Статья опубликована в №67 (март) 2019
Разделы: Биология
Размещена 25.02.2019. Последняя правка: 24.02.2019.
Просмотров - 1332

Главный закон живой природы и его основные исполнители, стоящие у истоков создания генетического кода. Часть 2

Телепнева Людмила Георгиевна

пенсионер

пенсионер

УДК 577.2

Введение

В первой части работы было высказано предположение о том, что БСОЛ может состоять из мРНК и её защитной оболочки. Попытаемся обосновать это предположение более аргументированно, поскольку мРНК является матрицей для синтеза белка.

2. Часть единиц генома – БСОЛ - может состоять из мРНК и «защитной рубашки» нуклеиновой цепи или ЗРНЦ, а другая - содержать тРНК и ЗРНЦ.

Благодаря особенностям сборки в единице генома - БСОЛ - легко выделить две части: внутреннюю – нуклеиновую цепь (составленную из 5 нуклеотидов, соединенных стэковскими связями) и наружную часть – «защитную рубашку этой нуклеиновой цепи», состоящую из четырех наружных нуклеотидов или ЗРНЦ.

В полностью укомплектованной БСОЛ каждый из её 4-х наружных нуклеотидов, входящих в состав ЗРНЦ, дополнительно может образовывать линейные связи с каждым из трех внутренне расположенных нуклеотидов, соединенных между собой стэковыми связями.

Отметим также, что четыре наружных нуклеотида БСОЛ не только создают «защитную рубашку нуклеотидной цепи» (ЗРНЦ) для центральной нуклеотидной части БС, но и дополнительно позволяют 4-м аминокислотам и пятинуклеотидной цепи удерживаться в ней.

Обратим особое внимание на тот факт, что все аминокислоты в БСОЛ могут располагаться только вдоль её части, созданной из 5 цилиндрических нуклеотидов, соединенных друг с другом основаниями цилиндров, т. е. вдоль самой крепкой части такой БС. Это обстоятельство и привело к тому, что все нуклеиновые цепи и белки изначально (первично) линейны.

В результате этого описанные выше связи между нуклеотидами БСОЛ и аминокислотами делают её не только очень прочной, но и логично объясняют присутствие одноцепочечных нуклеиновых цепей ДНК-овых или РНК-овых как у внеклеточных представителей живой природы (вирусов), так и у клеточных (бактерий, археев и эукариот).

Особо подчеркнем, что именно наличие подструктуры, собранной из 5 описанных выше нуклеотидов, позволило БСОЛам и их постоянно эволюционирующим потомкам выбрать для создания нуклеотидных цепей пять разновидностей нуклеотидов.

Помимо этого, присутствие пяти разновидностей нуклеотидов и наличие 4-х каналов для аминокислот в каждой из БСОЛ и позволило ей выделить из огромной массы существующих в природе аминокислот только 20 протеиногенных, среди которых есть пять четырекодонных аминокислот. Это: глицин (Gly, G; GGU, GGC, GGA, GGG; Т плав. 233°C; 1.61 г/см³; встречаемость в белках 7.03%), аланин (Ala, A; GCU, GCC, GCA, GCG; 295-316 °C; 1,42 г/см³; 8.76%), валин (Val, V; GUU, GUC, GUA, GUG; 298°C; 1,32 г/см³; 6.73%), треонин (Thr, Т; ACU, ACC, ACA, ACG; 256 °C; 5.53%) и пролин (Pro, P; CCU, CCC, CCA, CCG; 1.35-1.38 г/см³; 205°C; 5.02%) [2].

РНК является полианионом, ибо фосфатные группы при физиологическом рН заряжены отрицательно. Благодаря этому только две протеиногенные аминокислоты - глютамат и аспартат, участвующая в синтезе метионина и треонина, обладают отрицательным зарядом.

