В клетке существует более 20 типов транспортных РНК, то есть несколько типов могут соответствовать одной и той же аминокислоте. В одном из участков цепи тРНК расположен антикодон, то есть группа из трех оснований, узнающая кодон (соответствующие три основания) на мРНК. Во время синтеза белка рибосома, кодон мРНК и антикодон тРНК, нагруженный аминокислотой, объединяются. Рядом с этим комплексом на мРНК располагается другой комплекс тРНК-аминокислота, и происходит реакция поликонденсации, объединения двух аминокислот в дипептид при участии ферментов. Эти две аминокислоты остаются связанными через карбоксильную группу со второй молекулой тРНК, первая молекула тРНК покидает рибосому, а сама рибосома сдвигается на один щаг по молекуле мРНК. После этого с комплексом дипептид - тРНК объединяется следующая тРНК с аминокислотой, образуется трипептид и так далее.
Сейчас мы посмотрели на "крупномасштабную" картину матричного синтеза белка, на эту идеально отлаженную машину мира живой материи. Вроде бы все не очень сложно. В двойной спирали есть ген. Этот ген переписывается на молекулу РНК, а далее на ней строится белок.
Бее по школьным учебникам идет именно так. Ну а если вглядеться в эту картину более пристально?
Итак, первая ступень кодирования - транскрипция.
Что нужно клетке, чтобы выполнить задачу образования "оттиска" гена мРНК? Совсем немного. Для начала расплести двойную спираль ДНК, затем подтащить к одной из расплетенных нитей необходимые нуклеиновые основания и сделать оттиск, реплику с гена. Все, молекула мРНК готова отправиться из ядра клетки к рибосомам, Но подождите. Ведь и для расплетания спирали ДНК И для синтеза РНК нужны ферменты. Конечно, нужны.
"Как же так, - спросит читатель, - структура этих ферментов тоже определяется каким-нибудь геном?"
Разумеется, последовательность аминокислот любого клеточного белка записана в ДНК. На этом правиле зиждется вся современная молекулярная биология.
Итак, чтобы "запустить" процесс транскрипции, клетке нужны определенные белки: репликазы и синтетазы.
Но ведь эти белки клетка должна сначала построить сама. Она их не может получить непосредственно из пищи.
Следовательно, для образования синтетазы клетке нужна та же самая синтетаза.
Какой-то начальный запас синтетаз клетка передаст потомству при своем делении, а дальше уже потомок будет работать сам. У него есть родительские синтетазы и репликазы, а он сможет "запустить" свой матричный синтез. По мере развития потомки "наработают" некий резерв синтетаз и передадут его своим потомкам. Ну как, решает такая схема задачу, откуда берутся репликазы и синтетазы?
Нет, конечно, и вот почему. Эта схема - "вечный двигатель". В ней есть "вечные" инструкции, "вечные" гены синтетаз и репликаз, передающиеся в течение миллиардов лет из поколения в поколение. А мы ведь хотим разобраться в происхождении жизни, то есть в процессе, эволюционном, меняющемся во времени.
Итак, первый вопрос: как возникли гены?
Но вернемся к процессу трансляции. И здесь ключевую роль играют специальные ферменты, способные "выбирать" из смеси определенную аминокислоту для присоединения к соответствующей тРНК- Но ведь структура этого фермента, в свою очередь, определяется (как структура любого белка) последовательностью оснований на некотором участке ДНК? Да, мы опять встретились с той же ситуацией вечного двигателя.
На заключительной стадии синтеза белка на сцене появляются рибосомы и тРНК, структура которых, в свою очередь, определяется некоторым участком ДНК.
Мы видим в этой схеме неразрешимый в эволюционном плане парадокс. Его можно назвать парадоксом курицы и яйца (что было раньше, курица или яйцо) на молекулярном уровне.
Действительно, для синтеза какого-либо белка необходимо несколько специальных ферментов. Но для синтеза любого фермента нужен другой такой же фермент и так далее. Приходится признать, что эта схема не может удовлетворительно объяснить возникновение процесса матричного синтеза, так как получается замкнутый круг, и мы снова и снова приходим к вопросу о том, как возникли гены.
Но только ли этот вопрос встает перед нами? Отнюдь нет. Давайте еще раз присмотримся к различным этапам работы молекулярных машин.
Итак, матричная РНК синтезируется на одной из цепей дезоксирибонуклеиновой кислоты, отправляется к рибосомам и соединяется с ними. Как это происходит?
Каким образом матричная РНК попадает на рибосомы?
Здесь, по всей видимости, имеет место некоторая специфичность механизмов связывания мРНК с рибосомами, взаимного химического узнавания. Ну а транспорт тРНК к рибосомам идет главным образом за счет беспорядочных, случайных движений, диффузии молекулы в клетке. На примере тРНК биофизики показали, что механизм диффузии в состоянии объяснить наблюдаемые скорости синтеза.
Нужно сказать, что современное представление о роли тРНК выработалось не сразу и первоначально основная роль отводилась мРНК как непосредственной матрице для синтеза. Казалось, что пространственные химические связи, или, как говорят химики, стереохимическое соответствие между кодоном и аминокислотой, решают вопрос об аминокислотной последовательности белка.
Адапторная гипотеза Крика явилась первым этапом на пути к выяснению истинной роли тРНК в процессе матричного синтеза. Крик предположил, что аминокислота взаимодействует с матричной РНК не непосредственно, а при помощи некоторых малых молекул, которые он предложил называть адаптерами. Он считал, что адаптеры представляют собой тринуклеотиды, с которыми аминокислота соединяется при помощи ферментативного механизма. (Трудно переоценить роль Ф. Крика в развитии современной молекулярной биологии. Порой кажется, что большая часть принципиальных идей в этой науке была выдвинута именно им.)
Сейчас ясно, что адаптеры - это не что иное, как транспортные РНК, которые переносят активированные аминокислоты на рибонуклеиновую матрицу и рибосому.
Адаптером транспортная РНК названа потому, что она обеспечивает возможность специфического взаимодействия между аминокислотой и матричной РНК.
Основным свойством, определяющим дальнейший механизм сборки аминокислот, является специфическое взаимодействие транспортной и матричной РНК. Аминокислота, связанная с транспортной РНК, уже никак не влияет на дальнейший механизм синтеза. Все последующие процессы определяются только взаимодействием антикодона транспортной РНК, кодона информационной РНК и рибосомы.
Для проверки этого положения были проведены эксперименты, в процессе которых удалось включить в белод неприродную аминокислоту, соединив ее ферментативно с транспортной РНК. Связывание антикодона с кодоном неферментативный процесс. Он определяется тем же правилом спаривания оснований, правилом Чаргаффа, о котором мы уже говорили. Именно после соединения антикодона с кодоном и начинается последовательная сборка полипептидной цепочки.
Кстати, стоит сказать еще несколько слов о правиле Чаргаффа и о самом Чаргаффе. Биохимик из Колумбийского университета, австриец по происхождению Э. Чаргафф и его ученики еще со времен второй мировой войны изучали соотношение различных нуклеиновых оснований в разных препаратах ДНК. Установив количественно свое знаменитое правило, Чаргафф не дал ему никакого объяснения, хотя, имея в руках подобный материал, именно он, а не Уотсон с Криком, находился ближе всего к -открытию структуры двойной спирали.
Более того, как пишет Уотсон, Чаргафф с нескрываемым презрением относился к их попыткам раскрыть структуру ДНК. И когда наконец весь мир признал великое открытие Уотсона и Крика, лишь один Чаргафф продолжал относиться к нему весьма скептически.
Но вернемся к нашему молекулярному "конвейеру".
Для нормальной работы любой машины, в том числе и молекулярной машины клетки, необходимы команды на включение определенных механизмов. Действительно, откуда клетке знать, что пришла пора синтезировать тот или иной белок? Как клетка узнает, что надо прекратить считывание определенного участка ДНК?
С какого участка начать считывание? Ведь хорошо известно, что молекулы ДНК, РНК и белков существенно различаются по своей длине. Короткие пептиды-белки содержат иногда десятки аминокислотных остатков, а молекула ДНК - миллионы нуклеотидов. Матричная РНК - тысячи.
Молекула мРНК является копией, репликой только одного участка ДНК, соответствующей инструкции для построения одного белка. Это обстоятельство наталкивает нас на мысль, что в молекуле ДНК какие-то факторы должны определять, где начнется и где кончится синтез матричной РНК. В свою очередь, в молекуле матричной РНК что-то должно определять начало и конец синтеза белковой молекулы. Говоря другими словами, если молекула белка фраза, то она должна начинаться после точки с большой буквы и должна кончаться точкой. Выяснение природы сигналов или команд на начало и конец процесса и составляет проблему "пунктуации кода".
Но мы не будем заниматься сейчас этой специальной и очень непростой задачей. Отметим лишь, что и на этапе начала синтеза, и на этапе его окончания обязательно присутствие нескольких специализированных белков.
Весьма беглый обзор проблемы матричного синтеза белка, приведенный выше, позволяет нам поставить ряд принципиальных вопросов.
Совершенно ясно, что какой бы этап репликации генетического материала или синтеза белка мы ни взяли, необходимым звеном в этом этапе являются весьма специализированные ферменты. Их можно назвать операторными, сигнальными, управляющими белками в широком смысле этого слова. В рамках центральной догмы биологии появление этих ферментов объяснить невозможно.
Действительно, если мы не хотим иметь дело, как принято говорить в математике, с бесконечностями, надо признать, что, по всей видимости, существовали еще какието механизмы синтеза белка в клетке, которые в настоящее время неизвестны.
Если же попытаться применить общепринятую схему синтеза белка к специализированным ферментам, рибосомам, то мгновенно получается расхождение в решении вопроса: для синтеза любого из этих соединений нужно то же самое соединение. Неясно, каким образом в эволюционном плане можно решить этот парадокс.
Здесь мы подходим к наиболее трудному и принципиальному вопросу проблеме эволюции кода.
Ясно, что механизм такой сложности не мог возникнуть скачком. Мы можем, конечно, привлечь к решению проблемы происхождения жизни и религиозные аргументы. Но, если отбросить наиболее легкий путь "решения" задачи, связанный с витализмом, то видно, какая громадная экспериментальная работа предстоит, чтобы найти подходы к решению этой задачи.
Я хочу подчеркнуть, что здесь нужны именно эксперименты. Гипотез об эволюции кода предостаточно, и, как говорил Крик, следовало бы установить ежегодную премию за самую плохую статью по поводу эволюции генетического аппарата. Здесь тот самый случай, когда фактических экспериментальных данных явно не хватает, а идей более чем достаточно. "Поэтому я надеюсь,продолжает Крик, - что всякий, кто выдвинет детально разработанную теорию происхождения генетического кода, постарается сделать это так, чтобы теория в той или иной форме поддавалась экспериментальной проверке.
Идеи сами по себе ничего нам не дадут, если мы не сумеем получить новые фактические данные либо путем изучения механизмов, имеющихся у современных живых форм, либо путем прямого эксперимента".
Сейчас уже очевидно, что абиогенно синтезировать можно очень многие молекулы клетки, кроме белков и днк.
А вот, когда удастся получить в лаборатории информацию из хаоса на уровне ДНК или РНК, тогда и начнется новый этап в биологии. Решение именно этого этапа даст нам ключ к тайне проблемы возникновения жизни.
И здесь тем более интересно ознакомиться с глубоким анализом проблемы возникновения и эволюции кода, предпринятым Ф. Криком и Л. Оргелом еще в 1968 году.
Два слова о блистательном специалисте в области как предбиологической химии, так и биохимии Л. Оргеле. Во время Бюраканской конференции зашел разговор о модном тогда "индексе интеллектуальности". При этом Оргел смутился, а остальные участники беседы дружно рассмеялись. Я не мог понять, в чем дело, пока мне не объяснили, что у Оргела один из самых низких индексов во всей Америке. Я спросил Оргела, не ошибка ли это?
Он с грустью сказал, что нет. Тогда мы все вместе дружно возмутились несовершенством метода оценки творческого потенциала ученого.
Работы Крика и Оргела особенно отчетливо демонстрируют неразрывную связь проблемы кода и проблемы возникновения жизни.
Рассматривая структуру кода, Крик в первую очередь подчеркивает основное свойство кода, не зависящее ни от каких второстепенных деталей: его практическую универсальность.
Для объяснения универсальности кода Крик рассмотрел две гипотезы, хотя возможны различные промежуточные случаи.
На первый взгляд наиболее естественной выглядит так называемая теория стереохимического соответствия.
Согласно этой теории аминокислота имеет химическое "сродство" к соответствующему кодону молекулы матричной РНК. Были проделаны работы с использованием пространственных моделей молекул для подтверждения этой гипотезы. Однако Крик считает эти попытки малоубедительными, так как в построении моделей были допущены ошибки.
Более привлекательной выглядит идея о стереохимическом соответствии между аминокислотой и антикодоном на молекуле транспортной РНК- Следует отметить, что экспериментальные данные здесь очень и очень противоречивы, и на основании этого Крик делает вывод, что стереохимическое соответствие не является общим механизмом в процессе трансляции, а наблюдается в нескольких особых случаях. По крайней мере, в сегодняшнем механизме матричного синтеза стереохимическое соответствие между аминокислотой и антикодоном тРНК не играет заметной роли, хотя для некоторых аминокислот оно могло иметь определенное значение в прошлом.
При обсуждении возможных примитивных механизмов синтеза белка прежде всего возникает вопрос о роли неинформационных, транспортной и рибосомальной, РНК и актиЁизирующих ферментов.
Какова же их роль?
Крик предполагает, что транспортные РНК и рибосомальная РНК играли центральную роль в примитивном механизме синтеза белка. Прарибосомы согласно этой гипотезе состояли полностью из РНК- Синтез белка мог вначале идти не столь точно, как сейчас.
Однако эта схема также не решает вопроса с происхождением активизующих ферментов (синтетаз и репликаз), хотя можно предположить, что именно на этой стадии стереохимическое соответствие имело существенное значение. Можно также предположить, что примитивные транспортные РНК являлись собственными активирующими ферментами, и первичная-машина синтеза работала только на основе нуклеиновых кислот.
Однако стоит отметить, что вопрос о происхождении еамих нуклеиновых кислот с нужной для синтеза белка последовательностью оснований и судьбе образовавшихся белков в схеме Крика остается открытым, хотя ученый считает возможным случайное образование таких последовательностей.
Что же касается самого кода, то трудно предположить, что код с самого начала не был триплетным. Ведь в этом случае любые изменения в размере кодона делают всю предыдущую информацию бессмысленной. Более правдоподобна идея о том, что в примитивном коде читались лишь два первых основания из триплета и понастоящему кодировались только несколько аминокислот, по-видимому, глицин, аланин, серии и аспарагиновая кислота. Можно предположить также, что кодоны работали на группы аминокислот.
В плане этой проблемы исключительно важен вопрос р числе оснований в примитивных нуклеиновых кислотах.
Кряк, так же как и Оргел, рассматривает примитивную прануклеиновую кислоту, состоящую лишь из двух оснований.
Центральная идея заключается в том, что кодируется лишь несколько аминокислот, один кодон используется для кодирования группы аминокислот. Кодон для аланина, например, мог кодировать также глицин и так далее.
На этой стадии мог быть создан не очень хороший белок, поскольку в белке использовались не все 20 аминокислот. В этой схеме эволюция состояла в увеличении точности и включении в белок все новых и новых аминокислот.
Разбирая вопрос о развити генетического аппарата, Оргел также предполагает существование некоторой эволюционной схемы в условиях примитивной Земли. Это соображение само по себе могло показаться тривиальным, если бы не существовало так называемой теории направленной панспермии, о которой мы уже упоминали в начале книги.
Оргел рассматривает два направления в эволюции живого: жизнь без нуклеиновых кислот и жизнь без белка.
Следуя Оргелу, попытаемся рассмотреть обе возможности, хотя с эволюционной точки зрения такое разделение выглядит маловероятным.
Образование полипептидов в предбиологических условиях - процесс более "выгодный", нежели синтез полинуклеотидов. Это подтверждено многими лабораторными экспериментами и обусловлено, в частности, тем, что сахара, входящие в нуклеиновые кислоты, менее стабильны в водном растворе, чем аминокислоты, что затрудняет их концентрирование.
Таким образом, небиологическая полимеризация аминокислот, по-видимому, предшествовала появлению нуклеиновых кислот.
Именно на основании этого предположения Оргел строит модель жизни без нуклеиновых кислот, хотя, в общем-то, совершенно ясно, что в первичном бульоне было "все" и анализ таких крайних случаев, на мой взгляд, представляет только чисто умозрительный интерес.
Абиотически синтезированные полимеры аминокислот, по мнению Оргела, не могли достичь высокой степени специализации и организации и проявить свойства ферментативной активности. Репликация с помощью белков не могла быть точной, и для построения каждого "сорта" цепи аминокислот требовался новый фермент.
Это не совсем верное предположение, потому что вполне было возможно возникновение неспецифического катализа, что снимает основные возражения Оргела против чисто белковой жизни. Во всяком случае, мысль Оргела о неспособности чисто полипептидной системы к направленной эволюции следует считать справедливой, поскольку нет структурной основы для точной репликации.
В качестве второй возможности Оргел предлагает модель жизни, основанной на нуклеиновых кислотах без "белкового кода". При этом он указывает на необходимость анализа двух ключевых процессов: репликации без белков (ферментов) и эволюции без белков.
Комплементарная репликация постулируется Оргелом как свойство внутреннее, присущее молекулам нуклеиновых кислот и зависящее только от их структуры. Доказательство этого положения можно найти в физико-химических свойствах оснований нуклеиновых кислот и их производных - правиле Чаргаффа. Сравнительно недавно биохимики продемонстрировали, что полинуклеотидная цепочка работает как матрица для ориентации мононуклеотидов.
Было показано также, что направленный матричный синтез нуклеотидов идет в водном растворе с использованием конденсирующего агента (карбодиимид).
Но здесь очень важно отметить, что во всех опытах по матричному синтезу образуются не только природные изомеры полинуклеотидов. В значительных количествах присутствуют изомеры с неприродными химическими связями, которые никогда не встречаются в живых клетках.
Постулируя нуклеиновую схему, легко получить реплицирующиеся системы, используя, например, полиматрицу аденин-цитозин, которая будет направлять синтез полинуклеотида урацил-гуанин в соответствии с правилом Чаргаффа, и наоборот.
Очень интересен вопрос о том, какого уровня организации может достичь система без синтеза белка и соответственно репликации нуклеиновых кислот.
Здесь Оргел выдвигает ряд интересных идей. Он подчеркивает, что одноцепочечные нуклеиновые кислоты, имея определенную пространственную структуру, могли бы обладать каталитическими функциями. С другой стороны, кажется весьма вероятным, что полинуклеотидные цепи могли осуществлять некоторый отбор среди аминокислот, образуя с ними стереоспецифические комплексы. Но это тоже своего рода тупик, потому что без белков все-таки жить нельзя.
Таким образом, возможность протеиновой жизни ограничена невозможностью достижения уровня генетического механизма, а нуклеиновая жизнь ограничена собственной химической инертностью.
Центральная проблема - возникновение кода, в котором тесно связаны генетический нуклеиновый и функциональный белковый аппараты клетки.
Оргел указывает па очень интересную возможность пути возникновения эволюционирующей системы. Если гипотетический полипептид, состоящий из аминокислот.. глицин, аланин, глицин, аланин... и так далее, ускоряет матричную репликацию полимеров, содержащих, например, аденин и урацил, то система, содержащая полиматрицу аденин-урацил, аминокислоты и транспортные РНК, способна развиваться, могут образовываться новые полипептиды.
Можно, по-видимому, разработать немало модификаций такой схемы, но прежде всего хочется сделать небольшое резюме. Основная ценность работ Крика и Оргела состоит в том, что ни тот, ни другой не оставляют места необоснованному оптимизму в решении проблемы происхождения жизни. Грандиозная трудность проблемы возникновения кода и его эволюции исключительно наглядно и убедительно продемонстрирована в этих работах.
Именно удивительное свойство универсальности кода и приводит нас к выводу, что современный механизм наследственности сформировался за поразительно короткий промежуток времени (по сравнению с "возрастом" живых систем) - менее одного миллиарда лет. Этот факт сильно затрудняет решение проблемы происхождения жизни.
Где механизмы-предшественники? Их, к сожалению, нет.
Вот если бы удалось показать возможность прямого синтеза белка на ДНК-матрице, это было бы огромным достижением. Мы смогли бы тогда получить сведения об эволюционном развитии современного матричного синтеза белка. Но сегодня существуют, к сожалению, лишь косвенные данные о возможности прямого синтеза белка на органических матрицах.
Как бы то ни было, сейчас уже видно несколько направлений для работ в области молекулярной эволюции.
Можно было бы, скажем, посмотреть, как ведут себя и как взаимодействуют короткие полипептидные и полинуклеотидные цепочки.
Возьмем, к примеру, декапептид - пептид, состоящий из 10 аминокислотных остатков. Предположим дополнительно, что сначала при построении пептидов использовалось не двадцать, а всего лишь семь аминокислот.
Можно с полной уверенностью сказать, что в смеси, содержащей семь аминокислот, будет образовываться не 7^10 декапептидов с равной вероятностью каждый, а гораздо меньше. Хотя бы потому, например, что одной аминокислоты окажется больше, чем другой. В таком случае синтез декапептида пойдет уже не только по вероятностным законам, но будет определяться и такими факторами, как концентрация аминокислот в реакционной смеси, кислотность среды и так далее. И может случиться, в этой смеси будут синтезироваться не миллиарды, а только десятки разных типов декапептидов, что уже вполне поддается экспериментальной проверке.
И вот тут-то можно наткнуться на очень интересные вещи: декапептид вполне может обладать каталитической активностью.
Предположим, что он способствует полимеризации нуклеотидов, то есть работает как синтетаза. Тогда нам удастся запустить механизм репликации. Эта пока спекулятивная идея, конечно же, нуждается в проверке. Отметим, что подобные опыты уже ведутся.
Особенно внушительные экспериментальные подходы были разработаны в лаборатории того же Фокса. Не будем сейчас обращать внимания на то, в какой мере эти опыты соответствуют условиям примитивной Земли, отметим, что они имеют исключительное значение для изучения проблемы происхождения жизни.
Фоксу удалось установить, что уже на стадии термического синтеза аминокислот возникает исключительно важное свойство органических молекул: свойство самоупорядоченности или самоорганизации, которое в данном конкретном случае (синтез протеноида) проявляется в том, что соотношение аминокислот в исходной реакционной смеси сильно отличается от аминокислотного состава синтезированного полимера. Это свидетельствует, что включение аминокислот в полимер происходит не статистически и существует некоторая избирательность, являющаяся прямым следствием химических свойств самих аминокислот.
Еще раз напомним, что полученные полимеры обладают рядом свойств, которые указывают на их известную общность с природными белками. Это в первую очередь качественный и количественный аминокислотный состав протеиноида, в общем-то идентичный среднему аминокислотному составу белка; молекулярные веса, соответствующие молекулярным весам небольших белковых молекул; растворимость, схожая с растворимостью белков, и ряд других свойств, среди которых, конечно же, одно из основных - каталитическая активность.
Правда, каталитическая активность протеиноидов весьма слаба, однако это свойство могло бы закрепляться в процессах молекулярного отбора. Наиболее важным свойством протеиноидов является их способность образовывать в растворе морфологические единицы, протеиноидные микросферы. Нужно только отдавать себе полный отчет в том, что в протеиноидных микросферах отсутствует направленный синтез биополимеров и кодирующая система. Поэтому их, бесспорно, нельзя считать живыми системами.
Сейчас мы посмотрели на "крупномасштабную" картину матричного синтеза белка, на эту идеально отлаженную машину мира живой материи. Вроде бы все не очень сложно. В двойной спирали есть ген. Этот ген переписывается на молекулу РНК, а далее на ней строится белок.
Бее по школьным учебникам идет именно так. Ну а если вглядеться в эту картину более пристально?
Итак, первая ступень кодирования - транскрипция.
Что нужно клетке, чтобы выполнить задачу образования "оттиска" гена мРНК? Совсем немного. Для начала расплести двойную спираль ДНК, затем подтащить к одной из расплетенных нитей необходимые нуклеиновые основания и сделать оттиск, реплику с гена. Все, молекула мРНК готова отправиться из ядра клетки к рибосомам, Но подождите. Ведь и для расплетания спирали ДНК И для синтеза РНК нужны ферменты. Конечно, нужны.
"Как же так, - спросит читатель, - структура этих ферментов тоже определяется каким-нибудь геном?"
Разумеется, последовательность аминокислот любого клеточного белка записана в ДНК. На этом правиле зиждется вся современная молекулярная биология.
Итак, чтобы "запустить" процесс транскрипции, клетке нужны определенные белки: репликазы и синтетазы.
Но ведь эти белки клетка должна сначала построить сама. Она их не может получить непосредственно из пищи.
Следовательно, для образования синтетазы клетке нужна та же самая синтетаза.
Какой-то начальный запас синтетаз клетка передаст потомству при своем делении, а дальше уже потомок будет работать сам. У него есть родительские синтетазы и репликазы, а он сможет "запустить" свой матричный синтез. По мере развития потомки "наработают" некий резерв синтетаз и передадут его своим потомкам. Ну как, решает такая схема задачу, откуда берутся репликазы и синтетазы?
Нет, конечно, и вот почему. Эта схема - "вечный двигатель". В ней есть "вечные" инструкции, "вечные" гены синтетаз и репликаз, передающиеся в течение миллиардов лет из поколения в поколение. А мы ведь хотим разобраться в происхождении жизни, то есть в процессе, эволюционном, меняющемся во времени.
Итак, первый вопрос: как возникли гены?
Но вернемся к процессу трансляции. И здесь ключевую роль играют специальные ферменты, способные "выбирать" из смеси определенную аминокислоту для присоединения к соответствующей тРНК- Но ведь структура этого фермента, в свою очередь, определяется (как структура любого белка) последовательностью оснований на некотором участке ДНК? Да, мы опять встретились с той же ситуацией вечного двигателя.
На заключительной стадии синтеза белка на сцене появляются рибосомы и тРНК, структура которых, в свою очередь, определяется некоторым участком ДНК.
Мы видим в этой схеме неразрешимый в эволюционном плане парадокс. Его можно назвать парадоксом курицы и яйца (что было раньше, курица или яйцо) на молекулярном уровне.
Действительно, для синтеза какого-либо белка необходимо несколько специальных ферментов. Но для синтеза любого фермента нужен другой такой же фермент и так далее. Приходится признать, что эта схема не может удовлетворительно объяснить возникновение процесса матричного синтеза, так как получается замкнутый круг, и мы снова и снова приходим к вопросу о том, как возникли гены.
Но только ли этот вопрос встает перед нами? Отнюдь нет. Давайте еще раз присмотримся к различным этапам работы молекулярных машин.
Итак, матричная РНК синтезируется на одной из цепей дезоксирибонуклеиновой кислоты, отправляется к рибосомам и соединяется с ними. Как это происходит?
Каким образом матричная РНК попадает на рибосомы?
Здесь, по всей видимости, имеет место некоторая специфичность механизмов связывания мРНК с рибосомами, взаимного химического узнавания. Ну а транспорт тРНК к рибосомам идет главным образом за счет беспорядочных, случайных движений, диффузии молекулы в клетке. На примере тРНК биофизики показали, что механизм диффузии в состоянии объяснить наблюдаемые скорости синтеза.
Нужно сказать, что современное представление о роли тРНК выработалось не сразу и первоначально основная роль отводилась мРНК как непосредственной матрице для синтеза. Казалось, что пространственные химические связи, или, как говорят химики, стереохимическое соответствие между кодоном и аминокислотой, решают вопрос об аминокислотной последовательности белка.
Адапторная гипотеза Крика явилась первым этапом на пути к выяснению истинной роли тРНК в процессе матричного синтеза. Крик предположил, что аминокислота взаимодействует с матричной РНК не непосредственно, а при помощи некоторых малых молекул, которые он предложил называть адаптерами. Он считал, что адаптеры представляют собой тринуклеотиды, с которыми аминокислота соединяется при помощи ферментативного механизма. (Трудно переоценить роль Ф. Крика в развитии современной молекулярной биологии. Порой кажется, что большая часть принципиальных идей в этой науке была выдвинута именно им.)
Сейчас ясно, что адаптеры - это не что иное, как транспортные РНК, которые переносят активированные аминокислоты на рибонуклеиновую матрицу и рибосому.
Адаптером транспортная РНК названа потому, что она обеспечивает возможность специфического взаимодействия между аминокислотой и матричной РНК.
Основным свойством, определяющим дальнейший механизм сборки аминокислот, является специфическое взаимодействие транспортной и матричной РНК. Аминокислота, связанная с транспортной РНК, уже никак не влияет на дальнейший механизм синтеза. Все последующие процессы определяются только взаимодействием антикодона транспортной РНК, кодона информационной РНК и рибосомы.
Для проверки этого положения были проведены эксперименты, в процессе которых удалось включить в белод неприродную аминокислоту, соединив ее ферментативно с транспортной РНК. Связывание антикодона с кодоном неферментативный процесс. Он определяется тем же правилом спаривания оснований, правилом Чаргаффа, о котором мы уже говорили. Именно после соединения антикодона с кодоном и начинается последовательная сборка полипептидной цепочки.
Кстати, стоит сказать еще несколько слов о правиле Чаргаффа и о самом Чаргаффе. Биохимик из Колумбийского университета, австриец по происхождению Э. Чаргафф и его ученики еще со времен второй мировой войны изучали соотношение различных нуклеиновых оснований в разных препаратах ДНК. Установив количественно свое знаменитое правило, Чаргафф не дал ему никакого объяснения, хотя, имея в руках подобный материал, именно он, а не Уотсон с Криком, находился ближе всего к -открытию структуры двойной спирали.
Более того, как пишет Уотсон, Чаргафф с нескрываемым презрением относился к их попыткам раскрыть структуру ДНК. И когда наконец весь мир признал великое открытие Уотсона и Крика, лишь один Чаргафф продолжал относиться к нему весьма скептически.
Но вернемся к нашему молекулярному "конвейеру".
Для нормальной работы любой машины, в том числе и молекулярной машины клетки, необходимы команды на включение определенных механизмов. Действительно, откуда клетке знать, что пришла пора синтезировать тот или иной белок? Как клетка узнает, что надо прекратить считывание определенного участка ДНК?
С какого участка начать считывание? Ведь хорошо известно, что молекулы ДНК, РНК и белков существенно различаются по своей длине. Короткие пептиды-белки содержат иногда десятки аминокислотных остатков, а молекула ДНК - миллионы нуклеотидов. Матричная РНК - тысячи.
Молекула мРНК является копией, репликой только одного участка ДНК, соответствующей инструкции для построения одного белка. Это обстоятельство наталкивает нас на мысль, что в молекуле ДНК какие-то факторы должны определять, где начнется и где кончится синтез матричной РНК. В свою очередь, в молекуле матричной РНК что-то должно определять начало и конец синтеза белковой молекулы. Говоря другими словами, если молекула белка фраза, то она должна начинаться после точки с большой буквы и должна кончаться точкой. Выяснение природы сигналов или команд на начало и конец процесса и составляет проблему "пунктуации кода".
Но мы не будем заниматься сейчас этой специальной и очень непростой задачей. Отметим лишь, что и на этапе начала синтеза, и на этапе его окончания обязательно присутствие нескольких специализированных белков.
Весьма беглый обзор проблемы матричного синтеза белка, приведенный выше, позволяет нам поставить ряд принципиальных вопросов.
Совершенно ясно, что какой бы этап репликации генетического материала или синтеза белка мы ни взяли, необходимым звеном в этом этапе являются весьма специализированные ферменты. Их можно назвать операторными, сигнальными, управляющими белками в широком смысле этого слова. В рамках центральной догмы биологии появление этих ферментов объяснить невозможно.
Действительно, если мы не хотим иметь дело, как принято говорить в математике, с бесконечностями, надо признать, что, по всей видимости, существовали еще какието механизмы синтеза белка в клетке, которые в настоящее время неизвестны.
Если же попытаться применить общепринятую схему синтеза белка к специализированным ферментам, рибосомам, то мгновенно получается расхождение в решении вопроса: для синтеза любого из этих соединений нужно то же самое соединение. Неясно, каким образом в эволюционном плане можно решить этот парадокс.
Здесь мы подходим к наиболее трудному и принципиальному вопросу проблеме эволюции кода.
Ясно, что механизм такой сложности не мог возникнуть скачком. Мы можем, конечно, привлечь к решению проблемы происхождения жизни и религиозные аргументы. Но, если отбросить наиболее легкий путь "решения" задачи, связанный с витализмом, то видно, какая громадная экспериментальная работа предстоит, чтобы найти подходы к решению этой задачи.
Я хочу подчеркнуть, что здесь нужны именно эксперименты. Гипотез об эволюции кода предостаточно, и, как говорил Крик, следовало бы установить ежегодную премию за самую плохую статью по поводу эволюции генетического аппарата. Здесь тот самый случай, когда фактических экспериментальных данных явно не хватает, а идей более чем достаточно. "Поэтому я надеюсь,продолжает Крик, - что всякий, кто выдвинет детально разработанную теорию происхождения генетического кода, постарается сделать это так, чтобы теория в той или иной форме поддавалась экспериментальной проверке.
Идеи сами по себе ничего нам не дадут, если мы не сумеем получить новые фактические данные либо путем изучения механизмов, имеющихся у современных живых форм, либо путем прямого эксперимента".
Сейчас уже очевидно, что абиогенно синтезировать можно очень многие молекулы клетки, кроме белков и днк.
А вот, когда удастся получить в лаборатории информацию из хаоса на уровне ДНК или РНК, тогда и начнется новый этап в биологии. Решение именно этого этапа даст нам ключ к тайне проблемы возникновения жизни.
И здесь тем более интересно ознакомиться с глубоким анализом проблемы возникновения и эволюции кода, предпринятым Ф. Криком и Л. Оргелом еще в 1968 году.
Два слова о блистательном специалисте в области как предбиологической химии, так и биохимии Л. Оргеле. Во время Бюраканской конференции зашел разговор о модном тогда "индексе интеллектуальности". При этом Оргел смутился, а остальные участники беседы дружно рассмеялись. Я не мог понять, в чем дело, пока мне не объяснили, что у Оргела один из самых низких индексов во всей Америке. Я спросил Оргела, не ошибка ли это?
Он с грустью сказал, что нет. Тогда мы все вместе дружно возмутились несовершенством метода оценки творческого потенциала ученого.
Работы Крика и Оргела особенно отчетливо демонстрируют неразрывную связь проблемы кода и проблемы возникновения жизни.
Рассматривая структуру кода, Крик в первую очередь подчеркивает основное свойство кода, не зависящее ни от каких второстепенных деталей: его практическую универсальность.
Для объяснения универсальности кода Крик рассмотрел две гипотезы, хотя возможны различные промежуточные случаи.
На первый взгляд наиболее естественной выглядит так называемая теория стереохимического соответствия.
Согласно этой теории аминокислота имеет химическое "сродство" к соответствующему кодону молекулы матричной РНК. Были проделаны работы с использованием пространственных моделей молекул для подтверждения этой гипотезы. Однако Крик считает эти попытки малоубедительными, так как в построении моделей были допущены ошибки.
Более привлекательной выглядит идея о стереохимическом соответствии между аминокислотой и антикодоном на молекуле транспортной РНК- Следует отметить, что экспериментальные данные здесь очень и очень противоречивы, и на основании этого Крик делает вывод, что стереохимическое соответствие не является общим механизмом в процессе трансляции, а наблюдается в нескольких особых случаях. По крайней мере, в сегодняшнем механизме матричного синтеза стереохимическое соответствие между аминокислотой и антикодоном тРНК не играет заметной роли, хотя для некоторых аминокислот оно могло иметь определенное значение в прошлом.
При обсуждении возможных примитивных механизмов синтеза белка прежде всего возникает вопрос о роли неинформационных, транспортной и рибосомальной, РНК и актиЁизирующих ферментов.
Какова же их роль?
Крик предполагает, что транспортные РНК и рибосомальная РНК играли центральную роль в примитивном механизме синтеза белка. Прарибосомы согласно этой гипотезе состояли полностью из РНК- Синтез белка мог вначале идти не столь точно, как сейчас.
Однако эта схема также не решает вопроса с происхождением активизующих ферментов (синтетаз и репликаз), хотя можно предположить, что именно на этой стадии стереохимическое соответствие имело существенное значение. Можно также предположить, что примитивные транспортные РНК являлись собственными активирующими ферментами, и первичная-машина синтеза работала только на основе нуклеиновых кислот.
Однако стоит отметить, что вопрос о происхождении еамих нуклеиновых кислот с нужной для синтеза белка последовательностью оснований и судьбе образовавшихся белков в схеме Крика остается открытым, хотя ученый считает возможным случайное образование таких последовательностей.
Что же касается самого кода, то трудно предположить, что код с самого начала не был триплетным. Ведь в этом случае любые изменения в размере кодона делают всю предыдущую информацию бессмысленной. Более правдоподобна идея о том, что в примитивном коде читались лишь два первых основания из триплета и понастоящему кодировались только несколько аминокислот, по-видимому, глицин, аланин, серии и аспарагиновая кислота. Можно предположить также, что кодоны работали на группы аминокислот.
В плане этой проблемы исключительно важен вопрос р числе оснований в примитивных нуклеиновых кислотах.
Кряк, так же как и Оргел, рассматривает примитивную прануклеиновую кислоту, состоящую лишь из двух оснований.
Центральная идея заключается в том, что кодируется лишь несколько аминокислот, один кодон используется для кодирования группы аминокислот. Кодон для аланина, например, мог кодировать также глицин и так далее.
На этой стадии мог быть создан не очень хороший белок, поскольку в белке использовались не все 20 аминокислот. В этой схеме эволюция состояла в увеличении точности и включении в белок все новых и новых аминокислот.
Разбирая вопрос о развити генетического аппарата, Оргел также предполагает существование некоторой эволюционной схемы в условиях примитивной Земли. Это соображение само по себе могло показаться тривиальным, если бы не существовало так называемой теории направленной панспермии, о которой мы уже упоминали в начале книги.
Оргел рассматривает два направления в эволюции живого: жизнь без нуклеиновых кислот и жизнь без белка.
Следуя Оргелу, попытаемся рассмотреть обе возможности, хотя с эволюционной точки зрения такое разделение выглядит маловероятным.
Образование полипептидов в предбиологических условиях - процесс более "выгодный", нежели синтез полинуклеотидов. Это подтверждено многими лабораторными экспериментами и обусловлено, в частности, тем, что сахара, входящие в нуклеиновые кислоты, менее стабильны в водном растворе, чем аминокислоты, что затрудняет их концентрирование.
Таким образом, небиологическая полимеризация аминокислот, по-видимому, предшествовала появлению нуклеиновых кислот.
Именно на основании этого предположения Оргел строит модель жизни без нуклеиновых кислот, хотя, в общем-то, совершенно ясно, что в первичном бульоне было "все" и анализ таких крайних случаев, на мой взгляд, представляет только чисто умозрительный интерес.
Абиотически синтезированные полимеры аминокислот, по мнению Оргела, не могли достичь высокой степени специализации и организации и проявить свойства ферментативной активности. Репликация с помощью белков не могла быть точной, и для построения каждого "сорта" цепи аминокислот требовался новый фермент.
Это не совсем верное предположение, потому что вполне было возможно возникновение неспецифического катализа, что снимает основные возражения Оргела против чисто белковой жизни. Во всяком случае, мысль Оргела о неспособности чисто полипептидной системы к направленной эволюции следует считать справедливой, поскольку нет структурной основы для точной репликации.
В качестве второй возможности Оргел предлагает модель жизни, основанной на нуклеиновых кислотах без "белкового кода". При этом он указывает на необходимость анализа двух ключевых процессов: репликации без белков (ферментов) и эволюции без белков.
Комплементарная репликация постулируется Оргелом как свойство внутреннее, присущее молекулам нуклеиновых кислот и зависящее только от их структуры. Доказательство этого положения можно найти в физико-химических свойствах оснований нуклеиновых кислот и их производных - правиле Чаргаффа. Сравнительно недавно биохимики продемонстрировали, что полинуклеотидная цепочка работает как матрица для ориентации мононуклеотидов.
Было показано также, что направленный матричный синтез нуклеотидов идет в водном растворе с использованием конденсирующего агента (карбодиимид).
Но здесь очень важно отметить, что во всех опытах по матричному синтезу образуются не только природные изомеры полинуклеотидов. В значительных количествах присутствуют изомеры с неприродными химическими связями, которые никогда не встречаются в живых клетках.
Постулируя нуклеиновую схему, легко получить реплицирующиеся системы, используя, например, полиматрицу аденин-цитозин, которая будет направлять синтез полинуклеотида урацил-гуанин в соответствии с правилом Чаргаффа, и наоборот.
Очень интересен вопрос о том, какого уровня организации может достичь система без синтеза белка и соответственно репликации нуклеиновых кислот.
Здесь Оргел выдвигает ряд интересных идей. Он подчеркивает, что одноцепочечные нуклеиновые кислоты, имея определенную пространственную структуру, могли бы обладать каталитическими функциями. С другой стороны, кажется весьма вероятным, что полинуклеотидные цепи могли осуществлять некоторый отбор среди аминокислот, образуя с ними стереоспецифические комплексы. Но это тоже своего рода тупик, потому что без белков все-таки жить нельзя.
Таким образом, возможность протеиновой жизни ограничена невозможностью достижения уровня генетического механизма, а нуклеиновая жизнь ограничена собственной химической инертностью.
Центральная проблема - возникновение кода, в котором тесно связаны генетический нуклеиновый и функциональный белковый аппараты клетки.
Оргел указывает па очень интересную возможность пути возникновения эволюционирующей системы. Если гипотетический полипептид, состоящий из аминокислот.. глицин, аланин, глицин, аланин... и так далее, ускоряет матричную репликацию полимеров, содержащих, например, аденин и урацил, то система, содержащая полиматрицу аденин-урацил, аминокислоты и транспортные РНК, способна развиваться, могут образовываться новые полипептиды.
Можно, по-видимому, разработать немало модификаций такой схемы, но прежде всего хочется сделать небольшое резюме. Основная ценность работ Крика и Оргела состоит в том, что ни тот, ни другой не оставляют места необоснованному оптимизму в решении проблемы происхождения жизни. Грандиозная трудность проблемы возникновения кода и его эволюции исключительно наглядно и убедительно продемонстрирована в этих работах.
Именно удивительное свойство универсальности кода и приводит нас к выводу, что современный механизм наследственности сформировался за поразительно короткий промежуток времени (по сравнению с "возрастом" живых систем) - менее одного миллиарда лет. Этот факт сильно затрудняет решение проблемы происхождения жизни.
Где механизмы-предшественники? Их, к сожалению, нет.
Вот если бы удалось показать возможность прямого синтеза белка на ДНК-матрице, это было бы огромным достижением. Мы смогли бы тогда получить сведения об эволюционном развитии современного матричного синтеза белка. Но сегодня существуют, к сожалению, лишь косвенные данные о возможности прямого синтеза белка на органических матрицах.
Как бы то ни было, сейчас уже видно несколько направлений для работ в области молекулярной эволюции.
Можно было бы, скажем, посмотреть, как ведут себя и как взаимодействуют короткие полипептидные и полинуклеотидные цепочки.
Возьмем, к примеру, декапептид - пептид, состоящий из 10 аминокислотных остатков. Предположим дополнительно, что сначала при построении пептидов использовалось не двадцать, а всего лишь семь аминокислот.
Можно с полной уверенностью сказать, что в смеси, содержащей семь аминокислот, будет образовываться не 7^10 декапептидов с равной вероятностью каждый, а гораздо меньше. Хотя бы потому, например, что одной аминокислоты окажется больше, чем другой. В таком случае синтез декапептида пойдет уже не только по вероятностным законам, но будет определяться и такими факторами, как концентрация аминокислот в реакционной смеси, кислотность среды и так далее. И может случиться, в этой смеси будут синтезироваться не миллиарды, а только десятки разных типов декапептидов, что уже вполне поддается экспериментальной проверке.
И вот тут-то можно наткнуться на очень интересные вещи: декапептид вполне может обладать каталитической активностью.
Предположим, что он способствует полимеризации нуклеотидов, то есть работает как синтетаза. Тогда нам удастся запустить механизм репликации. Эта пока спекулятивная идея, конечно же, нуждается в проверке. Отметим, что подобные опыты уже ведутся.
Особенно внушительные экспериментальные подходы были разработаны в лаборатории того же Фокса. Не будем сейчас обращать внимания на то, в какой мере эти опыты соответствуют условиям примитивной Земли, отметим, что они имеют исключительное значение для изучения проблемы происхождения жизни.
Фоксу удалось установить, что уже на стадии термического синтеза аминокислот возникает исключительно важное свойство органических молекул: свойство самоупорядоченности или самоорганизации, которое в данном конкретном случае (синтез протеноида) проявляется в том, что соотношение аминокислот в исходной реакционной смеси сильно отличается от аминокислотного состава синтезированного полимера. Это свидетельствует, что включение аминокислот в полимер происходит не статистически и существует некоторая избирательность, являющаяся прямым следствием химических свойств самих аминокислот.
Еще раз напомним, что полученные полимеры обладают рядом свойств, которые указывают на их известную общность с природными белками. Это в первую очередь качественный и количественный аминокислотный состав протеиноида, в общем-то идентичный среднему аминокислотному составу белка; молекулярные веса, соответствующие молекулярным весам небольших белковых молекул; растворимость, схожая с растворимостью белков, и ряд других свойств, среди которых, конечно же, одно из основных - каталитическая активность.
Правда, каталитическая активность протеиноидов весьма слаба, однако это свойство могло бы закрепляться в процессах молекулярного отбора. Наиболее важным свойством протеиноидов является их способность образовывать в растворе морфологические единицы, протеиноидные микросферы. Нужно только отдавать себе полный отчет в том, что в протеиноидных микросферах отсутствует направленный синтез биополимеров и кодирующая система. Поэтому их, бесспорно, нельзя считать живыми системами.