисленные повторы одинаковых белковых доменов в разных по функции белках.

 

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