Статья
АНАЛИЗ ЭТАПОВ ЭВОЛЮЦИИ БИОСТРУКТУР ДО СТРУКТУР, СПОСОБНЫХ ОБЪЯСНИТЬ БОЛЬШИНСТВО ЗАГАДОК ЗАРОЖДЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ КОДОВ. ЧАСТЬ 1
Телепнева Людмила Георгиевна, Харьковский институт
микробиологии и иммунологии им. И.И. Мечникова,
научный сотрудник
Аннотации
Рассмотрен первый этап создания биологической структуры (БС), оказавшей влияние на создание генетических кодов. Приведены характеристики двух её идентичных субъединиц и биологических добавок (БД), выявлено чрезвычайное значение величин плотности биосубъединиц БС и их БД в мире живой природы.
Ключевые слова: свойства; генетический код; биологическая структура; аминокислоты; кодоны; нуклеотиды; нуклеопротеиды; липопротеиды; белки; ферменты; химические элементы; сахара; влияние; плотность; плавательная плотность.
Consider the first phase of the biological structure (BS), which influenced the creation of genetic codes. The characteristics of its two identical subunits and biological additives (DB), revealed extreme importance density values biosubedinits BS and database in the world of wildlife.
Keywords: properties; the genetic code; the biological structure; amino acids; codons; proteins; nucleotides; nucleoproteins; lipoproteins; enzymes; chemicals; sugar; swimming density; influence, density.
УДК 577.2
Введение
В историческом плане вопрос об эволюции генов является важнейшим, поскольку эволюция генов связана с истоками жизни вообще и её совершенствованием в частности. Поскольку выявлена изначальная роль в происхождении жизни РНК, то предполагают, что начало эволюции генов датируется 3,5-4 млрд. лет назад, когда сформировались первые молекулы РНК, которые каким-то образом детерминировали синтез белков, т. е. были первыми хранителями генетической информации. Однако, когда выявилась необходимость в повышении эффективности синтеза белков, способность кодирования генетической информации перешла к ДНК, которая стала главным хранителем генетической информации. Что касается РНК, то она оказалась между ДНК и белком, став "переносчиком" информации. Конечно, эта гипотеза не имеет доказательств. Тем не менее, многие далее считают, что появление ДНК связано с усложнением структуры клеток и, следовательно, необходимостью кодирования большого количества информации по сравнению с РНК [19].
В этой связи чрезвычайно важно определить первую в мире биоструктуру (БС), которая не только сформировала бы весь мир РНК, но и логично могла объяснить, почему возникла необходимость привлечения в БС пятого биоэлемента, роль которого так замечательно подошла еще одному пиримидиновому производному - тимину (Т). А для этого чрезвычайно важно проанализировать этапы эволюционного становления БС, полностью завершившей создание универсального генетического кода.
1. Биоструктуры (БС), состоящие из двух идентичных субъединиц и одной биодобавки (БД), и их характеристики
Благодаря постоянному и беспорядочному броуновскому движению молекул воды [4] две идентичные по всем параметрам биомолекулы (БМ) способны не только встретиться, но и объединиться (агрегировать) в одну - двухсубъединичную биоструктуру (БС) - первую по счету на длительном эволюционном пути различных БС.
При этом заметим, что объединиться в БС двум идентичным биосубъединицам помогает их амфипатичность, т. е. наличие двух разнокачественных групп в составе этих субъединиц - гидрофобной, избегающей контакта с молекулами воды, и гидрофильной. Данные группы субъединиц на рисунке 1 окрашены в голубой и синий цвет.
Рис. 1. Эволюционно первые биостуктуры (БС), состоящие из двух идентичных субъединиц и одной "биодобавки" (БД), изображенной на этом рисунке в виде удлиненного цилиндра
В результате такого взаимодействия двух субъединиц БС, образуются две симметрично расположенные биобухты (ББ). Они, возникают в результате соприкосновения образующих этих двух субъединиц данной БС.
В эти ББ благодаря тому же постоянному и беспорядочному броуновскому движению молекул воды могли не только попадать, но и на некоторое время задерживаться своеобразные "биодобавки" (БД) этих БС - различные химические элементы, получившие впоследствии название биоэлементов, и другие биомолекулы (БМ), меньшего поперечного сечения и иной плотности, чем субъединицы, создавшие БС.
Но зачем же понадобилась БД различным БС? Дело в том, что каждая из липидных молекул по отдельности была окружена молекулами воды, а при объединении этих субъединиц БС воедино, количество таких молекул воды уменьшалось. Следовательно, и тепловая защита субъединиц БС при этом уменьшалась. Чтобы восстановить её величину, желательно было воспользоваться другими органическими веществами, имеющими более высокие значения температур плавления (Тпл.), а также использовать в качестве БД химические элементы, имеющие порою более высокие значения Тпл., чем у липидных субъединиц.
