Статья опубликована в №67 (март) 2019
Разделы: Биология
Размещена 26.02.2019. Последняя правка: 25.02.2019.
Просмотров - 1215

Главный закон живой природы и его основные исполнители, стоящие у истоков создания генетического кода. Часть 3

Телепнева Людмила Георгиевна

пенсионер

пенсионер

УДК 577.2

3. БСОЛ, матричная РНК (мРНК) и транспортно-матричная РНК (тмРНК).

Как уже сообщалось в предыдущих частях данной работы, БСОЛ в кубической форме существования может состоять из двух частей: мРНК (кодонной) или же антикодонной – (тРНК), в состав которой входят пять нуклеотидов, взаимодействующих друг с другом своими основаниями цилиндров,и наружной - «защитной рубашки нуклеиновой цепи» (ЗРНЦ), состоящей из четырех наружных нуклеотидов. Это связано с тем, что в зависимости от направления сборки относительно её супер-элемента БСОЛ несет в себе либо мРНК-цепи, либи тРНК-цепи. Вследствие этого такую биологическую структуру логично назвать и единицей транспортно-матричной РНК.

Поскольку в современных представителях живой природы обычно сохраняются прежние нуклеотидные находки, тем более что генетический код универсален, обратим внимание на схему транспортно-матричной РНК (тмРНК), впервые обнаруженный в 1994 г. у кишечной палочки Escherichia coli (рис. 1).

 

Рисунок 1. Схемы трех наиболее важных для организма современных нуклеиновых цепей: тРНК, мРНК и тмРНК [4].

Тра́нспортно-ма́тричная РНК (тмРНК, англ. Transfer-messenger RNA), известная также как 10Sa-РНК и SsrA-РНК, — небольшая РНК, содержащая от 260 до 430 нуклеотидов, участвующая в высвобождении рибосом, «застрявших» во время трансляции проблемных участков мРНК и в разрушении получившихся в ходе неполной трансляции дефектных пептидов.  Она описана у разных групп бактерий. В связи с тем, что тмРНК сочетает в себе свойства и тРНК, и мРНК, в состав молекул тмРНК входят домены, структурно и функционально близкие к тРНК и мРНК (рис. 1). мРНК-подобная часть тмРНК располагается в рибосомном канале мРНК.

Ряд учёных рассматривают тмРНК как промежуточное звено между миром РНК и современной жизнью, основанной на синтезе белка с помощью рибосом. Предполагается, что самая первая форма тмРНК появилась путём слияния двух шпилечных коротких РНК; такие тмРНК содержали акцепторный стебель с большим интроном, а также открытую рамку считывания. Вероятно, древние тмРНК имели несколько акцепторных стеблей, несущих, помимо аланина, и другие аминокислоты. Впоследствии такие прото-тмРНК дали начало современным тРНК и мРНК, а также тмРНК современного типа [5].

К стати, именно потеря описанной выше ЗРНЦ в доклеточных БС (и её использование в клеточных структурах для синтеза белка), могла послужить в дальнейшем как образованию вирусных частиц (вирионов) – соединений нуклеиновых цепей с присущими им белками, так и двух составляющих рибосом, получивших несколько характерных для них белковых структур. В тоже время разделение этой вирусной БС на две составляющие способно привести к появлению прионов (белков без нуклеотидов) и вироидов (нуклеотидов без белков).

Вироиды, как и вирусы с прионами, являются бесклеточными представителями живой природы [5]. Единственной целью этой «доклеточной троицы» (как, впрочем, и всех остальных форм жизни на Земле), считают размножение, а единственный способ достичь этой цели — захватить клетки хозяев, создавая себе подобных. В таком случае две такие разновидности биоструктур - вироид и прион, встретившись в одной клеточной структуре, могут создать либо идентичную вирусную частицу, либо её новую разновидность (что чрезвычайно выгодно для распространения и эволюции вирусных инфекций), а, возможно даже, рибосому или же вызвать одну из уже названных выше прионных или вироидных заболеваний.

4. Плоскостные формы существования БСОЛ, появление на их основе трех доменов живых организмов (археев, бактерий и прокариот) и подбор биоэлементов.

Организмам важно изменение положения в пространстве как для получения солнечной и земной энергии, так и для поиска новых ресурсов. В силу этого они готовы принять в свои 20 каналов различные вещества органической и неорганической природы, а также изменять форму своего существования, т. е. конформацию.

Как уже говорилось выше, жизнь не возможно без создания потомков. А создать свою копию с помощью комплементарной нуклеотидной цепи легче и гораздо быстрее, если БСОЛ примет хотя бы одну из многочисленных плоскостных форм существования. Поскольку все они, как и объемная форма существования БСОЛ, собираются с помощью трех тринуклеотидных составляющих (1, 2, 3; 4, 5,6; 7,8, 9), представители живой природы способны собирать свои цепи так, чтобы они образовали квадрат (рис. 2). Однако из-за наличия в ней внутреннего вакуума данная квадратоподобная форма существования БСОЛ сразу же превращалась в одну из многочисленных ромбоподобных.

При достижении такой формы существования, максимально защищающей супер-элемент БСОЛ, одна часть прокариот сдвигала две свои наружные цепи параллельно оси х, в то время как другая часть – параллельно оси у. В результате этого у археев и бактерий дополнительно к квадратоподобной форме существования получалось по две зеркальные ромбовидные конформации. А это невольно свидетельствует о том, что представители данных доменов способны легко изменяются при горизонтальном переносе генов и быстро реагировать на изменения внешней среды.

 

 

 

Рисунок 2. Плоскостные формы существования БСОЛ, способствующие созданию трех доменов живой природы (а-бактерии, б-археи, в - эукариоты).

В то же время представители эукариотов могли создавать ромбообразные фигуры при сохранности цепи, несущей супер-элемент БСОЛ, только изменяя при этом пространственное положение элементов 1-й и 3-й цепей. При этом названные цепи собирались в треугольные плоские структуры, а их элементы взаимодействовали друг с другом образующими своих цилиндров. В результате этого у эукариот сразу же получалось больше двух ромбообразных форм существования, т.е. возникало гораздо больше генетического разнообразия. Однако, превращение в квадратоподобную форму для эукариотических БСОЛ несколько затруднено, ибо необходимо вначале выровнять в линию элементы наружных 1-й и 3-й цепей. Именно поэтому все процессы в эукариотической клетке идут со значительно меньшей скоростью, чем у прокариотов и вирусов, заложивших эволюционную основу всем представителям живой природы.

Особо подчеркнем, что именно в квадратоподобной форме существования происходило первое в мире образование пептидной связи, если в большой реакционный канал БСОЛ попадают две аминокислоты, которые до этого находились в двух малых каналах, образовывающих большой канал. Поскольку аминокислоты входили в БСОЛ с разных сторон, это обстоятельство и вызвало появление двух классов кодаз и привело в дальнейшем к появлению рибосомного синтеза белка, а затем и белковых ферментов (энзимов).

К стати, именно аминокислоты, выступающие из плоской формы существования БСОЛ, помогают не только задержке возле неё нуклеотидов из окружающей среды, но и способствуют более правильному подбору комплементарных нуклеотидов. Это обстоятельство положительно влияет на скорость создания второй нуклеотидной цепи и в то же время затрудняет их разделение на отдельные цепи. Именно поэтому появились хеликазы, имеющиеся у всех живых организмов и разделяющие цепи двуцепочечной молекулы ДНК или внутримолекулярные связи в молекулах РНК. Попутно напомним, что репликация (удвоение ДНК) осуществляется на стадии интерфазы клеточного цикла. Многие двунитчатые ДНК-вирусы имеют ДНК-зависимую РНК-полимеразу.

Но чем же интересна именно ромбовидная форма существования БСОЛ? Во-первых, передвигаться БСОЛ в водной среде в такой форме существования гораздо легче, чем в квадратоподобной. Во-вторых, эта форма существования БСОЛ, более прочная, чем (квадратоподобная), поскольку супер-элемент биоструктуры при этом защищен со всех сторон шестью нуклеотидами. Кроме того, данная форма существования объясняет причину существования трех аминокислот, имеющих шесть кодонов-синонимов, а также подбора биоэлементов.

Используя металлы в качестве донора электрона, необходимого для протекания окислительно-восстановительных реакций, БСОЛ способны захватить оксидное железо (Fe³⁺) с радиусом иона 64 пм в малые каналы. Превращение оксидного железа в закисное (Fe⁺²) приводит к увеличению радиуса иона железа до 74 пм, что обязательно должно сопровождаться увеличением площади канала. Данное обстоятельство приводит к изменению положения цепей БСОЛ и переходу из ромбообразной формы в квадратную.

Поскольку аналогичными свойствами обладают кобальт и никель представители живой природы охотно используют эти три металла для передвижения по магнитным линиям Земли. Так как никель, способен изоморфно замещать железо и магний, он может быть токсичен и канцерогенен при увеличении концентрации во внешней среде.

Заключение.

Несмотря на то, что структура и функционирование живых существ обусловлены эволюцией, их состав и используемые для химических реакций вещества определяются окружающей средой. В этой связи заметим, что вода является источником «возбужденного» водорода для растений при воздействии солнечной энергии и - излишним продуктом жизнедеятельности при окислении атома водорода кислородом у животных.

Природа чрезвычайно экономна и изобретательна. Так, водородные связи определяют не только структуру и свойства воды, как самого главного и основного растворителя в биосистемах, но и участвуют в формировании макромолекул, биополимеров, а также в связях с малыми молекулами.

Собираться в различные биоструктуры органическим соединениям легче, если у их субъединиц величины плавучей плотности близки. Так, у аминокислоты фенилаланина, обладательницы двух кодонов: UUU и UUC, величина плотности равна 1,29 г/см^3, а у урацила (U) - 1,32 г/см³.Аминокислота пролин, обладательница четырех кодонов (CCU, CCC, CCA, CCG), имеет плотность 1,38 г/см³, а у цитозина (C), создающего её кодоны, она равна 1,55 г/см³.

Объемная форма существования БСОЛ собирается из трех подсистем. Последние состоят из трех нуклеотидов и аминокислоты, попавшей в такой нуклеиновый канал и взаимодействующей в одной из его бухт с нуклеотидом по образующей его цилиндра.

Следует отметить, что объемная кубоподобная форма существования БСОЛ, в основном, связана с длительным сохранением БС, переносом нуклеопротеиновой информации в иное место пространства и её размножением с помощью комплементарных БСОЛ. Формирование свойства самовоспроизведения у элементарных открытых каталитических систем и является критерием появления живого. Особо подчеркнем, что появление четвертого по счету дополнительного и свободного от аминокислоты канала при образовании объемной формы существования БСОЛ позволило ей задействовать из внешней среды свободные аминокислоты, т. е. сделало эту биоструктуру (БС) открытой.

В отличие от трех собственных аминокислот, свободная L-аминокислота, попав в дополнительный канал биоструктуры, способна взаимодействовать с любыми тремя (из пяти) нуклеотидами БСОЛ, соединенных последовательно основаниями. Именно благодаря этому обстоятельству, свободные L-аминокислоты, попав в свободный канал БС, помогали БСОЛ объединяться в более длинные нуклеопротеиновые цепи. При этом данная аминокислота прилегает к этим нуклеотидам стороной, в каждом из 3-х участков которой содержатся атомы водорода. Из-за отсутствия третьего атома водорода в таком положении, не может сделать этого её зеркальная форма - D-аминокислота. Именно поэтому в природе не существует кодонов для таких аминокислот.

В то же время, свободная L-аминокислота, попав в БСОЛ, лишенную одной из трех её аминокислот, и заняв в структуре её место, помогала таким БС возвращаться из «мутированного» состояния в «дикое» (т. е. первоначальное). При этом происходило как бы самовосстановление единицы гена - БСОЛ.

В этой связи особо подчеркнем, что БСОЛ –- является БС, состоящей из наружной части – защитной (ЗРНЦ), созданной четырьмя наружными нуклеотидами, и внутренней - пятикодонной мРНК, способной собираться как в кодонном, так и антикодонном направлении.

Данная мРНК логично объясняет наличие 5 основных разновидностей нуклеотидов, у которых высота их цилиндра составляет 1/3 диаметра, а также их водородную связь с аминокислотами, в любых объектах живой природы.

Нуклеотидные цепи, находящиеся в объемной кубоподобной форме существования изначально могли объединяться в одну комплементарную двойную нуклеотидную цепь – двуцепочечную БСОЛ. При этом данные биоструктуры взаимодействовали друг с другом только нуклеотидами своих «защитных рубашек», т. е. аденин ЗРНЦ одной БСОЛ связывался с тимином ЗРНЦ другой, а гуанин ЗРНЦ первой – с цитозином ЗРНЦ другой БСОЛ. Данное обстоятельство способствовало максимальной сохранности матрицы для синтеза белков – мРНК.

В случае потери наружных нуклеотидов, создающих защитную рубашку мРНК, защитить её от внешнего воздействия некоторое время позволяли три её собственные аминокислоты, а также свободные аминокислоты. Все это способствовало объединению отдельных БСОЛ в цепочки, т. е. созданию из них не только нуклеотидных цепей, но и белковых цепочек, с ними связанными.

При этом белковые цепи, состоящие из собственных аминокислот (т. е. связанных с мРНК изначально), всегда более тяжело отделялись от нуклеиновой цепи, чем белковые цепи, созданные из свободных аминокислот, удерживаемых у нуклеотидной цепи, в основном, при помощи нуклеотидов ЗРНЦ.

Описанное выше обстоятельство объясняет отход белка от создавшей его мРНК, когда та покидает пределы рибосомы. И хотя большинство только что синтезированных белков могут самостоятельно сворачиваться в третичную структуру и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству белков обязательно требуется их присутствие.

Помимо этого, благодаря наличию в ней свободной аминокислоты, положение такой БСОЛ в пространстве обязательно изменится, по сравнению с БСОЛ, не имеющей её, что сразу же приводит к появлению разнообразия таких БС и распространению их в окружающей среде. К тому же БСОЛ, у которой в канале находится свободная аминокислота, может легко осуществлять функцию тРНК по доставке её к БС, включающей в себя две субъединицы рибосомы и мРНК, создавая тем самым один большой реакционный канал, аналогичный реакционным каналам БСОЛ, находящейся в плоскостной форме существования.

Таким образом, рибосомный синтез белка повторяет на более точном генетическом уровне неспецифический синтез пептидов в нуклеотидных БСОЛ, находящихся в плоскостных формах существования. В последствии подобную расстановку субъединиц воспроизводят белковые БСОЛ, создавая массу различных энзимов (ферментов).

Поскольку вирусы не имеют рибосом, этим внутриклеточным паразитам приходится пользоваться для создания своих капсидов этими клеточными структурами их хозяев. В силу этого вирусы можно назвать капсидкодирующими организмами (т.е. capsid-encodingorganisms, CEO).

Поскольку суммарный объем внутреннего вакуума БС зависит от радиуса субъединицы гораздо больше, чем от числа каналов, белковые ферменты (энзимы) стали собираться из меньшего количества субъединиц, чем БСОЛ. Это же обстоятельство влияет и на величину липидных плотов (рафтов).

Однонаправленность многих реакций, происходящих в БСОЛ, обуславливается разной величиной плавучей плотности, характерной для различных конформаций биосистемы, а также веществ, входящих в её каналы при плоскостной форме существования БС.

Плоскостных формы существования БСОЛ (одна из которых - с четырьмя четырехугольными каналами) позволяют ей осуществлять каталитические свойства. Наличие 4-х реакционных каналов в такой БС делает её гораздо более активной, чем неорганические катализаторы, имеющие обычно один реакционный канал. При этом внутренний вакуум БСОЛ, периодически возникающий в больших каналах, позволяет её ускорять скорость достижения реакции, причем, как прямой, так и обратной, например, как создание дипептидов, так и их разборку.

Именно наличие внутреннего вакуума БСОЛ делает часть её процессов самопроизвольными (переход от золя в гель). В тоже время такие факторы как броуновское движение молекул воды, рН среды, температура и давление, механическое воздействие могут выступать инициаторами прохождения несамопроизвольного процесса – перехода из геля в золь. Адекватное внешней среде чередование этих противоположных стратегий сохранения устойчивости – один из отличительных признаков живой клетки в отличие от простых коллоидных систем.

Кроме того, наличие сразу 4-х реакционных каналов позволяют БСОЛ дополнительно связываться с АТФ, ГТФ и другими органическими и неорганическими веществами, также влияющими на переход геля в золь и обратно. Поскольку энергия внутреннего вакуума БСОЛ напрямую и в большей степени зависит от величины диаметра субъединиц, а не от числа каналов, по сравнению с десятком рибозимов появилось бесчисленное число белковых БСОЛ - ферментов (среди которых преобладают ди- и тетрамеры, образующие один большой реакционный канал). К тому же, разница в площадях большого и двух малых каналов липидных и липидно-белковых БСОЛ (рафтов) позволяет клеткам осуществлять эндо- и экзоцитозы, а также образовывать поры.

Наличие 64-х бухт, образованных названными выше каналами, в которых надолго могли задерживаться аминокислоты, попавшие внутрь нуклеотидной БСОЛ, объясняют не только наличие 64-х кодонов генетического кода, но и причину ложного восприятия изначальности двоичности кода, поскольку выявлена связь первого нуклеотида кодона с путями биосинтеза аминокислот и связь второго нуклеотида кодона с некоторыми физико-химическими свойствами аминокислот. Различия по всем трем положениям наблюдаются лишь в некоторых случаях (например, UCG и AGU оба кодируют Ser).

Причем пятинуклеотидность мРНК БСОЛ не только объясняет наличие 5-ти путей синтеза аминокислот, но и использование 5-ти разновидностей нуклеиновых оснований для создания генома, делящихся на пиримидиновые и пуриновые. Многие из аминокислот встречаются лишь в определенных организмах, но есть и такие, которые обнаруживаются только в одном из великого множества описанных организмов. Большинство микроорганизмов и растения создают все необходимые им аминокислоты из более простых молекул, а животные и птицы – нет.

В тоже время наличие дополнительного четвертого треугольного канала БСОЛ (находящейся в объемной форме существования), в который могли входить свободные аминокислоты и лишь на некоторое время задерживаться там без дополнительной помощи, привело не только к появлению 3-х стоп-кодонов, но и к появлению двух классов кодаз. Данные аминоацил-тРНК-синтетазы делятся на два класса в зависимости от того, с какой стороны они подходят к БСОЛ. При этом кодазы должны узнавать не только свою аминокислоту, но и её тРНК. В связи с тем, что в БСОЛ существует три канала для собственных аминокислот БСОЛ, то и каждый класс кодаз должен был делиться на три подкласса. Кодазы 1-го класса являются в большинстве случаев мономерами. 76-й аденозин тРНК они аминоацилируют по 2'-ОН группе. За исключением фенилаланил-тРНК-синтетазы, все кодазы второго класса аминоацилируют 76-й аденозин тРНК по 3'-ОН группе. Для лизина существует две кодазы, причем одна из них относится к первому классу, а другая – ко второму.

Особенности сборки объемной формы БСОЛ легко объясняют наличие аутофагии, однозначности и триплетности генетического кода, компактности записи генной информации, наличие нескольких рамок считывания. В то же время наличие 20-ти каналов в плоскостных формах существования БСОЛ, в которые аминокислотам легче входить по одной, определили выбор 20 протеиногенных аминокислот. Описанные выше факты неопровержимо свидетельствуют о том, что природа не только сверхэкономна при использовании материальных ресурсов, но и зачастую использует одну и ту же схему при создании БС, находящихся на разных уровнях эволюции.

Начальное использование тимина (плотностью 1.23 г/см³)вместо урацила(1.32 г/см³) не только в качестве субъединицы «защитной рубашки нуклеиновой цепи». но и пятой разновидности нуклеотида в пятинуклеотидной мРНК БСОЛ, облегчило их взаимодействие с липидными молекулами, что привело, в последствии, к появлению полноценной единицы жизни – клетке.

Фундаментальная основа эволюции — это изменения в ДНК, связанные с изменениями окружающей среды во времени. Основной принцип эволюции – максимум разнообразия всего сущего на Земле - заложен уже в самой схеме БСОЛ. Примерами разнообразия могут служить вирионы парвовирусов, представляющих собой безоболочечные изометрические частицы с кубической симметрией диаметром 25 нм.

Геномы нескольких типов ДНК- и РНК-содержащих вирусов представлены молекулами, имеющими различную полярность, то есть транскрипции может подвергаться любая цепь. Таковы, например, геминивирусы — вирусы растений, содержащие одноцепочечную ДНК, — и аренавирусы — вирусы животных с одноцепочечной РНК.

Молекула РНК с положительной полярностью (плюс-цепь) имеет ту же последовательность нуклеотидов, что и мРНК, поэтому, по крайней мере, какая-то её часть может незамедлительно начать транслироваться клеткой-хозяином. Вирусы, содержащие частично двуцепочечную, частично одноцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК. Все РНК-вирусы, используют собственную РНК-репликазу для копирования своих геномов. Вирусы являются важным естественным средством переноса генов между различными видами, что вызывает генетическое разнообразие и направляет эволюцию [1].

В отличие от других форм существования нуклеиновых цепей, например, А-, B-, Z-, только БСОЛ объясняет все числовые показатели генетического кода: необходимость пяти разновидностей нуклеотидов для создания нуклеотидных цепей; реальное существование 20 классических (протеиногенных) аминокислот, из которых только три будут иметь по шесть кодонов-синонимов, а также отсутствия числа пять в ряду этой важной для создания белка характеристики аминокислоты (1, 2, 3, 4, 6); наличия трех подклассов в двух классах кодаз и многое другое, включая образование двуцепочечных нуклеиновых цепей.

Ромбоподобность сборки нуклеотидных БСОЛ объясняет создание трех доменов живой природы: бактерии сдвигают две свои наружные цепи по отношению к супер-элементу БС параллельно оси у, археи – параллельно оси х, а эукариоты периодически преобразуют названные выше цепи в замкнутые треугольные структуры. Объясняет она и причину появления фрактальности в представителях живой природы: БСОЛ, нуклеосом, многих клеток многоклеточных, собранных в различные органы. Возможность существования БСОЛ в плоскостных и объемных формах существования позволяют им сразу же после возникновения становиться участниками биосферы.

Учитывая приведенные выше факты, БСОЛ можно рассматривать как биоструктуру, создавшую жизнь в водной среде, где царит закон плавучей плотности, облегчающий не только её сборку из составляющих при помощи водородных связей, но и распространение биообъектов в пространстве [3]. Поэтому данный закон и стал главным законом живой природы. Как писал известный американский биотеоретик Говард Х. Патти (Howard H. Pattee, род. 05.10.1926) [2]: «Не существует такой единицы жизни, которую можно было бы назвать «живой» безотносительно к внешней среде... Жизнь - это неизбежное свойство, присущее экосистеме в целом, а не свойство изолированного скопления макромолекул».

1. Гапон Д. «Фильтрующиеся вирусы» открытие в гранях времени. // Наука и жизнь. — 2015. — № 7. — С. 31—41.
2. Патти Г. Физическая основа кодирования и надежность. – В кн.: На пути к теоретической биологии. Т.1. Пролегомены. М.: Мир, 1970. С. 71-91.
3. Телепнева Л.Г. Предпосылки развития жизни на Земле и её первые биоструктуры // Вопросы. Гипотезы. Ответы. Наука XXI века: Монография. – Краснодар, 2013. Книга 4. – С. 239-270.
4. Шпанченко, О. В. Функциональная топография транспортно-матричной РНК. Диссертация, 2010. – 221 с.
5. Owens R. A., Sano T., Duran-Vila N. Plant viroids: isolation, characterization/detection, and analysis. (англ.) // Methods in molecular biology (Clifton, N.J.). — 2012. — Vol. 894. — P. 253—271.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий