Глобальні стратегії еволюції - ПОЛІНУКЛЕОТИДНЕ РНК-ЖИТТЯ

Оскільки генетичний код невипадковий правдива гіпотеза його виникнення має пояснювати такі властивості стандартного генетичного коду як відсутність кодонів для D-амінокислот, включення всього лиш 20 амінокислот із можливих 60, функціонування в якості стоп-кодонів саме UAG, UGA и UAA

Генетичний код. Вікіпедія.

ЕВОЛЮЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО КОДУ

Розділ 1

ПОЛІНУКЛЕОТИДНЕ РНК-ЖИТТЯ

прелюдія

Люди так влаштовані, що в абсолютній своїй більшості намагаються поділитись здобутою інформацією з іншими. І не важливо чи це якісь плітки чи дійсно корисна інформація, бо в будь якому разі отримують винагороду у вигляді “гормонів щастя” - ін”єкції в кров ендорфінів, а якщо точніше - дофіміна. По суті це саме те що відрізняє нас від найближчих родичів мавп, бо як відомо звірі отримують “кайф” лише від споживання їжі та тваринного сексу. Більш за все стимуляція ендорфінами горизонтального перенесення соціальної інформації створила людину. Якщо дивитись на еволюцію homo sapiens під цим кутом, то міміка, жестикуляція і мова виникли саме для його обслуговування…

Напевно ви здогадались до чого я веду - хочу запропонувати чергову гіпотезу і знову отримати від цього “кайф”. На цей раз поділюсь своїми міркуваннями про те як склався генетичний код і виникло Життя. Це не про абищо - Гіпотеза більш ніж правдоподібна. Підстави так вважати спонукають докази, отримані при поетапній реконструкції Еволюції генетичного коду, яким Життя багато разів переписувалося кожен раз з частковою втратою інформації.

Ви не повірите, але наука, глибоко копирсаючись в хитросплетінні шляхів хімічних реакцій, які могли призвести до виникнення Життя, тут давно тупцює на місці. А мені так кортіло узнати як генетичний код склався! До того як зануритись в тему точно знав яким був перший код - він був двоїчний, бо основна ідея якою керувався в своїх міркуваннях - Життя виникло просто. Це був мій постулат. З таким багажем знань хімії на щось інше опиратися я не міг. Ризикую видатись нескромним, але з цим постулатом мені вдалось реконструювати всі етапи становлення генетичного коду, попутно з”ясувавши як виникло Життя. Кортить поділитися, бо давно в крові не було дофиміна. Непросто про це написати просто, але я з усіх сил намагатимусь …

полімеразно-ланцюгова реакція (ПЛР)

Погодьтесь, тема грандіозна. Вимагає глибокого занурення у молекулярну біологію і біохімію, бо всім, хто не потребує гіпотези Бога, очевидно, що Життя виникло завдяки слабким електростатичним взаємодіям РНК з водою і насправді являється Хімічним сигналом здатним попри все функціонально підтримувати своє поширення у воді і часі через реплікацію рибонуклеїнових кислот (РНК). Ось чому проблемою виникнення Життя займаються виключно професійні хіміки. Просто так заради ендорфінів дилетанту годі туди рипатися - рано чи пізно зупинить розвинута спеціальна термінологія та складні схеми з хитросплетінням шляхів хімічних реакцій в результаті яких воно, з точки зору науки, могло виникнути.

Нізащо в ті хімічні джунглі не сунувся, якби не проста як двері думка, з якою прокинувся одного прекрасного ранку - так як Життя виникло дуже просто то не може такого бути щоб до сих пір технологія його виникнення не використовувалась десь на практиці!? Схопився як ужалений, зайшов в Google, пробив три ключові слова, які мені перед цим приснилися - “РНК, затравка, amplify (збільшення)” і обімлів - другим рядком після “світу РНК” вискочило ПЛР (полімеразно-ланцюгова реакція)!!! Це ж всім відома технологія на якій основується аналіз ДНК!

До цього я вже знав про глухий кут, в який зайшла наука з проблемою так званих перших реплікаторів. Вона чимось нагадує дилемму - “що було першим - яйце чи куриця?” Справа в тому що для реплікації РНК необхідні РНК-ферменти, а щоб їх отримати потрібна реплікація… РНК. Курячу дилему еволюціоністи вирішують так - спочатку з”явилося яйце, тільки воно було не зовсім куряче. В нашому випадку таким “яйцем” могла виступити всім відома полімеразно-ланцюгова реакція (ПЛР) завдяки якій реплікація здійснювалась шляхом нагрівання і охолодження (термоциклічно), тобто без ферментно.

Гіпотеза 1. Перед виникненням Життя синтез і реплікація перших структур РНК відбувалися без ферментів, тобто без РНК- каталізаторів.

По суті в цій гіпотезі йдеться про полімеразно-ланцюгову реакцію (ПЛР), яка дає можливість без ферментно нарощувати концентрацію реплікантів з будь якої кільцевої РНК. І ще одна думка прийшла того ранку в голову - непереборні труднощі слід долати поза рамками науки, яка їх створила. Це уже не гіпотеза а медичний факт. З того дня зосередився на пошуку прихованих факторів в еволюції сонячної системи, які могли створити умови для запуску полімеразно-ланцюгової реакції на Землі. Перш за все треба було вияснити за яких обставин на нашій планеті могла виникнути полімеразно-ланцюгова реакція (ПЛР) і що являв собою “термоциклер” на якому вона могла відбуватися в складних умовах ранньої геологічної еволюції планет. Нагадаємо, в лабораторних умовах аналіз ДНК за допомогою ПЛР проводять за допомогою термоциклера-ампліфікатора. Довго шукати не прийшлося, бо вже давно був упевнений що Життя виникло через катастрофу. Мова йде про зіткнення Землі з не меншою за розмірами планетою в масштабі Гіперімпакта, в результаті чого на поверхні нашої планети запрацював планетарний ампліфікатор, а під нею - геохімічний цикл реакцій під тиском.

планетарний ампліфікатор

В основі сучасного методу полімеразно-ланцюгової реакції ПЛР лежить багаторазове подвоєння певного участка ДНК. Досягається циклічним нагріванням/охолодженням в лабораторному ампліфікаторі або термоциклері. При цьому використовують той факт, що при нагріванні слабкі водневі зв”язки розриваються а комплементарні ланцюги ДНК розходяться. При охолодженні на них з мономерів-нуклеотидів полімеризуються нові нуклеотидні ланцюги, які при нагріванні знову розходяться. В результаті кількість біологічного матеріалу збільшується в геометричній прогресії через подвоєння в кожному термоциклі.

Знаючи як влаштований лабораторный ампліфікатор, неважко скласти уяву про роботу планетарного. Більш за все його робоча зона охоплювала Землю в екваторіальній області на всю глибину праокеана. Силовым приводом, що спричиняв нагрівання води, та блоком управління, який задавав такт полімеразно-ланцюгової реакції (ПЛР), був Місяць. За різними оцінками період орбітального обертання Місяця був в декілька разів менший чим зараз. Якщо зараз гравітація Місяця тягне за собою дві припливні хвилі а по дну океана два горби деформованої земної кори, то не важко уявити що відбувалося коли відстань від Місяця до Землі була в декілька разів більша за межу Роше (зараз 41:1). Крім того, що величезна по силі гравітація піднімала припливну хвилю до неба, перемішуючи все по всій глибині, так ще кожен раз вона відкривала жерла вулканів, грязьових котлів і гейзерів на дні праокеану, заливаючи гарячою водою все навколо них. Всюди, де Місяць тягнув за собою хвилю, відбувалося різке локальне нагрівання води. Два рази за добу воно змінювалось поступовим охолодженням синхронно з припливами і відпливами. В сучасних термоциклерах період цикла набагато коротший, але якщо взяти до уваги декілька мільйонів років безперервної роботи планетарного ампліфікатора та геометричну прогресію на виході, стає зрозумілим хто це Все нашльопав і чому ми є. Маю на увазі біоту.

Гіперімпакт

В епоху планетарних бомбардувань летіло всюди і попадало всім. Про це красномовно свідчать кратери на поверхні всіх планет та їх супутників. Але щоб прилетіло так як в нашу Землю нема з чим навіть порівняти. Наука визнає глибину зіткнення в масштабі Мегаімпакту. Це коли на навколоземну орбіту було винесено речовину, з якої сформувався Місяць. При цьому не дає пояснень феномену реального стиснення Землі, про яке було відомо ще Ньютону. Для наука це “біла пляма”. Таке вона оформляє в парадокси і зіскакує з теми. В даному випадку “біла пляма” називається парадокс Еверндена, суть якого в тому що Земля завжди була геоїдом, що в принципі неможливо, бо при конденсації (акреції) космічного пилу в планети всі вони мали форму одноосного еліпсоїда обертання.

Гіпотеза 2. Життя не могло постати без Гіперімпакта.

Для того стиснення, яке виникло зразу після катастрофи, масштаб Мегаімпакта явно недостатній, бо викинута маса, яка подарувала нам Місяць, складає всього 1/80 частину Землі. Планку слід піднімати вище - наша планета попала на Гіперімпакт! Це та випадковість яка вирішила все. Величезна льодова планета по дотичній дуже глибоко зачепила Землю і, залишивши на ній воду у вигляді пару, винесла в космічний простір 1/10 частину маси Землі, з якої утворилися Місяць та Марс з двома супутниками. Наша планета лишилася не просто десятої частини своєї маси (m) - разом з нею вона втратила значну частину моменту імпульсу осьового обертання M=I, бо удар, з огляду на невеликий нахил орбіти Місяця, прийшовся по дотичній в екваторіальну область (зараз там Тихий океан), де ціна речовини для моменту імпульсу максимальна. Закони треба виконувати, особливо якщо це Закон збереження моменту імпульсу. Земля, яка до катастрофи мала форму сильно сплюснутого еліпсоїда обертання, після неї вимушена була зменшити момент інерції на величину I=mR2 або скинути кутову швидкість обертання . Скоріш за все під дією сили стиснення вона скинула момент інерції, бо він пропорційний квадрату радіуса а також трохи загальмувала.

Невидимі обручи зменшили R тобто стиснули тонкошкіру на той час планету в екваторіальній області, дефлорував незайману до цього форму гідростатичного еліпсоїду в майже сферу (геоїд). З того моменту Земля залишається стиснутою попри зменшення кутової швидкості обертання з 10-12 до 24 годин за добу. За підрахунками Еверндена обручи спадуть, коли кутова швидкість осьового обертання Землі спаде до 27.2 години/доба. Як відомо вона весь час потроху зменшується із-за припливного тертя Місяця. Тоді для цієї швидкості Земля відновить свою незайманість і стане знову гідростатичним еліпсоїдом обертання. Згідно Ньютону сплюснутість гідростатичного еліпсоїда для сучасної швидкості обертання Землі 24 години/доба має бути k еллипсоида = 1/232 = 0.0431, а за даним супутникової геолокации реально маємо - k геоида = 1/298,25 = 0.0332, що прямо вказує на стиснення.

В результаті катастрофи масштабу Гіперімпакт на найнижчій орбіті (межі Роша) утворився Місяць, який незабаром став двигуном планетарного ампліфікатора, а на геліоцентричній орбіті - планета Марс з двома супутниками. На виникнення Життя вона не вплинула, зато подарувала нам уявлення про істинний масштаб катастрофи.

Ще один непрямий доказ навздогін. Ні Меркурій, Венера та Земля не мали супутників при своєму формуванні але Марс чомусь має, причому обидва за формою далекі від одноосного еліпсоїда обертання. По суті тверді планети земної групи являються супутниками газового гіганта за назвою Сонце. Через що вони не можуть мати своїх супутників так само як їх не мають тверді супутники газових гігантів.

Мал.2 Загальна структура хімічної букви-рибонуклеотида в складі полімера РНК

HPO4 - залишок фосфорної кислоти; 2. D-рибоза (пентоза)

3. base одна з чотирьох азотистих основ - аденін (A), урацил (U), гуанін (G), цитозин (C)

Гляньте на те що зверху, подумать тільки! - з цього почалося Життя, апофеозом якого стали ми з вами. Рибонуклеотид складається з трьох компонент. В центрі знаходиться рибозне кільце - п”ятивуглецевий моносахарид пентоза. До другого і третього вуглецю ковалентно причеплені дві гідроксильні групи ОН (рибоза), завдяки чому на вторинній структурі полінуклеотидного ланцюгу утворюються великий та малий жолобки, через які, наче через замкові щпарини, засовують свої щупальці кодази (аміноацил-тРНК-синтетаза) для розпізнавання транспортної т-РНК. .До речі, якби при виникненні полінуклеотидного Життя замість гідроксильної групи ОН біля другого вуглецю в рибозному кільці стояв би водень H (дезоксирибоза) то це зупинило б еволюцію генетичного коду, бо в такому разі не міг сформуватися малий жолобок і ключик не попадав би в замкову шпарину. Ось чому Життя не могло виникнути на структурах ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти).

Нагадаю, чому ми живемо в світі ДНК хоча Життя виникло в мікросвіті РНК. Просто відбулося переформатування - Еволюція для стабільності генетичних текстів забрала з хімічно агресивної гідроксильної групи ОH на пентозному кільці букв-нуклеотидів кисень О і поміняла одну із чотирьох хімічних букв. Тобто рибоза стала дезоксирибозою, а замість урацила (U) був вставлений тимін (Т).

Мал.3 Аденіновий мономер-рибонуклеотид (АТФ)

В ланцюжки та кільцеві РНК окремі рибонуклеотиди зшиваються сильними ковалентними зв”язками через одинарні залишки фосфорної кислоти H2PO4. На це витрачається енергія в два залишки фосфорної кислоти, які при цьому відщеплюються (гідроліз). Кому невідомо - мономер-рибонуклеотид у не зв”язаному стані енергетично заряджений трьома залишками фосфорної кислоти, тобто є трифосфатом, а якщо з аденіновою основою на бензольній пентозі то це вже буде універсальна енергетична валюта така як зараз долар - аденозинтрифосфорна кислота АТФ (див. мал. 3).

Крім цього окремі рибонуклеотиды та синтезовані з мономерів шпильки, ланцюжки та кільця комплементарно з”єднуються між собою або самі на себе, через азотисті основи. Кому невідомо - такі взаємодії не супроводжуються виникненням сильних хімічних зв”язків тобто появою спільного електрона. Це слабкі електростатичні взаємодії, які виникають завдяки взаємній просторовій відповідності в окремих парах азотистих основ, які носять назву канонічних. Їх всього дві A-U, G-C. Між собою в парі вони зчіплюються одне з одним водневими зв”язками, які нагадують пазли. Всім відомо що пазли зчіплюються якщо їх складати назустріч одне одному в одному напрямку. Так само і водневі зв”язки стають пазлами-зачепами, якщо направлені назустріч, тобто як каже наука - у них співпадають напрямки стереохімічних зв”язків. Такі азотисті основи називають комплементарними, а пари - канонічними. Разом, або в парі, їх утримує кулонівська сила

Мал 4 Водневі зв”язки

Молекули води теж зчеплені між собою водневими зв”язками аналогічно канонічним парам, але вони утворюють агломерацію, а не молекулярний комплекс схожий на кристал. Саме цим пояснюється така плинність води. Інші рідини, у яких цього немає, течуть по другому.

Дійсно, два ковалентних кістяки з рибонуклеотидами складаються із фосфатних та вуглеводних груп, які монотонно та поперемінно чергуються. Чим це не кристал!?

Мал.5 Ланцюг РНК

З точки зору теоретичної фізики у таких кристалів при підвищенні температури нагрівання спостерігається фазовий перехід, тобто справжнє плавлення. Цей перехід проходить різко, якщо кристал складається з однакових за кількістю водневих зв”язків ланок-рибонуклеотидів. Крім цього на фазовий перехід впливає ще такий момент як кількість зв”язків. Наприклад, канонічна пара рибонуклеотидів з азотистими основами аденін-урацил з”єднується двоводневими зв”язками, а канонічна пара гуанін-цитозин G-C – триводневими. Звичайно пари А-U розриваються легше і при нижчих температурах чим G-C. Завдяки цьому, здавалось би рядовому моменту, Життя виникло з двоїчного коду, буквами і функціоналом якого стала канонічна пара А-U.

Мал.6 Комплементарність канонічних пар G-C (виділено синім), та А-U (виділено жовтим) та слабкі водневі зв”язки (виділено червоними штрихами)

Окрім цих двох канонічних пар інтерес викликає неканонічна пара гуанін-урацил G-U в якої три водневі зв”язки гуаніна G зчіплюються з двома в урацила U, бо мають однакову стереохімію. Більш за все, саме вона послужила мостком, по якому вдалося завести в генетичний алфавіт два розділові знаки, щоб на останньому етапі еволюції генетичного коду вони стали його повноцінними буквами. Мова йде про гуанін G та цитозин С.

глухий кут науки

Щоб рухатися далі потрібна гіпотеза, яка пояснить звідки в такій величезній кількості на нашій планеті взялися ці чотири нуклеотиди. Мова йде про ще один “глухий кут“ науки. Ситуація важка - жоден РНК-рибозим не здатен каталізувати їх синтез. Більше того, рибонуклеотиди не синтезуються у воді. Це при тому що генетичні тексти Життя записані неймовірною кількістю “хімічних букв”. Прикиньте - в кожній клітині нашого тіла міститься геном з 3 млрд. пар нуклеотидів, в одному грамі гумуса - 10 млрд. бактерій у яких мінімальний розмір генома - 400 тис. пар нуклеотидів. А скільки їх у воді в РНК/ДНК прокаріот!? Неміряно!

Але не все так безнадійно як здається на перший погляд. Встановлено, що саме ці чотири рибонуклеотиди не розпадаються під дією ультрафіолета, тобто в свій час вони пройшли ультрафіолетовий відбір. Подібне не могло відбутися у воді, бо вона його не пропускає. Тобто синтез рибонуклеотидів відбувся раніше, до появи води на поверхні планети.

Це зараз Місяць із-за осьового обертання Землі своєю гравітацією тягне по поверхні світового океану дві припливні хвилі висотою в декілька метрів, а по дну - два горби деформованої земної кори в 30 см. А що було коли він висів на межі Роша а вода ще тільки почала конденсуватися на гарячій поверхні планети?! Очевидно гравітація Місяця два рази за коротку земну добу розкривала жерла вулканів та гейзерів в екваторіальній області, з яких в атмосферу виривались синтезовані під тиском хімічні сполуки. Більш за все тоді з них синтезувалися рибонуклеотиди щоб вдень під палючим Сонцем осісти на дно пересохлих калюж у вигляді солі.

Гіпотеза 3. Рибонуклеотиди являються продуктом хімічних реакцій під тиском в умовах роботи планетарного ампліфікатора в безводному холостому режимі.

перші сполохи Життя

Ймовірніше за все до появи Життя екваторіальна область мілководного праокеану була заповнена субстратом з кільцевих РНК та сміттям від реплікації у вигляді шпильок та лінійних полінуклеотидних ланцюгів РНК, сплетених в скрутки і клубки різної просторової конфігурації. Все це фіксувалося спайками водневих та ковалентних зв”язків. Затравкою для полімеразно-ланцюгових реакцій виступали кільцеві РНК, у яких не було ні початку ні кінця, через що до них ніщо не могло причепитися. На відміну від лінійних ланцюгових РНК вони мали мали жорсткий каркас із сильних ковалентних зв”язків, які фіксували геометрію кільця в просторі. На кільцевих РНК наче лабораторний працював планетарний ампліфікатор. По устеленому котилась полімеразно-ланцюгова реакція, насичуючи субстрат різноманітними кільцевими РНК та браком у вигляді полінуклеотидних ланцюгів. В робочій зоні, що опоясувала земну кулю в екваторіальній області, поступово формувався пребіотичний світ РНК. Життя ще не було, бо завдяки ПЛР не існувало проблем ні з синтезом, ні з реплікацією кільцевих РНК.

Невідомо скільки така ідилія продовжувалась, але у будь чого є кінець. У американців він завжди називається happy end. Непоміченим він підстеріг планетарний ампліфікатор - Місяць віддалявся, земна твердиня охолоджувалась і температурного кидка стало не вистачати для реплікації. Погіршення роботи планетарного термоциклера привело до появи другого Відбору після першого ультрафіолетового. Назвемо його місячним, щоб перекинути місток до місячних у жінок.

Під його тиском кільцеві РНК, які містили рибонуклеотиди з канонічної пари G-C, були витіснені до жерла грязьових вулканів та гейзерів на дні праокеану, де амплітуда температурного кидка була максимальною. Робочу зону планетарного ампліфікатора, де вода була холоднішою, заповнили аденін-урацилові кільцеві РНК. Пояснюється це тим що аденін-урацилова (А-U) канонічна пара рибонуклеотидів скріплюється двоводневими зв”язками, а не менш канонічна гуанін-цитозинова (G-C) пара – триводневими. Так як триводневі зв”язки розривати трудніше чим двоводневі то денатурація або плавлення аденін-урацилових (А-U) кільцевих РНК відбувалася при нижчих температурах чим G-C і проходила більш різко. Брак полімеразно-ланцюгової реакції у вигляді ланцюжків, або що те саме - розірваних після реплікації кільцевих РНК, теж був аденін-урациловим.

Але не це було епохальним - деякі з цих полінуклеотидних ланцюжків, переплетених і складених в скрутки третинної просторової структури, почали брати на себе функції, які компенсували погіршення роботи планетарного ампліфікатора. І у деяких з них вийшло - просто трапилося чудо! Там, де для денатурації не вистачало амплітуди температурного кидка, вони допомагали, розтягуючи в різні боки кільцеву РНК та синтезовану на ній репліку.

Ланцюги при скрутці ставали функціональними тільки тоді коли рибонуклеотиди на кільцевій РНК стояли в певній послідовності один за одним.

Так як на той час їх було всього два - аденіновий A і урациловий U, то такі послідовності можна розцінювати як інформацію записану двоїчним кодом на кільцевій РНК, рибонуклеотиди A, U - буквами першого алфавіту а чудо - першими сполохами Життя, яке виникло просто і непомітно. Надалі такі кільцеві РНК будем кликати смисловими матричними мРНК, а репліки з них - кодованими кільцевими РНК. Наприклад, посмертна маска Наполеона являється другою гіпсовою реплікою з лиця небіжчика, або в наших термінах - смисловою мРНК.

Мал.7 Посмертна маска-репліка Наполеона

З появою матричних м-РНК, здатних синтезувати функціональні полінуклеотидні ланцюги, то тут то там по робочій зоні ампліфікатора запалювалося Життя, в сполохах якого народився Лука. Так на жаргоні вчених називається перша клітина з якої пішли всі організми біоти. З огляду на те, що ми в двох розділах “ЕВОЛЮЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО КОДУ” не тільки до клітини, навіть до ДНК не доберемся, то перший порух Життя будемо називати аденін-урациловим Лукою (Luca) .

заморожена випадковість

Безклітинна форма полінуклеотидного РНК-Життя в мертвому до її появи світі РНК стала самодостатньою речовиною живої матерії. Вона виконувала багато функцій властивим деяким білкам (пептидам), включаючи формоутворення і біохімічний каталіз. В період полінуклеотидного розквіту безклітинна форма РНК-Життя заповнила робочу зону термоциклера на всю глибину мілководного праокеану і являла собою один організм у вигляді субстрату. Вона створювала умови для швидкої Еволюції, бо світ РНК не був відгороджений від зовнішнього середовища а був її частиною. Більше того, по всій робочій зоні планетарного ампліфікатора здійснювалося горизонтально-вертикальне перенесення інформації кільцевими матричними м-РНК. Припливні хвилі, підняті гравітацією Місяця, змішували субстрат РНК по вертикалі, а екваторіальні течії і протитечії, спричинені швидким осьовим обертанням Землі, переносили генетичну інформацію по горизонталі. На це вказує одинакова просторова ізомерія у всіх задіяних вуглеводів і амінокислот (заморожена випадковість). Всюди, куда заносило кільцеві РНК з просунутим функціоналом, їх концентрація під тиском Відбору зростала аж поки не ставала 100%. Так “заморожувалась” по всей робочій зоні будь яка випадковість (мутація), яка вела до поліпшення або створення нової функціональності полінуклеотидних ланцюгів.

різноманіття З зародженням полінуклеотидного РНК-Життя стійкість поширення хімічного Сигналу (Життя) стала основуватися на його різноманітті у відповідності до кібернетичного закону Вінера, Шеннона і Ешбі.

Для стійкого існування кібернетичної (в тому числі біологічної) системи необхідно щоб вона мала внутрішнє різноманіття необхідне для блокування будь яких зовнішніх і внутрішніх збурень.

Так що то був за Лука, якого ми взяли за нульовий відлік Життя?! Очевидно це не популяція перших клітин, з якої дехто веде Життя, не перше ДНК і навіть не перший функціональний пептид (білок). Швидше за все аденін-урациловий Лука - це стан субстрату РНК в якому виникло перше різноманіття відмінне від різноманіття неорганічного світу. З Луки бере початок Еволюція -

Эволюция (от лат. evolutio — «розгортання») - це розгортання різноманіття.

Не знаю хто придумав цей термін evolutio - на мій погляд він оракул. На жаль в процесі інтенсивної експлуатації первинний зміст терміну був втрачений і тепер під словом Еволюція загальноприйнято вважати процес змін, розвиток (development), що само по собі не точно. Давно пора його повернути.

двоїчний полінуклеотидний код

Двоїчний код - це кодування двома буквами по одній на ланцюгу полінуклеотидної матричної м-РНК ( 2 в першій степені = 2 можливі комбінації).

Більш за все при народженні Луки полінуклеотидне РНК-Життя мало мінімальне різноманіття і якби не підтримка затухаючої ПЛР то невдовзі накрилося б мідним тазом. Дійсно, яким могло бути різноманіття записане двоїчним кодом? Хіба що чорно-білим, якщо представляти його в кольорах. Тоді перший порух РНК-Життя мав бути записаним у вигляді штрих-коду, як на товарі в супермаркеті - це якщо далі продовжувати асоціацію…

Дійсно, певна послідовність азотистих основ A і U (AAAUUAUUUAAUAUAUU…) на кільцевій м-РНК могла задавати якусь функціональність на репліках з неї. Це в тому разі якщо реплікою ставав полінуклеотидний ланцюг або що те саме - розірвана кільцева РНК, бо ланцюг міг скрутитися в просторову структуру і в такий спосіб набути функціональність. Парадоксально, але ланцюги РНК можна розглядати як брак полімеразно-ланцюгової реакції, бо націлена вона була з самого початку на реплікацію кільцевих РНК. Получається, що полінуклеотидне Життя получилось з браку. Все як у людей - спочатку брак а потім нове життя… Кільцеві РНК не могли бути функціональними, бо кільце із стягнутих між собою сильними ковалентними зв”язками рибонуклеотидів можна скрутити хіба що у “вісімку”, як велосипедне колесо. У кільцевих РНК була інша функція - на них синтезувалися матричні мРНК.

Не очевидно, але для того щоб полінуклеотидний ланцюг міг заплестись в 3D конфігурацію і стати функціональним для Життя, його ланки з азотистих основ A (аденін), U (урацил) повинні мати полярні властивості - або до води, або між собою, або до води і між собою. Полярні між собою - це заряджені позитивно і негативно, а полярні до води - це гідрофільні і гідрофобні. Гідрофільними вважаються хімічні сполуки у складі яких багато атомів кисню та водневих зв”язків а якщо мало - гідрофобними.

Кодони з коренем U являються найбільш гідрофобними, тоді як кодони с коренем A є найбільш гідрофільними.

Виходить, що функціональність полінуклеотидного ланцюгу кодувалась полярними властивостями пурінових (A) та піримідинових (U) азотистих основ по відношенню до води, тобто гідрофільністю та гідрофобністю. Очевидно, якби все було однаково гідрофільним чи гідрофобним, то не було б ніякого двоїчного коду і Життя теж

Мал.8 РНК-полімераза

Цілком можливо перша функціональність полінуклеотидного РНК-Життя виникла у ланцюгів, які могли поліпшити протікання полімеразно-ланцюгової реакції. До таких відносять РНК-полімеразу - фермент, який каталізує реплікацію РНК.

троїчний полінуклеотидний код

Троїчний код - це кодування двома буквами по двум на ланцюгу полінуклеотидної матричної м-РНК (2 в другій степені = 4 можливих комбінацій)

В свою останню еру полінуклеотидне РНК-Життя увійшло знекровленим на різноманіття. Ніякого другого крім чорно-білого не було. Стійкість Життя трималася на полімеразно-ланцюговій реакції, яка повільно загасала через погіршення роботи планетарного ампліфікатора. В цей трагічний момент за спиною Відбора з занесеним скальпелем знову з”являється рятівна Еволюція, яка розгорнула різноманіття не подароване небесами чи Всевишнім. Щоб зрозуміти як це трапилося, достатньо глянути на фрагмент матричної м-РНК, записаного двоїчним аденін-урациловим кодом. Візьмемо наприклад такий запис - …UUUAUUAUAAUUUAUUAA…

Якщо виділити пари букв-рибонуклеотидів кольором, так як вони стоять в рядку, то отримаємо - …UUUAUUAUAAUUUAUUAA… І тут стає зрозуміло - якби Еволюція змогла синтезувати полінуклеотидний ланцюг по матричній мРНК не одиночними рибонуклеотидами а парами, то полінуклеотидне РНК-Життя автоматично перейшло би на троїчне кодування, в результаті якого з”явилося б нове різноманіття функціональності і навіть більше того - початок відліку полімеризації РНК! Дійсно, AA - два пуринові (аденінові) нуклеотиди дають одну полярну пуринову властивість - гідрофілію, UU - два піримідинові (урацилові) рибонуклеотиди також дають одну полярну піримідинову властивість - гідрофобію.

А що могли являти собою такі пари UA и AU як не нову властивість та різноманіття, яких до цього не було!!! Очевидно, поза матричною м-РНК ці дві пари ідентичні, а при синтезі на кільці мРНК можуть бути різними, дивлячись як стоять відносно напрямку полімеризації. В Еволюції з”являється перша двозначність. Вона вирішує цю проблему просто - вводить початок полімеризації (старт-кодон) і ставить туди одну із пар. Наприклад - AU. Виділим AU червоним фоном як червону літеру і перший розділовий знак, бо генетичний текст записувався на кільці. Тоді для кодування залишиться UA. Між іншим наука не знає звідки взявся старт-кодон. А все через те що копають по горизонталі а по вертикалі остерігаються - не солідно…

Для того щоб пара AU не змогла більше стати в рядку кільцевої матричної мРНК, повинен був з”явитися функціонал який став би на перешкоді цьому. Ще один функціонал (РНК-праймер) повинен сісти на AU, блокуючи доступ двоводневому з”єднанню з комплементарним динуклеотидом UA. В цьому випадку перед старт-кодоном виникне прогалина на якій при завершенні реплікації кільцева кодована РНК обірветься і стане функціональним ланцюгом РНК. В пептидному коді, котрий прийде на заміну полінуклеотидному, роль прогалини будуть виконувати 3 стоп-кодони.

Закономірно виникає питання - як технологічно це було виконано? Мається на увазі перехід до троїчного кодування. Без сумніву - просто і красиво, як все що було і буде зроблено Еволюцією, та ще й при мінімальних енергетичних витратах. Хто не знає - Еволюція сліпа, поводирем у неї принцип Ферма, а поганяйлом Відбір…

Більш за все, ще за двоїчного кодування був отриманий функціонал у вигляді малої суб”одиниці майбутньої рибосоми, яка, сівши на матричну РНК по сусідству з старт-кодоном AU, рухалась по ній в напрямку синтезу від 5”-кінця до 3”-кінця з кроком в дві ланки. Тобто синтез функціонального полінуклеотидного ланцюга РНК міг здійснюватися парою одиночних рибонуклеотидів або що те саме - динуклеотидами. Такий нюанс призвів до виникнення троїчного коду буквами якого стали динуклеотиди AA,UU,AU. Якщо продовжувати асоціацію з кольорами, то до “чорно-білого” різноманіття додалось “сіре” або рябе - це якщо человек ученый…

Логічно припустити що при переході до троїчного коду усі кільцеві матричні м-РНК подвоювалися за довжиною, тобто за числом рибонуклеотидів, інакше 50% інформації втрачалась. Це якби переписати текст здвоєними буквами - половина не поміститься в початковий формат. Напрямок синтезу РНК як завжди був протилежним, бо комплементарні ланцюги РНК зв”язані між собою за принципом “голова-хвіст”.

Епоху троїчного коду полінуклеотидного РНК-Життя напевно слід вважати найдовшою в історії біоти. Це була епоха розквіту полінуклеотидного РНК-Життя і цілком можливо триває і зараз. Адже майже всі ферменти, що обслуговують реплікацію, полінуклеотидного походження. Та про що може бути мова - трансляція білків (протеїнів) ведеться з матричної м-РНК а не з ДНК. Це тільки на перший погляд здається що кодування функціональності ферментів стало вестися чотирма буквами (A,U,G,C). Фактично продовжує кодуватися троїчним кодом, основаним на полярних властивостях пуринів (A,G) і пірамидінів (U,C) - гідрофілії та гідрофобії.

Так, в одной из работ М.Эйгена с соавторами было показано, что если записать последовательность тРНК не в виде четырёхбуквенного алфавита (аденин, гуанин, цитозин, урацил), а в виде двухбуквенного алфавита (пурин-пиримидин), то уровень накопления шума так называемыми полуконсервативными последовательностями тРНК составляет около 50% - то есть в этих последовательностях сохранилось около половины первоначального текста, каким он был более 3,5 млрд. лет назад

Більш за все саме в еру троїчного кодування полінуклеотидне РНК-Життя нарешті відірвалось від пуповини полімеразно-ланцюгової реакції і перейшло до ферментної реплікації. Планетарний ампліфікатор затух і тепер, про те що він був, нагадують дві припливні хвилі, які Місяць тягне за собою по поверхні океанів та місячні у жінок.

апокриф

Ясна річ, троїчне кодуваня додало в різноманітності полінуклеотидному Життю, хоча нічого принципово нового не внесло - всього лиш відтінок між чорним і білим. Але цього вистачило для появи ферментів, здатних взяти на себе обслуговування реплікації РНК. Планетарний ампліфікатор, який став баластом, було викинуто за борт і полінуклеотидне РНК-Життя відправилося в автономне плавання під чорно-сіро-білими вітрилами різноманіття. Попереду по курсу виднілися рифи геологічної еволюції планети, а за ними - зловісна постать Відбору. Щоб не наразитися на його скальпель необхідно було піднімати додаткові вітрила. Перед Еволюцією постала задача - в субстраті РНК знайти нове різноманіття, з тим щоб додати його до старого пурино-пірамідинового, яке себе вичерпало. Іншими словами - передати естафету. Кому - довго шукати не довелося, це було різноманіття амінокислот. Воно було величезним!

Мал.9 Схема амінокислоти.

Залежно від полярності бічних радикалів (R-груп) амінокислоти в більшій або меншій мірі взаємодіють із диполями води, тобто проявляють гідрофільні або гідрофобні властивості.

Справа в тому, що амінокислоти відрізняються одна від одної структурою бічного ланцюга, який ще називають R-групою. Таких груп дуже багато, сотні і всі вони різні за розміром, формою, гідрофільністю, електричним зарядом, схильністю формувати водневі зв'язки. За ідеєю з усього цього різноманіття Еволюція мала вибрати дві групи амінокислот, бо пептидний генетичний код так само як полінуклеотидний генетичний код повинен був починатися з двоїчного кодування. При цьому одна амінокислота - а точніше пул амінокислот, мала належати до гідрофобної групи з неполярним радикалом, а друга теж з пулу амінокислот - до гідрофільної з полярним радикалом. Тільки в цьому випадку міг перекинутися місток від полінуклеотидного до пептидного РНК-Життя без катастрофічної втрати інформації після якої Еволюція мала все починати з нуля

Мал. 10 Амінокислоти за групами

До цього за амінокислоти ми навіть не згадували, бо близько лікоть та не вкусиш. Справа в тому що амінокислоти хоч і легко полімеризуються між собою в пептидний ланцюг, але не здатні синтезувати його напряму по матричній мРНК. Вимагався посередник (адаптор) між амінокислотою та рибонуклеотидом. Кастинг виграв короткий, довжиною у 8 нуклеотидів ланцюжок транспортної тРНК складений майже навпіл у шпильку для волосся. Таких шпильок було два види. Ясно, що для двоїчного кодування більше і не треба було. Інша справа з амінокислотами, яких в природі велике різноманіття. Еволюції було з чого вибрати дві групи амінокислот, які за властивостями по відношенню до води були близькі до пурино-пірамідинових РНК. Шпильки тРНК розрізнялися за аденіновим A чи урациловим рибонуклеотидом U на акцепторному кінці. Звісно, такий самий рибонуклеотид мав бути і на голові шпильки. Ця частина тРНК носить назву антикодонової петлі. Саме нею транспортна тРНК комплементарно з”єднується водневими зв”язками з полінуклеотидною матричною мРНК, записану двоїчним кодом і зчитує її. Фіксуєм цей момент - був період коли кодування полінуклеотидної функціональності одночасно велося не тільки троїчним, але і двоїчним кодом…

На перший погляд все виглядить дуже просто - ковалентно чіпляєм амінокислоти з групи “Гідрофільні з полярним радикалом” до аденінових (A) транспортних тРНК, а з групи ”Гідрофобні з неполярним радикалом” - до урацилових (U) тРНК і хай вони тягають їх до місця синтезу поліпептидного ланцюга на матричній мРНК, раз вони транспортні. Заковика в тому, що не кожна мавпа може притулити біле до білого а чорне до чорного, щоб без плутанини. Ось чому Відбір затребував РНК-структуру (фермент) розумнішу за мавпу, яка могла ідентифікувати транспортну тРНК та специфічний до неї пул амінокислот, з тим щоб одну з них активувати та ковалентно приєднати до тРНК.

Так як у нас два види транспортних тРНК, то ферментів розумніших за мавпу теж мало бути два види. Мабуть на цю забаганку Відбору Еволюція витратила декілька мільйонів років, але воно того вартувало. Утворені дві кодази (аміноацил тРНК синтетази або скорочено - АРСази) стали спроможні розпізнавати дві амінокислоти та прикріплювати їх до специфічних тРНК, з тим щоб транспортувати ці комплекси до місця синтезу пептидів на мРНК. Тобто на відміну від мавп кодази стали тулити біле до білого а чорне до чорного практично без плутанини.

Полімеризація пептидних ланцюгів двома пулами амінокислот з полярними властивостями до води дуже нагадувала двоїчне пурино-пірамідинове кодування. Це мало що додавало в різноманітті а тому під тиском Відбору Еволюція пішла на троїчне пептидне кодування. Думається це було зроблено аналогічно переходу до троїчного полінуклеотидного кодування.

По мірі збільшення специфічності кодаз кількість задіяних амінокислот зменшувалась аж поки не залишилось по одній з кожного пула, тобто в сухому остатку - дві амінокислоти. Очевидно, кожне наступне кодування розгортало все більше різноманіття через залучення нових амінокислот і специфічних до них нових кодаз. Еволюція не терпить двозначності, а тому кожна з 21 амінокислот, які увійшли в сучасний генетичний код, має свою і тільки одну кодазу. Очевидно, без троїчного полінуклеотидного кодування на руках годі було і думати про створення двох “розумних” кодаз. Ось чому РНК-Життя першим було записано двоїчним полінуклеотидним кодом а не двоїчним пептидним, більш перспективним в плані різноманіття.

Як бачимо полінуклеотидне РНК-Життя зародилось не просто так, а щоб підтримати полімеразно-ланцюгову реакцію, проходження якої стало гальмуватися зовнішніми факторами. В процесі розгортання різноманіття (Еволюції) під тиском невблаганного Відбору виникла більш перспективна поліпептидна форма Життя, вбудована в полінуклеотидне РНК-Життя. При цьому старий полінуклеотидний функціонал нікуди не дівся, він продовжував обслуговувати Життя, хоча еволюція його генетичного коду була вичерпана на троїчному пурино-пірамідиновому кодуванню. Можливо так виник перший симбіоз відомий нам під назвою “світ РНК”.

Гладкий Іван 25.12.2022

igladim@gmail.com www.gladevolution.com