Действительно, Тпл. глицина 290°C, удельная теплота испарения ?528,6 Дж/кг, а у натрия - 97,8 °С и 97,9 кДж/моль. У кальция эти же характеристики - 837,85 °С и 153,6 кДж/моль, у воды удельная теплота испарения при 30 °С 2430 кДж/моль [3].
Поскольку в роли БД БС могут выступать как биомолекулы, так и химические элементы и их соединения. Напомним, что гидрофильностью обладают вещества с ионными кристаллическими решётками (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, глины, стёкла и др.), а также вещества органической природы со следующими полярными группами: -ОН, -СООН, -NO2 и другими [5]. Причем все они имеют разную величину плотности. биологическая субъединица генетический добавка
В этой связи отметим, что увеличение плотности слоя воды объясняется либо значительным отличием его температурных характеристик от окружающей воды (то есть термоклином), либо его повышенной соленостью.
Так, морская вода с солёностью 35 % при температуре 25 °С имеет плотность 1,02412 г/см3, в то время как чистая вода - 0,9971 г/см3. Различны у этих вод и точки замерзания: 0,00 °C - у чистой воды и -1,91 °C у морской при той же солености [7].
Благодаря нарастанию солености плотность воды увеличивается от экватора к тропикам, а в результате понижения температуры - от умеренных широт к Полярным кругам. Зимой происходит опускание полярных вод и их движение в придонных слоях к экватору, поэтому глубинные воды Мирового океана в целом холодные, но обогащенные кислородом.
Под действием силы тяжести, под влиянием ветра, притяжения Луной и Солнцем и других факторов происходит движение воды. При движении вода перемешивается, что позволяет равномерно распределяться водам с разными показателями солености, химического состава и температуры [8].
Вследствие этого, если в качестве таких БД выступали аминокислоты, то сразу же становится понятным, что их первичный и самый строгий отбор осуществлялся с помощью только двух субъединиц первичной БС.
В таком случае уже эти первые БС, состоящие из двух взаимодействующих нуклеотидов, могли невольно для себя начать отбор аминокислот для будущего использования их в строительстве белков, и это обстоятельство непосредственно отразилось затем на роли первых двух нуклеотидов в трехнуклеотидном кодоне.
В то же время симметричность расположения двух ББ в первой БС, невольно разделяла их БД на две большие группы, а использование в качестве такой БД аминокислот заложило еще и такие свойства генетического кода как симметричность кодонов и их комплементарность.
В связи с этим отметим, что именно наличие сразу двух ББ, неизбежно способствовало разделению аминокислот, выбранных БС, на две большие группы. Это обстоятельство, в свою очередь, привело к наличию двух классов аминоацил-тРНК-синтетаз (АРСаз, aaRS, аа-тРНК синтетаза, фермент КФ 6.1.1) - важнейших ферментов внерибосомного этапа белкового синтеза, осуществляющих реализацию генетической информации и в сумме составивших 20 единиц.
Каждая АРСаза специфична только по отношению к одной из 20 аминокислот, входящих в белки, и к одной или нескольким тРНК [1].
Первый класс АРСаз включает ферменты, катализирующие синтез аминоацил-тРНК следующих аминокислот: аргинин (Арг, Arg, R, C6H14N4O2, 1,1 г/смі), валин (Вал, Val, V, C5H11NO2, 1,230 г/смі), глутамин (Глн, Gln, Q, C5H10N2O3), глицин (Гли, G, Gly, C2H5NO2, 1,607 г/смі), изолейцин (Иле, Ile, I, C6H13O2N), лейцин (Лей, Leu, L, C6H13N1O2, 1,191 г/смі), метионин (Мет, Met, M, C5H11NO2S, 1,340 г/смі), тирозин (Тир, Tyr, Y, C9H11NO3, 1,456 г/смі), триптофан (Три, Trp, W, C11H12N2O2), цистеин (Цис, Cys, C, C3H7NO2S) [3].
Второй класс АРСаз включает ферменты, катализирующие синтез аминоацил-тРНК следующих аминокислот: аланин (Ала, Ala, A, C3H7NO2, 1,424 г/смі), аспарагин Асн, Asn, N C4H8N2O3, 1,346 г/см 3), аспарагиновая кислота (Асп, Asp, D, C4H7NO4, 1,67 г/смі), гистидин (Гис, His, H, C6H9N3O2), глицин (Гли, G, Gly, C2H5NO2, 1,607 г/смі), лизин (Лиз, Lys, K, C6H14N2O2), пролин (Pro, Про, P, C5H9NO2, 1,186 г/смі), серин (Сер, Ser, S, C3H7N1O3, 1,537 г/смі), треонин (Тре, Thr, T, C4H9NO3), фенилаланин (Фен, Phe, F, C9H11NO2, 1,29 г/смі) [3].
Причем оказалось, что АРСазы 1-го класса обеспечивают перенос аминоацильной группы сначала ко второй 2'-ОН-группе терминального остатка адениловой кислоты, затем перемещение её к 3'-ОН-группе (путем реакции трансэтерификации), в то время как ферменты 2-го класса катализируют перенос аминоацильной группы непосредственно к 3'-ОН-группе концевого аденилового нуклеотида.
Принято считать, что в добелковой жизни (РНК-мире) функцию АРСаз, участвующих в синтезе белка, выполняли, по всей видимости, рибозимы, то есть молекулы РНК, обладающие каталитическими свойствами [1].
В таком случае, вполне вероятно, что на первом этапе создания рибосом, их две половинки были почти идентичными, как и два соседних домена у различных доменных белков, цепи которых используются в современных ферментах и рецепторных белках.
В этой связи напомним, что белковый домен представляет собою компактную глобулу, способную существовать или сама по себе, или входить в состав более крупного белка наряду с другими доменами [2].
Однако не только образующие двух доменов могли образовывать ББ. Эволюционно ранее ББ могли образовываться в виде изгибов даже небольшой белковой цепи (например, трипептида). А для создания таких резких изгибов как нельзя лучше подошла аминокислота пролин, обладающий 4-мя кодонами-синонимами (кодонами одной серии): CCU, CCC, CCA, CCG), синтезирующийся в организме из глутаминовой кислоты.
В составе белков атом азота пролина не связан с атомом водорода, таким образом, пептидная группировка X-Pro не может быть донором водорода при формировании водородной связи. Вследствие этого в местах локализации пролина, обладающего конформационно жесткой структурой, возникают неполноценные пептидные связи, и полипептидная цепь образует изгибы и зигзаги.
Данное свойство пролина очень пригодилось при создании рецепторных белков, обычно имеющих несколько доменов, поскольку эта аминокислота играетважную роль при образовании третичной структуры белка. Так, участки белков с высоким содержанием пролина часто формируют вторичную структуру полипролиновой спирали II типа [12].
В клетках мозга из пролина синтезируется глутамат - важнейший нейромедиатор. L-пролин содержится во всех природных белках. Особенно богаты им растительные белки - проламины, белки соединительной ткани (10-15 % в коллагене), в-казеин. L-Pro входит в состав инсулина, адренокортикотропного гормона, грамицидина С и других биологически важных пептидов. Попутно заметим, что D-пролин входит в состав некоторых алкалоидов.
Без этой аминокислоты восстановление тканей было бы невозможно, поскольку пролин дегидрогеназа - важный фермент, который задействован в апоптозе (естественной смерти клетки), во многом тем самым способствующем обновлению клеток тканей и органов.
Поскольку в качестве БД двухсубъединичных БС могут выступать не только аминокислоты, но и химические вещества, отобранные их ББ, представляют чрезвычайный и несомненный интерес следующие факты, указывающие на непосредственное и сложное влияние одних разновидностей БД на другие разновидности БД в одной и той же БС.
Это обстоятельство, в свою очередь, привело к появлению у катализирующих БС активаторов (увеличивающих скорость каталитической реакции) и ингибиторов.
Невольным подтверждению этого вывода являются следующие факты.
В последнее годы стало известным [13], что пролин активно синтезируется на заключительной стадии созревания винограда. Причем повышенное содержание пролина обнаружено в винограде, выращенном при недостатке в почве бора и марганца, а пониженное - при дефиците цинка и молибдена.
Известно также, что пролин дегидрогеназа обеспечивает возможность создания супероксида (надпероксида) - активных, богатых электронами кислородных частиц. Супероксид, в свою очередь, вовлечен в процесс разрушения поврежденных клеток и играет важную роль в предотвращении развития и распространения раковых опухолей.
Примечательно, что обычно пролин дегидрогеназа передает электроны в митохондриальную мембрану, не позволяя им соприкасаться с кислородом для создания реактивных молекул супероксида.
Попутно отметим, что митохомндрия-двумембранная гранулярная или нитевидная органелла толщиной около 0,5 мкм. Митохондрия, характерная для большинства эукариотических клеток, как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные), отсутствует у бактерий.
Если в клетке нарушается работа митохондрий, то они переключаются на другой путь получения энергии - гликолиз. При этом образуется молочная кислота, разрушающая коллагеновый матрикс, соединяющий клетки между собой. В результате этого часть таких клеток, способна покинуть свое место и перемещаясь в организме, образовывать опухоли в других частях тела - метастазы.