Поскольку единицы генома могут собираться в двух противоположных направлениях по отношению к супер-элементу биосистемы, БСОЛ, в которой её нуклеотиды представлены в антикодонном порядке, могли выступать в роли будущей тРНК-овой БСОЛ. Тогда БСОЛ, в которой нуклеотиды представлены в кодонном порядке, можно рассматривать в роли будущей мРНК-овой БСОЛ. Поскольку четвертая аминокислота дополнительно укрепляет БСОЛ, становится понятным, почему мРНК составляют всего лишь 3% от всей РНК клетки, а более длительно живущие тРНК - 10-15 % всех клеточных РНК.

В силу приведенных выше фактов становится очевидным не только необходимость сохранности дополнительной аминокислоты в БСОЛ, но и её точной и быстрой доставки к тРНК. Именно поэтому и были отобраны эволюцией аминоацил-тРНК-синтетазы или кодазы. Из-за того, что в четыре канала БСОЛ аминокислоты могли входить с двух сторон, было создано два класса кодаз. А поскольку в каждой БСОЛ есть три собственных аминокислоты, каждый класс кодаз разбился на три подкласса.

Таким образом уже изначально БСОЛ могла отобрать 8 аминокислот, в том числе ставших незаменимыми для человека, поскольку в каждый канал аминокислоты могли заходить с разных концов данной биоструктуры. Это обстоятельство невольно породило симметричность кодонов генетического кода. Однако, одновременно в каналах БСОЛ могла находиться только одна аминокислота.

Поскольку объединение единиц генома в генную полимерную цепочку (т. е. рост нуклеиновых цепей) происходит в направлении от 5'-конца молекул к их 3'-концу, становится ясным, почему комплементарные цепи всегда антипараллельны (т. е. направлены в разные стороны). Учитывая эти факты, можно предположить, что началом любой БСОЛ может служить её нуклеотид, у сахара которого свободно 5-е положение атома углерода. В то же время на другом конце БСОЛ будет находиться нуклеотид, у сахара которого свободно 3-е положение атома углерода.

Наличие трех собственных аминокислот БСОЛ приводит к тому, что они располагаются в водной среде свободным каналом вверх, в результате этого основания цилиндрических нуклеотидов ЗРНЦ станут не параллельными общепринятым осям х-y- z. В то же время попадание четвертой аминокислоты из окружающей среды, аналогичной или близкой по величине плотности её собственным аминокислотам, в четвертый дополнительный канал БСОЛ (образованный при её окончательной сборке) обязательно приводит к изменению положения БСОЛ в пространстве и превращению её в тРНК, несущую аминокислоту. При этом четыре её наружных нуклеотидов становятся параллельными общепринятым осям Четыре устойчивых положения БСОЛ в пространстве в зависимости от наполнения её аминокислотных карманов аминокислотами представлены в работе Л.Г. Телепневой [5].

Описанное выше обстоятельство и позволило в дальнейшем проводить рибосомный синтез клеточным представителям живой природы. При этом первый малый канал биоструктуры синтеза белка образуется из мРНК-овой БСОЛ и рРНК двух субъединиц рибосомы.

Когда в такой канал попадает аминокислота метионин, поставляемая в неё малой субчастицей рибосомы эукариот, или же формилметионин при синтезе белка у прокариот, мРНК-овая БСОЛ временно начинают выполнять функцию тРНК-ковой БСОЛ (т.е. превращаются в БСОЛ, содержащую в 4-м канале аминокислоту). Особо подчеркнем, что в дальнейшем в четвертом канале такой измененной мРНК-овой БСОЛ может находиться и последняя аминокислота растущей белковой цепи.

Вызванное этим изменение положения мРНК-овой БСОЛ в пространстве способствует более длительному контакту её кодона с антикодоном тРНК-овой БСОЛ и образованию нового биокомплекса, состоящего теперь из рРНК двух субъединиц рибосомы, измененной мРНК-овой БСОЛ и тРНК-овой БСОЛ с принесенной ею аминокислотой. В результате этого возникает второй малый канал белоксинтезируемого комплекса, образованный мРНК, тРНК и большой субъединицей рибосомы.

Следует также заметить, что данный белоксинтезирующий биокомплекс всегда будет иметь ромбовидную форму, поскольку даже большой его реакционный канал, в котором осуществляется синтез пептидной связи имеет вид частного случая ромба – квадрата. Он возникает в случае сдвижки двух пар нуклеотидных цепей (т. е пары рРНК малой и большой рибосомы и второй пары нуклеотидных цепей, состоящей из измененной мРНК- и тРНК-овых БСОЛ) относительно друг друга. При этом внутренний вакуум такой биоструктуры снижает порог активации концов аминокислот, что приводит не только к образованию пептидной связи, но и к появлению молекулы воды, способствующей отделению данной тРНК-овой БСОЛ от нуклеиновой цепи мРНК и перемещению рибосомы по ней на очередной кодон.

В кубической форме существования БСОЛ величина данного передвижения равна суммарной толщине трех нуклеотидов, с которыми взаимодействует аминокислота.

Таким образом, рибосомный синтез характерен для объемной, кубической формы существования БСОЛ, в котором принимают участие 4-ре нуклеиновые цепи и обслуживающие этот процесс разнообразные и многочисленные белки.

Поскольку сохранность молекулы воды, образованной таким способом, важна для организма, многие представители живой природы (бактерии, археи и эукариоты) обзавелись липидно-белковой оболочкой и стали клеточными и рибосомокодирующими организмами (ribosome-encoding organisms, REO) [6].

В этой связи напомним, что синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре – ядрышке. При этом свободные рибосомы обычно производят белки, функционирующие в цитозоле, тогда как связанные рибосомы (т. е. связанные с эндоплазматическим ретикулумом) синтезируют белки, либо включающиеся в мембраны клетки, либо экспортирующиеся из клетки. Среди последних могут быть и белки теплового шока (шапероны), помогающие другим белкам принять определенную конформацию.

Отсюда следует прямой выход на создание прионов – особого класса инфекционных агентов, представленных белками с аномальной третичной структурой и не содержащих нуклеиновых кислот.

В соответствии с потребностями метаболизма клетка может менять количество рибосом поскольку они все взаимозаменяемы. Примерно 80-85% всей бактериальной РНК находится в рибосомах, а рибосомные РНК бактерий являются «молекулярными часами эволюции». Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов [1, 4, 7].

Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли, что необходимо для поддержания структуры, при этом Mg составляет до 2 % сухой массы рибосом. Ионы этого же металла стабилизируют также тРНК и ДНК, однако ионы меди действуют противоположно.

Попутно отметим, что кубическая форма существования БСОЛ годна и для создания спиральной формы существования генетической информации. Именно поэтому с её помощью происходит проверка комплементарности четырех нуклеотид перед делением клетки на две. При этом каждая из спиральных нуклеотидных цепей вдвигается в другую, образуя тем самым нуклеотидный цилиндр, а затем, после такой окончательной проверки генетической информации, попарно растягивается в две разделившиеся клетки.

Это подтверждает утверждение о том, что для контакта и создания с его помощью биокомплекса, важны не только величины плавучей плотности его составляющих, но и их положение в пространстве (рис.1).

 

 

Рисунок 1. Положения БСОЛ в пространстве при разном содержании в ней аминокислот (маленький кружок - аминокислота, взаимодействующая с нуклеотидами БСОЛ-2012) [5].

Поскольку изменение положения БСОЛ в пространстве напрямую связано с изменением получаемой ими солнечной энергии, в них все чаще стали использоваться нуклеотиды ЗРНЦ с разной величиной плавучей плотности, благодаря чему стали появляться кодоны-синонимы и появилась возможность образования двуцепочечных нуклеотидных цепей.

Способность к выживаемости у живых объектов напрямую связана со способностью быстро создать себе копию. Поэтому БСОЛам важно было научиться принимать и горизонтальные формы существования, о которых расскажем в следующей части данной работы.

Заключение

Сборка трех идентичных подсистем БСОЛ – объединяющих аминокислоту с её кодоном, а затем и их в единую конструкцию может осуществляться под действием теплового движения молекул воды. В дальнейшем в результате такой сборки возможно разделение БСОЛ на две части – внутреннюю (созданную с участием 5-ти нуклеотидов) – содержащую нуклеиновую цепь (мРНК или тРНК) и наружную – «защитную рубашку нуклеиновой цепи» - ЗРНЦ.

Приведенные выше кодоны аминокислот невольно свидетельствуют о том, что БСОЛы, состоящие из идентичных нуклеотидов, могли существовать реально. Это подтверждает аминокислота глицин, своим кодоном GGG и пролин – кодоном CCC. Попутно заметим, что у всех организмов соотношение G+C различно, как и плавучая плотность в СsCl. Так, у поксвирусов позвоночных (двунитчатая ДНК) эта характеристика составляет 35-40%, а у поксвирусов насекомых только 26%, в то время как у герпесвируса человека 1 - 67%. Аденовирусы имеют плавучую плотность 1,33-1,35 г/см³, у парвовирусов –1,38-1,46 г/см³.

В то же время близкие величины плавучей плотности аденина и цитозина способствовали созданию смешанных БСОЛ, в составе которых были нуклеотиды пуринов и пиримидинов.

Поскольку в создании ЗРНЦ участвуют третьи по счету нуклеотиды кодонов аминокислот, менее специфичных, чем первые два нуклеотида кодона (создающих бухту для аминокислоты), возможна их замена одним из пяти известных разновидностей нуклеотидов.

Это предположение также подтверждается тем, что узнавание третьего нуклеотида кодона менее избирательно, поскольку он входит с состав «защитной рубашки» при описанном выше способе сборки БСОЛ. Общая картина вырожденности кода показывает, что такая замена была возможной. Подтверждает это и довольно частое наличие тимина в тРНК.

Поиск пятой разновидности нуклеотида невольно привел БСОЛ к использованию и «нестандартных» нуклеотидов. Так, благодаря этому пуриновый нуклеотид инозин (I), встречается в некоторых антикодонах. Однако, первый нуклеотид антикодона инозин способен соединяться как с A-, так и с U- и C-нуклеотидами, находящимися в кодоне в третьем положении. Вследствие этого он был впоследствии заменен на тимин (Т).

Поскольку природа чрезвычайно экономна и изобретательна, можно предположить, что для превращения РНК-овой структуры БСОЛ в ДНК-ковую БСОЛ, ей на первых порах достаточно было поменять «защитную рубашку нуклеиновой цепи» - ЗРНЦ с чисто РНК-овой на ДНК-овую, т. е. состоящую только из дезоксирибозных нуклеотидов. Несмотря на то, что урацил встречается только в РНК, сходство его основания с основанием тимина позволяет осуществлять похожие взаимодействия в обоих видах нуклеиновых цепей. Полная замена рибозных нуклеотидов БСОЛ на дезорибозные произошла позднее.

Из-за того, что тимин имеет плотность (1,23 г/см³) меньшую, чем урацил (1,32 г/см³), ему было легче взаимодействовать с липидными молекулами, имеющими плотность от 0,910 до 0,996 г/см³, а последним - с натрием (0,97 г/см³) и калием (0,86 г/см³). Именно это обстоятельство и привело к появлению клеточных структур и двуцепочечных ДНК-вирусов.

Собственно, благодаря этому обстоятельству и произошло разделение одно- и двуцепочечных нуклеотидных цепей на РНК-овые и ДНК-ковые. К стати, все гигантские вирусы имеют двуцепочечные ДНК-овые геномы [3, 4].

Поскольку у вирусов растений геном почти всегда содержит РНК-ковые БСОЛ, и до 80 % вирусов человека и животных также являются РНК-ковыми БСОЛ, это невольно подтверждает существование РНК-ового мира на ранних стадиях развития жизни на Земле.

К тому же БСОЛ по особенностям сборки может собираться как слева, так и справа относительно её суперэлемента, т. е. способна собираться в единицы позитивных и негативных геномов. Так, у вируса полиомиелита РНК обладает свойством мРНК, т. е. имеет позитивный геном, способный сразу же и непосредственно связываться с рибосомой клетки-хозяина. Поскольку вирус кори имеет негативный геном, для синтеза вирусных белков необходимо создать его позитивную копию, которая синтезируется на матрице родительской геномной РНК при участии ферментов транскрипции, содержащейся в вирионе (вирусной частице, вироспоре) кори.

В силу этого нуклеиновые цепи из БСОЛ, содержащих кодоновые триплеты, стали называть позитивным геномом, содержащим информационную РНК (иРНК), другое её название –матричная РНК - мРНК. В то же время геномы из БСОЛ, имеющие антикодонные триплеты, т.е. собранные из тРНК-овых БСОЛ, стали называть негативными геномами.

Эти две одиночные нуклеиновые цепи могли в последствии образовать двойную цепь, обладающую одновременно свойствами тРНК и мРНК, т.е. транспортно-матричную РНК или сокращенно тмРНК-цепь. Об этой интересной нуклеиновой цепи, впервые обнаруженной в 1994 г. у кишечной палочки Escherichia coli,расскажемболее подробно в следующей части работы.

Сейчас же, из-за малого объема статьи, лучше расскажем о фрагментарности геномов РНК-содержащих вирусов, ибо она относится к величайшим эволюционным достижениям и, по сути, представляет собой вершину развития РНК-содержащих генетических структур.

Следует заметить, что увеличение емкости генома РНК-содержащих вирусов эволюционно шло не благодаря увеличению размеров отдельной молекулы РНК, а за счет структурной эволюции – появлении в геноме нескольких молекул одно- или двунитчатых РНК. По своей биологической сути данный тип организации генома напоминает хромосомы, возникшие в результате эволюции ДНК-содержащих генетических систем.

Наличие фрагментированных (дискретных) молекул создает предпосылки для осуществления рекомбинаций, в основе которых лежит обмен крупными блоками наследственного материала. Данный уникальнейший механизм служит для таких вирусов (и, в частности, для рибовирусов) мощным источником наследственной изменчивости, увеличивающим их генетическую пластичность, а также способствующим увеличению объема их генома. Так, в нескольких фрагментированных молекулах РНК, каждая из которых не достигает критического размера, содержится такой объем наследственной информации, сохранение которого не может обеспечить одна молекула РНК.

«Полуоголённым» мРНК (т.е. мРНК, не несущим четвертую аминокислоту) для своей защиты от воздействия окружающей среды легче связываться с разнообразными белками, в том числе, синтезированных на них. Именно поэтому синтез белка приобрел в эволюции решающую роль, особенно при создании субчастиц рибосом.

1. Бекиш, О.-Я.Л. Медицинская биология и общая генетика: учебник для студентов учреждений высшего образования по специальности “лечебное дело”: Учебник / О.-ЯЛ. Бекиш, В Л. Бекиш.- 2-е изд., испр. и доп. -Витебск: Издательство ВГМУ, 2011.- 544 с.
2. Гаврилова, Л. П. Медицинская биология и общая генетика: учеб. пособие для студентов 1 курса, обуч. по специальностям «Лечебное дело» и «Медико-диагностическое дело» мед. вузов / Л. П. Гаврилова, В. В. Потенко, Е. М. Бутенкова. — Гомель: ГомГМУ, 2012. — 212 с.
3. Заяц Р.Г. Медицинская биология и общая генетика / Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э., Давыдов В.В., Рачковская И.В. Минск: Вышэйшая школа, 2012. - 496 с.
4. Никитин М.А. Происхождение жизни. От туманности до клетки. М.: Альпина нон-фикшн, 2018. - 542 с.
5. Телепнева Л.Г. Вулканизм, «Биологическая система Одесса-Лондон-2012» и жизнь // Вопросы. Гипотезы. Ответы: Наука ХХI века: Коллективная монография. – Краснодар, 2013. Книга 5. - С.175-207.
6. Ястребов C.А. От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни. М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – 704 с.
7. Ahlquist P. RNA-dependent RNA polymerases, viruses, and RNA silencing. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2002. — Vol. 296, no. 5571. — P. 1270—1273.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий