У истоков генетического кода: родственные души

• АВТОР: Вера Башмакова

• РЕДАКТОРЫ: Антон Чугунов, Андрей Панов

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Границы между науками — штука эфемерная. Биология прорастает из химии; физика неразрывно связана с математикой; палеонтология, геология, география, история в тесном сотрудничестве описывают события прежних веков. Огромные массивы биологических данных, полученных с помощью новейших методик исследования, обрабатываются с помощью биоинформатики. И даже такие непохожие науки, как молекулярная биология и лингвистика тоже имеют точки соприкосновения. Не верите? Ну прочитайте статью.

Ну, предположим, мы с вами условимся, что слово «лошадь»
станет для нас означать учебник по грамматике,
тогда мы будем иметь право сказать:
«Откройте вашу лошадь на двадцатой странице» или
«Вы принесли сегодня на занятия свою лошадь?»
И оба прекрасно друг друга поймем, как вы считаете?
Джон Барт. Конец пути

В разных языках одни понятия называются по-разному звучащими словами. По-английски «вода» будет water («вотер»), по-албански — uj? («уё»), по-китайски — ? («ше»), а по-валлийски — d?r («дюр»). Наоборот, одинаково звучащее слово в разных языках может означать противоположные вещи: по-русски «яма» — это яма, а по-японски — гора.

Значит, возникновение слова, появление связи между понятием и определяющим его сочетанием звуков или букв — процесс относительно случайный; можно представить, что в русском языке понятие «вода» обозначается словом «соль», «камень», «пиво» или (с большой натяжкой) «аэрофотосъемка».

А теперь посмотрим на генетический код (см. заглавный рисунок). Это тоже язык, только особенный: его буквы —химические соединения, азотистые основания. Этих букв-оснований четыре — гуанин (G), цитозин (C), аденин (A) и урацил (U). Все слова (они называются кодоны) в этом языке трехбуквенные; из четырех букв получается 64 трехбуквенных слова. Эти 64 слова кодируют 21 «понятие»: 20 аминокислот и стоп-кодон. (Очень редко помимо 20 классических аминокислот генетический код кодирует еще две «дополнительных», так что можно сказать, что «понятий» не 21, а 23; но это неважно для нашей истории.)

И тут возникает заковыристый лингвобиологический вопрос. Является ли генетический код таким же произвольным, случайно образовавшимся языком, как языки, на которых говорят люди? Можно ли представить, что кодоны в генетическом коде кодируют другие аминокислоты, а аминокислоты кодируются другими кодонами? Может ли кодон UUU кодировать не фенилаланин (как он это сейчас делает), а глицин? А кодон AGG — тирозин? А кодон CUC — пролин? Иными словами, случайно ли подбирались кодоны, обозначающие аминокислоты, — или в этом был какой-то смысл?

В последующем тексте я попытаюсь ответить на этот вопрос, но вначале покаюсь. Обсуждение исчезающе далекого прошлого — такое же захватывающее и бесполезное занятие, как обсуждение исчезающе далекого будущего. Ни доказать, ни опровергнуть тут ничего нельзя, и то, что описано в этой статье, — всего лишь гипотетический вариант развития событий. И все-таки обсуждение данных вопросов чрезвычайно расширяет кругозор и тренирует мыслительные способности — так что можно расценивать рассуждения на эту тему как экзаптацию, служащую общему развитию человечества. Эта статья во многом основана на лекции заведующего лабораторией компьютерной биофизики Венского университета Бояна Жагровича [1] во время научной школы-конференции «Современная биология & Биотехнологии будущего», посвященной острым вопросам и актуальным проблемам фундаментальной и прикладной биологии, а также на книге Евгения Кунина «Логика случая» [2] (особенно на главе о происхождении жизни).

Once upon a time...

Представим себе мир на заре возникновения жизни. По самой популярной из существующих сейчас теорий это был РНК-мир [3]: РНК были самыми продвинутыми из существовавших тогда биомолекул. Эти примитивные и неуклюжие «первобытные» РНК тогда занимались и хранением информации (чем сейчас занимается в основном ДНК), и катализом биохимических реакций (чем сейчас занимаются в основном белки). В результате РНК способны были самовоспроизводиться: катализировать на основе одной цепочки РНК создание других цепочек, идентичных исходной. Может быть, еще нельзя было назвать эти молекулы живыми, но уже можно было назвать их бессмертными.

Судя по всему, жизнь зародилась в пористой породе, образующей сеть ячеек, через стенки которых затруднена диффузия [4]. В этой породе находился первичный бульон — водный раствор различных веществ, в том числе этих самых коротких цепочек РНК и отдельных аминокислот. Из-за того, что многим молекулам нелегко было пробраться сквозь стенки ячеек, состав ячеек был разным: в одних по каким-то причинам накапливались одни молекулы, а в других — другие. Такие ячейки можно назвать «протоклетками», потому что их стенки выполняли ту же функцию, которую выполняет мембрана у современных клеток: отделение Мира Внутри от Мира Снаружи.

Разрозненные молекулы, в том числе, РНК и аминокислоты, плававшие в первичном бульоне, могли общаться только одним способом — с помощью физико-химических взаимодействий. Растворимость в воде, электрический заряд, пространственные характеристики, некоторые другие свойства — все это заставляет одни молекулы слипаться друг с другом в растворе, а другие — отплывать друг от друга как можно дальше.

И вот представим себе такую романтическую историю. Некий кодон (сочетание из трех нуклеотидов) и некая аминокислота — это «родственные души». Благодаря своим физико-химическим свойствам они крепко слипаются, встретившись в растворе.

Представим себе, что в некой цепочке РНК есть этот кодон. Есть вероятность, что в той неорганической ячейке, где плавает эта РНК, случайно окажется «родная» для кодона аминокислота. И есть вероятность, что эта аминокислота налипнет на свой «родной» кодон. И есть вероятность, что от этого жизнь той РНК существенно облегчится — она станет стабильнее, или будет лучше работать, или приобретет какие-то новые выгодные свойства. В результате такая РНК станет более приспособленной, и отбор (в тогдашней форме этого процесса) будет ей благоволить.

Это объединение двух невидимых глазу молекул, произошедшее в капле воды в крохотной дырочке пористой породы где-то в океане миллиарды лет назад — гигантский прорыв в истории нашей планеты. С этого момента возникает «дружба» между РНК и белками, краеугольный камень жизни на Земле. С этой дружбы началась биологическая эволюция, благодаря которой существуем и мы с вами.

Допустим, пары «родственных душ» существовали и для других кодонов и аминокислот. Тогда могла сложиться ситуация, когда напротив двух расположенных рядом кодонов РНК встанут две «родные» для этих кодонов аминокислоты. А отсюда — один (правда, довольно трудный) шаг до того, чтобы эти аминокислоты соединились, образовав цепочку из двух звеньев. И если связывание между кодоном и аминокислотой достаточно стабильно, то такая ситуация будет повторяться снова и снова на других молекулах РНК. То есть, напротив одних и тех же сочетаний нуклеотидов будут выстраиваться одни и те же аминокислоты, которые, при счастливом стечении обстоятельств, объединятся в цепочки. Вот так, буквально из ничего, возникает «романтическая связь» между кодонами и аминокислотами — генетический код.

Доказательства

Эмпирическим путем было получено несколько доказательств этого предположения. Еще в 1966 году Карл Вёзе [5] показал, что аминокислоты, кодируемые пиримидиновыми кодонами, имеют повышенное сродство к аналогам пиримидина в растворе [6]. А позже в работах лаборатории Бояна Жагровича было обнаружено, что аминокислоты, кодируемые пуриновыми основаниями, имеют повышенное сродство к пуриновому основанию гуанину (но, почему-то, не к аденину) [7], [8]. Иными словами, имеет значение не столько конкретный нуклеотид, сколько его «половая принадлежность» — пуриновость или пиримидиновость (рис. 2).

Продолжение в источнике: https://biomolecula.ru/articles/u-istokov-geneticheskogo-koda-rodstvennye-dushi

Источник: m.vk.com

Комментарии: