Главный закон живой природы и его основные исполнители, стоящие у истоков создания генетического кода. Часть 1

УДК 577.2

"Тот, кто, обращаясь к старому, способен открывать новое, достоин быть учителем».
Конфуций (ок. 551 до н. э., Цюйфу - 479 до н. э.).

Вместо введения.

Данная статья посвящена моим многочисленным Учителям, встреченным на жизненном пути в разнообразных детских и юношеских кружках, школах, Харьковском авиационном институте, Физико-техническом институте низких температур АН УССР и Харьковском научно-исследовательском институте микробиологии и иммунологии им. И.И. Мечникова. Это о них так замечательно и верно сказали выше известный русский поэт и древний китайский мыслитель. Конфуций автор и другого не менее известного афоризма: «На самом деле, жизнь проста, но мы настойчиво её усложняем.»

Поскольку для науки до сих пор остается загадкой, каким образом неживая материя преобразовалась в живую, попробуем проверить правоту высказывания Конфуция о жизни на Земле с позиции нынешних знаний о биологической структуре (БС), названной по году и месту проведения конференции ГИСАП, на которой она впервые была представлена «Биологической системой «Одесса-Лондон-2012»» («БСОЛ-2012» или просто БСОЛ). Ведь БСОЛ, по сути, – единица гена [6].

1. Жизнь, генетический код, принцип компактности генетической записи и особенности сборки «БСОЛ-2012».

Natura enim simplex est («Природа проста»)

Исаак Ньютон (25.12.1642-20.03.1727).

Подобно генетическому коду (genetic code), бесстрастно и убедительно свидетельствующем о единстве происхождения жизни на Земле, содержание многих ионов в организмах представителей живой природы, приблизительно соответствующее их концентрации в морской воде, указывает как на единство неживого и живого миров, так и на то, что жизнь на Земле, скорее всего, могла зародиться именно в морской среде.

В связи с тем, что жизнь на Земле зародилась в водной среде и при создании генетического кода были непосредственно задействованы органические соединения (в частности, нуклеотидные молекулы, аминокислоты и кодазы), сразу же напомним некоторые их краткие характеристики.

В клетке имеется такое количество разных тРНК, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты. У каждой тРНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в мРНК — антикодон [7].

Свободные аминокислоты составляют примерно 0.5% от веса клетки, а входящие в состав белков - около 15%. Все аминокислоты поглощают в дальнем ультрафиолете (менее 220 нм). Три аминокислоты поглощают свет в близком ультрафиолете. Наиболее сильно поглощает триптофан (максимум поглощения около 280 нм), значительно слабее тирозин (280 нм) и еще слабее фенилаланин (около 260 нм) [3].

Кодазы (Аминоацил-тРНК-синтетаза, АРСазы) обеспечивают соответствие нуклеотидным триплетам генетического кода антикодону тРНК) встраиваемых в белок аминокислот, и, таким образом, обеспечивают правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосомах. Для каждой протеиногенной аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза [1].

Весь процесс построения протеина по карте ДНК состоит из двух больших подпроцессов — транскрипции и трансляции, и в них участвуют ген, мРНК, тРНК и рибосома, и еще много других участников, обслуживающих их [4].

Попытаемся показать возможную связь между названными выше объектами эволюции живой природы и объяснить некоторые особенности генетического кода c позиций их свойств, а также свойств и структуры БСОЛ.

Общеизвестно, что в биоорганическом мире нарушена зеркальная (хиральная) симметрия: в противоположность неживой природе в биосфере используются только левые молекулы аминокислот и только правые молекулы сахаров. В этом и состоит одно из отличий живой природы – от мертвого неорганического мира.

В этой связи обратим особое внимание на тот факт, что все аминокислоты можно представить состоящими из трех частей или составляющих: аминогруппа - NH₂, карбоксильная группа - COOH, а также часть, содержащая радикал – R, атом водорода и α-атом углерода (в центре) (см. рис.1).

Рисунок 1. Общая структура аминокислот (кроме пролина), представленных в L-конфигурации (L –форме) и составляющих белки [2].

На приведенном выше рисунке отчетливо видно, что в каждой из этих трех частей аминокислоты находится хотя бы один атом водорода, расположенный выше плоскости, в которой располагается центральный атом углерода (см. рис. 1). Отметим также, что ниже этой плоскости один атом водорода есть в аминогруппе и в радикале аминокислот их может быть несколько, однако атома водорода в карбоксильной группе в данном случае нет. Именно это обстоятельство и затрудняет D-аминокислоте – оптическому изомеру (стереоизомеру) протеиногенной аминокислоты обзавестись своим трехнуклеотидным кодоном.

Вполне возможно, что именно наличие этих трех атомов водорода и помогает одной аминокислоте, находящейся в L-конфигурации (L-форме), связываться с тремя нуклеотидами, образуя при этом довольно интересную объемную биоструктуру (БС), состоящую из одной аминокислоты и трех нуклеотидов (см. рис. 2а, 2б и 2в). В дальнейшем люди назвали эту «нуклеотидную троицу» кодоном (codon) и даже доказали, что кодон и в самом деле триплетен (triplet) и принадлежит только одной аминокислоте.

а	б
в	г

Рисунок 2. Объемная форма существования биоструктуры (БС) – БСОЛ (рис.2г), объясняющей многие загадки генетического кода, и её составляющие, из которых она способна собираться при разборки одной из них (рис.2а,2б и2в).

В этой связи обратим особое внимание на тот факт, что в данной БС два из трех нуклеотидов располагаются своими основаниями перпендикулярно друг к другу, а третий нуклеотид взаимодействует с ними и аминокислотой своей образующей. При этом аминокислота находится в бухте нуклеотидного канала, образованной двумя взаимно перпендикулярными нуклеотидами. Один из этих нуклеотидов повернут к аминокислоте своим цилиндрическим основанием, а другой – цилиндрической образующей. В тоже время третий нуклеотид кодона, не имеющий непосредственной связи с этой аминокислотой не позволяет ей выйти за пределы нуклеотидного канала. Благодаря нахождению аминокислоты в бухте, её свойства при записи определяются, в основном, двумя первыми нуклеотидами кодона. Именно поэтому и создается ложное впечатление о наличии первичного двоичного кода в эволюции живой природы.

Все названные выше БС при объединении способны создать «сборный нуклеопротеид» - БСОЛ, в котором при сборке образуется дополнительный четвертый канал для расположения в нём дополнительной (четвертой) аминокислоты. В этом дополнительном канале аминокислота, полученная из внешней среды, может занять позицию, аналогичную одной из трех «собственных» аминокислот БСОЛ. Данное обстоятельство обязательно скажется на положении БСОЛ в пространстве, а, следовательно, и на получении ею дозы электромагнитного излучения Солнца. В тоже время возможность попадания 4-ой аминокислоты в БСОЛ делает её открытой системой.

Особо подчеркнем, что для лучшего обзора конструкции БСОЛ она представлена на рис. 2г с одним снятым нуклеотидом, девятым по счету и идентичным остальным.

Однако для такой сборки БСОЛ одна из двух менее устойчивых её составляющих (т.е. представленных на рис.2а и рис.2в) должна быть разобрана на части, а две другие и целые повернуты относительно друг друга так, чтобы их взаимно перпендикулярно расположенные нуклеотиды, соприкоснувшись, образовали своими четырьмя основаниями квадратную структуру. После этого выступающая за пределы двух нуклеотидов часть аминокислоты целой составляющей БСОЛ объединяется с одним нуклеотидом из разобранной подсистемы, а оставшаяся её часть вместе с третьей аминокислотой и нуклеотидом, взаимодействующим с нею боковой поверхностью, присоединяется к объединенным целым частям уже с противоположной стороны БС.

Насколько данное решение для сборки БСОЛ оказалось гениальной находкой природы, станет понятным в дальнейшем.

Однако для этого вначале заметим, что на рис. 2б, рис. 2г и рис.3 центральный нуклеотид БСОЛ, как и аминокислота, постоянно взаимодействующая с ним по его образующей, окрашены в зеленый цвет. Благодаря этому обстоятельству сразу же становится отчетливо видно, что данный суперэлемент со всех сторон максимально защищен от воздействия внешней среды. Суперэлементом БСОЛ - её нуклеотидной голограммой - называется субъединица, взаимодействующая с максимальным количеством идентичных ей субъединиц данной БС. Заметим также, что через суперэлемент такой БС проходят оси её симметрии как в объемной, так и в трех плоскостных формах существования БСОЛ. 

Забегая насколько вперед, особо подчеркнем, что в плоскостных формах существования образующая цилиндрического суперэлемента (та же субъединица БСОЛ, окрашенная на рис. 5 в зеленый цвет) непосредственно участвует в создании 20 её каналов (4-х больших и 16-ти малых), образующих при этом 64-е биобухты.

В тоже время наличие 4-х 3-х угольных каналов в объемной, кубической форме существования, создает 12 бухт, в которых могли задерживаться аминокислоты. Однако для эволюции важным было, чтобы хотя бы одна из этих бухт была свободной. Следовательно, изначально такая биоструктура могла в сумме принять только 11 аминокислот. Эти аминокислоты и должны быть для живых организмов незаменимыми, поскольку отбирались в свою структуру – единицу гена – БСОЛ изначально. Такими 11 аминокислотами для птиц являются: метионин, лизин, триптофан, аргинин, валин, гистидин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин и глицин [5].

Способность БСОЛ при сборке к разборке менее устойчивой подсистемы на отдельные субъединицы и дальнейшее их использование, а также наличие четвертого дополнительного канала для свободных аминокислот, берущихся из окружающей среды, делает эту БС открытой. Вода, в которой зародилась жизнь, тоже является открытой системой и обменивается энергией и веществом с окружающей средой.

В тоже время, свободная аминокислота, не связанная непосредственно с кодонами БСОЛ, могла попадать в четвертый канал и задерживаться там надолго с трудом. Поэтому три бухты этого канала надолго стали стоп-кодонами генетического кода. А научили аминокислоты попадать и надолго удерживаться в четвертом канале БСОЛ кодазы, превратившие одну антикодонную разновидность БСОЛ в тРНК. В тоже время БСОЛ, не взаимодействующие с кодазами, стали представителями кодонных БСОЛ, или другими словами, мРНК-овых БСОЛ.

К тому же описанное выше расположение аминокислот в такой биоструктуре определяет их последовательное соединение при объединении нескольких БСОЛ, а, следовательно, и причину линейности первичной структуры нуклеотидных цепей и белков (рис. 3), а также такие свойства генетического кода, как колинеарность (соответствие линейной последовательности кодонов мРНК и аминокислот в белке) и однонаправленность (кодоны считываются в одном направлении –от первого нуклеотида к последующим).

Рисунок 3. Три последовательно соединенных БСОЛ-2012 – единиц гена, образуют нуклеопротеидную цепочку. Начало единиц гена – БСОЛ - окрашено в светло-коричневый цвет, а конец единицы гена с её свободным четвертым, дополнительным каналом для аминокислот окрашен в коричневый цвет.

О специфичности генетического кода, как и о его триплетности, уже говорилось выше, поскольку для определенного положения аминокислоты в пространстве, ей необходимы только определенные кодоны, которые из-за этого не могут быть использованы для другой аминокислоты.

Кроме того, благодаря временному удалению 9-го нуклеотида с БСОЛ, представленного на рис. 2г, отчетливо видно, как в природе могли возникнуть три рамки считывания генетического кода с одного и того же генетического материала. Так, возникновение рамки со сдвигом на одно основание влево по отношению к центральному элементу БСОЛ (её суперэлементу) наглядно демонстрирует аминокислота, окрашенная на рисунке 2б в сиреневый цвет. Причину сдвига рамки на одно основание вправо относительно суперэлемента БС объясняет позиция аминокислоты, окрашенной здесь в красный цвет.

Следовательно, принцип компактности генетической записи присущ уже такому сборному нуклеопротеиду - единице генома, представленному на рис. 2г. и получившему название БСОЛ-2012 или БСОЛ.

Заключение.

Создание таких подсистем БСОЛ позволяет объяснить причину мнимой двоичности генетического кода и принцип компактности генетической записи - наличие нескольких типов считывания генетической информации с одного участка генома, а также колинеарности и однонаправленности.

Появление в результате сборки четвертого канала БСОЛ делает эту биоструктуру изначально открытой, поскольку в неё может попасть аминокислота, аналогичная трем её собственным аминокислотам, но находящаяся во внешней среде. Помимо этого, именно такая особенность сборки БСОЛ объясняет причину появления аутофагии у всех представителей живой природы. Также становится понятным, почему в репликационных вилках синтез ДНК идет в направлении 5’-3’ по одной дочерней цепи и в направлении 3’-5 - по другой. Это обстоятельство, в свою очередь, позволяет создавать комплементарные нуклеотидные цепи, а их удвоение приводит к размножению БСОЛ.

Следовательно, живые организмы с самого начала, как и вода, являются сложными, самоорганизующимися системами с характерной структурой и зависимостью от температуры и показаний рН. Причем самоорганизация БСОЛ в водной среде поддерживалась броуновским движением молекул воды, термальной энергией магмы и вулканической деятельностью Земли, с одной стороны, и солнечной активностью, с другой.

Поскольку аминокислоты поглощают энергию в другом диапазоне волн, чем нуклеотиды, их включение в БСОЛ, расширяло диапазон энергии, полученной из внешней среды. Помимо этого, они скрепляли БСОЛ и помогали им объединяться с себе подобными БС.

Показано, что все мутационные события на молекулярном и квантовом уровне ограничены кубом, в пространстве которого умещается не более 1000 атомов [8]. В этой связи отметим, что БСОЛ в объемной форме существования напоминает куб, а в качестве его мутаций могут выступать: утрата одной или нескольких его аминокислот (которая может исправляться самой БС) и замена его аминокислоты на другую (позволяющую расширить ариал БСОЛ и её разнообразие), а также замена внешнего нуклеотида на другой, закрепленная в потомках изменением нуклеотидного состава.

БСОЛ обладает совершенной системой восстановления генетических повреждений, поскольку четвертый дополнительный канал позволяет свободной аминокислоте не только войти в него, но и случайно занять в ней позицию, характерную для аминокислоты, утраченной до этого БС. В свою очередь, идентичность нуклеиновых составляющих и аминокислот, характерная для создания таких БС, тут же приведет к тому, что канал с утраченной аминокислотой сразу же станет в такой «дополненной» БСОЛ свободным четвертым каналом, т.е. БСОЛ вернется в «дикое» или «первичное» состояние.

В тоже время попадание 4-ой аминокислоты в БСОЛ, содержащей до этого три собственных аминокислоты, приводит к превращению её в БС, состоящую из двух подсистем: пятинуклеотидной тРНК, способной переносить свободную аминокислоту в четвертом дополнительном канале, и «защитной рубашки нуклеиновой цепи» (ЗРНЦ), образованной четырьмя наружными нуклеотидами БСОЛ.

Поскольку тРНК имеет в своем составе антикодон, такую БСОЛ можно представить в виде мРНК, содержащей антикодоны, т. е. в качестве одноцепочечной РНК отрицательной полярности, защищенной от внешнего воздействия ЗРНЦ. Благодаря тому, что данная мРНК имеет четвертую аминокислоту, дополнительно скрепляющую подструктуру из 5 нуклеотидов, такая БСОЛ будет более долгоживущей, чем БСОЛ с мРНК, содержащей кодоны.

В таком случае БСОЛ со свободным от аминокислоты четвертым каналом может выступать в качестве одноцепочечной РНК позитивной полярности, т. е. состоящей из мРНК, содержащей в своей последовательности нуклеотидов план создания белка, защищенной ЗРНЦ от внешнего воздействия.

Рецензии:

27.02.2019, 9:00 Манин Константин Владимирович
Рецензия: Уважаемая Людмила Георгиевна! Ваша статья написана интересным языком и очень информативна. Позвольте задать несколько вопросов: 1. В чем отличие данных биоструктур и известных до этого первичной, вторичной и четвертичной структуры ДНК? Хотя по сути вы описываете именно данных конформационные перестройки ДНК. 2. Чем теория Опарина-Холдейна не устраивает научную общественность? С уважением Манин К.В.